介紹了帶中間迷宮的串聯(lián)干氣密封在中石油塔里木石化分公司大化肥三大機組上的成功應(yīng)用，通過對干氣密封的工作原理、密封典型布置方式、密封端面槽形結(jié)構(gòu)特點及一級密封氣系統(tǒng)、二級密封氣系統(tǒng)、隔離密封氣系統(tǒng)、放空氣控制系統(tǒng)及增壓系統(tǒng)的流程、工作特點以及三臺機組干氣密封異同點的描述，結(jié)合其良好運行的效果，認(rèn)識到干氣密封與其他密封相比，在諸多方面有非常明顯的優(yōu)勢，具有很高的應(yīng)用推廣價值，并提出了干氣密封日常操作與維護的注意事項，對機組干氣密封存在及出現(xiàn)的問題進行了分析處理。

一、前言

　　塔里木石化分公司是年產(chǎn)45萬t合成氨、80萬t尿素的化肥項目，于2010年5月建成投入正常生產(chǎn)。出于工藝介質(zhì)危險性、對環(huán)境污染及一次性投入成本的綜合考慮， 在化肥5大機組中，空氣壓縮機軸封為浮動碳環(huán)密封，二氧化碳壓縮機軸封為抽充氣迷宮式密封，而合成氣壓縮機、氨壓縮機及原料氣壓縮機軸封為干氣密封，干氣密封是一種非接觸帶螺旋槽的機械密封，與其他密封相比，磨損小、能耗低、壽命長、泄漏量少以及維修量低，它是非接觸式密封，不受pv值限制， 所以干氣密封特別適用于高壓、高速以及易燃、易爆、有毒、有害氣體條件下的大型離心式壓縮機。

二、干氣密封工作原理

　　在干氣密封中最核心部件為動環(huán)和靜環(huán)，在動環(huán)與靜環(huán)的徑向面之間形成密封，密封環(huán)精度等級非常高，螺旋槽被刻在動環(huán)上，深度為2.5～10μm，其槽從環(huán)外沿開始向中心延伸，到環(huán)中部結(jié)束，螺旋槽分為單向和雙向，如圖1所示。

圖1 干氣密封原理示意

　　在靜止?fàn)顟B(tài)時，動環(huán)與靜環(huán)在彈簧力作用下，其密封面貼合在一起，當(dāng)轉(zhuǎn)動時，氣體被輸送到螺旋槽根部，即密封氣壩，因氣壩阻擋作用，使氣體壓力上升，其力將動靜環(huán)推開，當(dāng)彈簧力和閉合氣體力等于環(huán)間氣體開啟力時，在動靜環(huán)之間形成2.5～5μm厚度的氣膜，如圖2所示。

圖2 正常間隙氣膜壓力

　　因外界干擾，當(dāng)密封面間隙減小時，在螺旋槽中氣膜產(chǎn)生的壓力將急劇上升，即氣膜反力增加，開啟力大于閉合力，迫使動靜環(huán)之間的密封間隙增大，從而恢復(fù)到正常值，如圖3所示。

圖3 間隙減小氣膜壓力

　　當(dāng)情況相反時，動靜環(huán)之間的密封間隙增大，氣膜反力減小，開啟力小于閉合力，迫使動靜環(huán)之間的密封間隙減小，從而恢復(fù)到其平衡位置如圖4所示。

圖4 間隙增大氣膜壓力

　　從上分析知，在螺旋槽中氣膜產(chǎn)生的動壓力總是能平衡外界對動靜密封間隙的干擾，所以干氣密封運行很穩(wěn)定，由于氣膜的形成，使動靜環(huán)保持分離，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為密封面無磨損，運行可靠、壽命長。

三、干氣密封的結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)氣體成分、氣體壓力、裝置工藝狀況以及現(xiàn)場環(huán)保、安全要求，壓縮機可采用不同的干氣密封結(jié)構(gòu)形式。

　　1. 布置形式

　　干氣密封主要有單端面、串聯(lián)和雙端面三種布置形式。

　　1)單端面密封又被稱為單級密封，主要用于中、低壓，同時允許少量介質(zhì)泄漏到大氣中的場合，例如壓縮機的介質(zhì)為氮氣和空氣等，如圖5所示。

圖5 單端面密封結(jié)構(gòu)

　　2)串聯(lián)式干氣密封是由兩套或更多套干氣密封首尾相連而成，通常使用兩級密封結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中第一級密封承擔(dān)大部分或全部負(fù)荷，被稱為主密封;而第二級承受小部分或不承受負(fù)荷，被稱為備用密封。在第一級和第二級密封之間通入氮氣就形成阻塞密封，保證工藝氣體不向大氣泄漏。在介質(zhì)壓力很高的場所，可使用三級串聯(lián)密封。

