張玉杰

（神華包頭煤化工分公司 內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 概述

美國DOW化學(xué)公司UNIPOL氣相流化床聚丙烯工藝是用氣相法生產(chǎn)聚丙烯樹脂，具有設(shè)備少、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。其工藝核心反應(yīng)區(qū)包括氣相流化床、循環(huán)氣壓縮機(jī)和循環(huán)氣冷卻器，其中循環(huán)氣壓縮機(jī)是使反應(yīng)器床層流化的關(guān)鍵設(shè)備。循環(huán)氣壓縮機(jī)的正常運(yùn)行是保證反應(yīng)器床層流化的關(guān)鍵，也是保證生產(chǎn)正常進(jìn)行的關(guān)鍵，循環(huán)氣壓縮機(jī)停車將會使反應(yīng)停止裝置停車。

循環(huán)氣壓縮機(jī)的軸端密封采用干氣密封，干氣密封具有運(yùn)行周期長、性能可靠、故障率低和操作簡單等特點(diǎn)。如果干氣密封損壞將造成壓縮機(jī)停車，從而導(dǎo)致裝置停工，而且干氣密封的更換時間長對效益影響較大，因此干氣密封的運(yùn)行狀況對生產(chǎn)影響較大，需要平時精心維護(hù)保養(yǎng)。封圈和軸套組成[2]。氣密封的形式[3]有單端面干氣密封、串聯(lián)式干氣密封、中間帶迷宮的串聯(lián)密封、雙端面并聯(lián)密封。

1.1.1 單端面干氣密封只有一個密封面，安全性較差，適用于允許有少量工藝氣體泄漏到大氣中的無危害氣體。

1.1.2 雙端面并聯(lián)密封的兩個端面并列布置，兩個靜環(huán)在外側(cè)，安全性較單端面有所提高，多用于壓力18bar以下。雙端面并聯(lián)密封適用于允許少量阻封氣進(jìn)入工藝介質(zhì)中的情況，兩組密封之間通入氮?dú)庾髯枞麣怏w，控制氮?dú)鈮毫Ω哂诠に?/p>

1 干氣密封的結(jié)構(gòu)和原理

1.1 干氣密封的基本結(jié)構(gòu)

用于離心壓縮機(jī)的干氣密封，其結(jié)構(gòu)和普通泵用機(jī)械密封基本相同[1]，也有靜環(huán)、動環(huán)、彈簧以及輔助密氣壓力使密封氣泄漏方向分別朝著工藝氣和大氣，從而保證工藝氣不向大氣側(cè)泄漏。

圖1 中間帶迷宮的串聯(lián)干氣密封結(jié)構(gòu)圖

1.1.3 串聯(lián)式干氣密封可看作是多套干氣密封按照相同的方向首尾相連構(gòu)成，密封氣體采用工藝介質(zhì)本身，通常采用兩級結(jié)構(gòu)。一級為主密封承擔(dān)全部或大部分負(fù)荷，另一級為備用密封不承受或承受小部分壓力降，主密封失效時，二級密封可以起到輔助安全密封的作用，保證工藝介質(zhì)不會大量向大氣泄漏，多用于危險場合。

1.1.4 中間帶迷宮的串聯(lián)密封（見圖1）不允許工藝介質(zhì)泄漏到大氣中且也不允許緩沖氣泄漏到工藝介質(zhì)中。該結(jié)構(gòu)用于易燃、易爆、危險性大的介質(zhì)氣體，可以做到完全無外漏。該結(jié)構(gòu)所用氣體除用工藝氣本身以外，還需另引一路氮?dú)庾鳛榈诙壝芊獾氖褂脷怏w。通過主密封泄漏出的工藝氣體被氮?dú)馊恳牖鹁嫒紵６ㄟ^二級密封漏入大氣的全部為氮?dú)?。?dāng)主密封失效時，第二級密封同樣起到輔助安全密封的作用。

1.2 干氣密封的原理[1-3]

干氣密封是一種密封全部工藝氣體的非接觸式端面密封，該密封包括軸向浮動的碳化物環(huán)—靜環(huán)，和旋轉(zhuǎn)環(huán)—動環(huán)。如圖2所示，旋轉(zhuǎn)環(huán)密封面的外徑部位刻有深約2.5～10μm的槽，槽的下面和槽之間分別是被稱為密封壩和密封堰的光滑區(qū)域。在處于靜止?fàn)顟B(tài)和機(jī)組未升壓時，靜環(huán)背后的彈簧使其與動環(huán)接觸，當(dāng)機(jī)組升壓時，氣體所產(chǎn)生的靜壓力將使得兩個環(huán)分開并形成極薄的氣膜（約3-10μm），這間隙允許少量的密封氣泄漏。

圖2 干氣密封動環(huán)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)機(jī)組開始旋轉(zhuǎn)時，動環(huán)組件隨著旋轉(zhuǎn)，動環(huán)上螺旋槽里的作氣體被剪切把氣體向密封壩泵送，產(chǎn)生動壓力，密封堰對氣體的流出有抑制作用，使得氣體流動受阻，氣體壓力從外徑向內(nèi)徑增加，靠近槽的根部產(chǎn)生高壓區(qū)域，升高的壓力將撓性安裝的靜環(huán)與配對的動環(huán)分開。如圖3所示，當(dāng)彈簧力和氣體的靜壓力Fc與槽和密封壩的流體動力Fo相等時，密封面之間形成穩(wěn)定的氣膜密封工藝氣體，流