圖6 兩級串聯(lián)式密封結(jié)構(gòu)

1.軸套 2.一級動環(huán) 3.一級彈簧座 4.中間迷宮密封環(huán) 5.二級靜環(huán) 6.二級彈簧 7.二級彈簧座 8.固定環(huán) 9.二級動環(huán) 10.一級彈簧 11.一級靜環(huán)

　　3)雙端面密封是面對面布置的兩套單端面密封，適用于允許少量密封氣進入工藝介質(zhì)中的場合，如圖7所示。密封氣，一般為氮氣，分為三部分：一部分稱為緩沖氣，進入緩沖氣腔，經(jīng)過迷宮齒后全部進入缸內(nèi)，其作用是阻止機內(nèi)介質(zhì)污染密封;另一部分稱為主密封氣，進入主密封腔，在密封端面形成氣膜，其中一部分氣向內(nèi)側(cè)泄漏和緩沖氣混合進入機內(nèi)，另一部分氣通過密封端面和隔離氣混合放空;第三部分稱為隔離氣，進入隔離氣腔，部分隔離氣經(jīng)軸承箱放空，其目的是阻止?jié)櫥�油進入密封端面，另一部分隔離氣與泄漏的主密封氣混合放空。

圖7 雙端面密封結(jié)構(gòu)

1.彈簧座 2.鎖緊套 3.靜環(huán) 4.動環(huán) 5.O形圈 6.軸套 7.彈簧

　　串聯(lián)干氣密封的安全性是較高的，它是易燃、易爆工藝氣體密封首選的典型布置方式。

　　2. 干氣密封端面槽形

　　端面槽形是干氣密封的核心部分，其常見槽形有螺旋槽、弧形槽、矩形槽、人字形槽、燕尾形槽以及T形槽等，這些槽中又分為兩大類，即單旋向和雙旋向槽， 如圖8所示。

　　單旋向槽可用于低轉(zhuǎn)速的場合，在規(guī)定旋向下密封才可以產(chǎn)生開啟力;如果反轉(zhuǎn)，則會導(dǎo)致密封損壞，而雙向槽無旋向要求，對于單、雙向槽，工作間隙為1～2μm時，其氣膜剛度差別較大，間隙為3～4μm時氣膜剛度基本相同。

圖8 常見槽形結(jié)構(gòu)

1.矩形槽 2.弧形槽 3.螺旋槽 4.人字形槽 5.燕尾形槽 6.T形槽

　　對于合成氣壓縮機、氨壓縮機及原料氣壓縮機，因考慮到壓縮介質(zhì)的危險性、其反轉(zhuǎn)可能性，最終三臺機組均選用串聯(lián)式干氣密封(見圖6)，合成氣壓縮機、氨壓縮機采用雙向燕尾槽結(jié)構(gòu)，原料氣壓縮機采用單向螺旋槽結(jié)構(gòu)，干氣密封情況見下表。

干氣密封參數(shù)

四、干氣密封系統(tǒng)

　　合成氣壓縮機及氨壓縮機干氣密封系統(tǒng)由一級、二級密封氣系統(tǒng)、泄漏放空氣系統(tǒng)、隔離氣系統(tǒng)以及密封增壓系統(tǒng)組成，原料氣壓縮機原設(shè)計未有增壓系統(tǒng)，后改進增設(shè)了增壓密封線。

　　1. 低壓缸干氣密封系統(tǒng)

　　低壓缸為兩級壓縮，4個葉輪一組，共8個葉輪，葉輪背靠背布置，軸向力抵消，沒有平衡管，每一級進口都靠密封側(cè)，缸體兩側(cè)軸封一級密封氣分別有各自參考?xì)鈮毫�，其壓力分別為3.04 MPa和5.19 MPa。

　　(1)運行時一級密封流程 運行時，低壓缸干氣密封一級密封氣使用低壓缸出口工藝氣，其壓力為8.65 MPa，溫度98℃，該氣通過精密過濾器(精度為2 μm)后，分兩路分別經(jīng)過調(diào)壓閥，參照缸內(nèi)一級進口壓力和二級進口壓力進行壓力調(diào)節(jié)，進入低壓缸兩側(cè)的干氣密封一級密封腔，其中大部分氣體通過壓縮機內(nèi)側(cè)迷宮密封進入壓縮機中，僅少部分氣體從一級密封動靜環(huán)端面泄漏進入一級密封泄漏放空火炬管網(wǎng)。

　　(2)開機中一級密封流程 壓縮機開機前，打開氮氣閥，其壓力為0.6 MPa溫度為25℃，通過過濾器、調(diào)壓閥、流量計進入干氣密封一級密封腔，當(dāng)缸體內(nèi)壓力達到0.3 MPa時，打開增壓單元動力空氣閥，其壓力為0.4 MPa，起動增壓泵(2臺)，其增壓介質(zhì)來自于低壓缸出口，一級密封建立后，對低壓缸進行氮氣、工藝氣置換及系統(tǒng)均壓，然后起動機組，當(dāng)壓縮機升速到最低工作轉(zhuǎn)速后 ，停增壓泵，將低壓缸出口氣切入到一級密封中。

　　(3)停機過程中一級密封流程 機組停車前，起動增壓泵，低壓缸出口氣通過增壓泵升壓后到干氣密封一級密封腔，當(dāng)機組停機后，缸內(nèi)壓力降至0.3MPa時，將氮氣切入主密封，停增壓泵。

　　(4)二級密封氣系統(tǒng) 氮氣來自管網(wǎng)，其壓力為0.6M Pa，溫度為25℃，經(jīng)過精密過濾器，其精度為2μm，分為兩路，分別作為高壓缸、低壓缸隔離氣及二級密封氣之用，二級密封氮氣通過調(diào)壓閥、流量計，進入二級密封腔，其中大部分氮氣通過干氣密封中間梳齒進入一級密封泄漏管道，與泄漏工藝氣混合到火炬燃燒，其目的是阻止泄漏的工藝氣到二級密封，只有少部分氮氣通過二級密封進入二級密封泄漏管道而高點放空。

　　(5)隔離氣系統(tǒng) 隔離氣來源與二級密封氣同路。該氣源通過精密過濾器、調(diào)壓閥，然后通過孔板φ2.6mm，其壓力降至390kPa，進入低壓缸后置迷宮密封腔，其壓力稍大于軸承箱油壓，其作用防止軸承潤滑油進入干氣密封。其中部分氣體通過內(nèi)側(cè)梳齒與二級密封泄漏氣混合后高點放空，另一部分氣通過外側(cè)梳齒到軸承潤滑油煙氣放空管現(xiàn)場放空。

　　(6)放空氣控制系統(tǒng) 一級密封泄漏氣為易燃、易爆工藝氣，它與二級密封氮氣混合后排放到火炬管網(wǎng)燃燒，二級密封泄漏氣與通過內(nèi)側(cè)梳齒的隔離氮氣混合后而高點放空，軸承潤滑油揮發(fā)煙氣與通過外側(cè)梳齒的隔離氮氣混合后放空至大氣。流量監(jiān)測報警裝置安裝在一級密封泄漏氣管線上，用來監(jiān)測干氣密封運行情況，當(dāng)一級密封泄漏量超出指標(biāo)時，發(fā)出報警信號。

　　2. 合成氣壓縮機高壓缸干氣密封系統(tǒng)及氨壓縮機、原料壓縮機干氣密封系統(tǒng)

　　合成氣壓縮機高壓缸為兩級壓縮，一組由7個葉輪組成，另一組由1個葉輪組成，按同一方向排布，為抵消軸向力設(shè)置了平衡管，高壓缸三段出口氣作為干氣密封的一級密封氣，平衡氣管處工藝氣作為密封參考，其壓力為8.68 MPa。氨壓縮機為兩級壓縮，一組由2個葉輪組成，另一組由4個葉輪組成，葉輪按同一方向布置，為抵消軸向力，設(shè)置一級出口與二級出口相連的平衡管，壓縮機二段出口氣作為干氣密封一級密封氣，其密封參考?xì)鉃槠胶鈿夤芴幑に嚉饧耙欢稳肟诠に嚉�，其壓力分別為0.428 MPa和0.249 MPa。原料氣壓縮機為一級壓縮，5個葉輪按同一方向排布，為抵消軸向力，設(shè)置了平衡管，壓縮機一段出口氣作為干氣密封一級密封氣，其密封參考?xì)鉃槠胶鈿夤芴幑に嚉�，其壓力�?.52kPa。

　　因合成氣壓縮機高壓缸及氨壓縮機、原料氣壓縮機干氣密封系統(tǒng)流程與合成氣壓縮機低壓缸基本相同，不再贅述，其不同點如下。

　　1)對于合成氣壓縮機，增壓泵為美國Haskel公司產(chǎn)品。高壓缸為4臺增壓泵，型號為8AGD—14，低壓缸為2臺增壓泵，型號為8AGD—5。2)對于氨壓縮機，其增壓泵與合成氣壓縮機低壓缸增壓泵共用。

　　3)對于原料氣壓縮機，因原設(shè)計沒有增壓系統(tǒng)，所以起動機組時采用降壓起動技術(shù)，流程為：起動前，氮氣0.5 MPa通入一級密封，打開副線向壓縮機缸體充壓，當(dāng)其壓力達到0.25 MPa時起動壓縮機，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速達3 500 r/min時，壓縮機進、出口壓差已達0.3 MPa，此時壓縮機出口工藝氣已投入到一級密封中，當(dāng)缸體內(nèi)壓力達到入口管網(wǎng)壓力時，打開壓縮機入口主閥。

五、干氣密封維護和運行

　　干氣密封維護和運行應(yīng)注意以下幾點：

　　1)保證一級密封氣、二級密封氣和隔離氮氣潔凈、干燥，其流量和壓力穩(wěn)定。

　　2)在干氣密封投用前要打開密封氣管線低點導(dǎo)淋排凈積液，防止密封損壞。

　　3)工藝氣進入壓縮機前，先投入一級密封氣，以防止機內(nèi)工藝氣污染一級密封，開車正常后，當(dāng)壓縮機出口氣壓力超過密封參考?xì)鈮毫�時，將壓縮機出口氣切換到一級密封中，此時停增壓泵，當(dāng)機組急停后， 應(yīng)立即起動增壓泵，當(dāng)機內(nèi)工藝氣排凈后方可停一級密封氣。

　　4)壓縮機開車時先投隔離氣，然后起動壓縮機潤滑油系統(tǒng)，同樣，停車后，先停潤滑油系統(tǒng)，然后再切斷隔離氣。

　　5)對干氣密封系統(tǒng)每天進行兩次巡回檢查，檢查一級、二級密封氣、隔離氣的流量、壓力情況以及過濾器堵塞、系統(tǒng)單元泄漏情況。

　　6)注意一、二級密封泄漏量的變化，及時發(fā)現(xiàn)干氣密封出現(xiàn)的故障。

　　7)過濾器壓差達到報警值0.18 MPa時應(yīng)及時切換過濾器，在更換濾芯時，特別要注意其內(nèi)部密封O形圈是否松動，以防止顆粒被帶入干氣密封。

　　8)要避免壓縮機頻繁起、停，否則極容易導(dǎo)致干氣密封損壞。

　　9)因開機時工藝氣溫度低或冬季環(huán)境溫度低會造成密封氣冷凝，所以對一級密封氣管線要增設(shè)電伴熱及保溫，以防密封損壞。六、干氣密封出現(xiàn)的問題及處理

　　1. 原料氣壓縮機增設(shè)干氣密封增壓線

　　原料氣壓縮機沒有增壓單元，為防止機內(nèi)工藝氣向外擴散污染干氣密封，壓縮機起動時須采用降壓起動，其缺點如下。

　　1)操作難度大，工藝氣容易污染干氣密封端面，甚至損壞干氣密封。

　　2)開車所需時間較長。采用降壓起動，循環(huán)升壓，大約多耗時2h。

　　為克服以上缺點，經(jīng)分析，在低壓缸增壓單元出口接一條管線到原料氣壓縮機，作為干氣密封增壓線，使問題迎刃而解。

　　2. 高壓缸干氣密封靜環(huán)磨損

　　干氣密封最忌將微小顆粒物、潤滑油、水帶入密封。當(dāng)液體進入動、靜環(huán)端面后，由于液體表面張力作

　　用，密封端面被牢牢地粘在一起。壓縮機運轉(zhuǎn)時，無法形成氣膜，動、靜環(huán)接觸摩擦而磨損，而顆粒進入也會使密封端面產(chǎn)生劃痕性磨損，最終導(dǎo)致干氣密封失效。

　　2009年4月17日，合成氣壓縮機安裝完畢，準(zhǔn)備單機試運，在進行壓縮機管道無應(yīng)力對中時發(fā)現(xiàn)高壓缸有大量臟水，與三菱公司人員溝通后，更換干氣密封，將舊密封送天津約翰克蘭科技有限公司拆檢，發(fā)現(xiàn)干氣密封動環(huán)已磨損，其內(nèi)部有許多銹渣及金屬顆粒，如圖9所示。

圖9 干氣密封拆檢情況

　　原因分析：因新建裝置，管線吹掃不徹底，管線試壓時積水未吹盡，在用氮氣置換設(shè)備和管線時將金屬顆粒、銹渣及水帶入干氣密封，壓縮機聯(lián)軸器對中復(fù)查轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子造成動環(huán)磨損。

　　處理方法：對舊動環(huán)進行磨削、拋光處理，重新刻燕尾槽，然后對組裝密封進行密封試驗，泄漏量合格，作為備用。

　　3. 干氣密封二級密封故障

　　2013年7月18日合成氣壓縮機準(zhǔn)備起動，在干氣密封一、二級密封通入氮氣后，高壓缸非聯(lián)軸器側(cè)干氣密封一級泄漏氣流量僅為0.04 m³/h，出現(xiàn)了異常。經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)一級密封泄漏氣通過二級密封動、靜環(huán)進入二級密封泄漏放空管線，干氣密封內(nèi)二級密封出現(xiàn)故障，進一步查找發(fā)現(xiàn)，變壓吸附制氮裝置干燥吸附塔壓緊刪板松動，塔內(nèi)活性炭顆粒及粉末進入氮氣系統(tǒng)，通過二級密封氣進入了干氣密封，造成了動靜環(huán)磨損，在推力瓦檢修、轉(zhuǎn)子軸左移作用下，顆粒、粉末及少量潤滑油造成了二級靜環(huán)支撐座被卡，二級動靜環(huán)分離，形成泄漏通道，造成了一級密封泄漏量異常，對此采取措施如下。

　　1)2013年8月5日，利用裝置停車機會，對干氣密封進行更換檢修。檢修后，干氣密封異�，F(xiàn)象消除，到目前為止運行良好。

　　2)將舊密封送約翰克蘭科技(天津)有限公司修理，根據(jù)部件磨損情況，重新加工一、二級靜環(huán)及二級靜環(huán)支撐座。對一、二級舊動環(huán)進行精研，重新加工約翰克蘭螺旋槽。

　　3)對彈簧、O形圈進行了全面更換。

　　4. 氨壓縮機干氣密封損壞

　　2012年裝置大檢修完成后， 8月8日21點33分起動氨壓縮機，8月9月凌晨3點氨壓縮機一段入口管線保溫材料著火，缸體內(nèi)溫度達到450℃以上，對缸體拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子燒損，干氣密封O形圈炭化，將干氣密封送約翰克蘭科技(天津)有限公司進行檢查及修理，經(jīng)解體發(fā)現(xiàn)一套干氣密封一級密封的動、靜環(huán)已碎裂，另一套干氣密封一級密封的動、靜環(huán)已嚴(yán)重磨損。

　　原因分析：壓縮機在起動過程中因操作原因，導(dǎo)致氨冷器液氨溫度極低，達到-21.61℃，液氨汽化受阻，壓縮機氣量嚴(yán)重不足，缸體溫度升高，最終造成其轉(zhuǎn)子燒損，干氣密封一級密封使用壓縮機出口工藝氣，因無氣量，導(dǎo)致一級密封動靜環(huán)無法分離而旋轉(zhuǎn)摩擦，造成嚴(yán)重磨損，在高溫作用下動、靜環(huán)碎裂。處理方法包括：

　　1)重新加工一級動、靜環(huán)。

　　2)在一級動環(huán)上加工螺旋槽。

　　3)對彈簧、O形圈進行了全面更換。

七、結(jié)語

　　從壓縮機投入使用以來，其干氣密封經(jīng)歷了單機設(shè)備試車、負(fù)荷試車、裝置原始開車及正常生產(chǎn)，同時經(jīng)歷了原始開車中壓縮機多次頻繁起、停和突然停車的考驗，除了因人為操作原因造成合成氣壓縮機及氨壓縮機干氣密封損壞，以及增壓連續(xù)使用而損壞外，大機組干氣密封一直運行非常穩(wěn)定、可靠，具有極強的抗干擾能力，達到了很好的使用效果，保證了機組的長周期運行。

　　干氣密封技術(shù)是目前較為先進的密封技術(shù)，可有效地提高密封運行的可靠性和穩(wěn)定性。從運行的實際情況看，干氣密封具有故障率低、維護簡單、運行壽命長、運行成本低，可以實現(xiàn)工藝介質(zhì)零泄漏，甚至零溢出，完全能滿足環(huán)保對有毒、有害、易燃和易爆氣體日益苛刻的排放要求。干氣密封在塔里木化肥大機組上的成功應(yīng)用，為其在離心式壓縮機上的使用提供了借鑒。實踐證明在工藝條件苛刻、環(huán)保要求很高的場合，干氣密封具有獨特、明顯的優(yōu)勢，其必將在旋轉(zhuǎn)機械軸封上獲得越來越多的應(yīng)用。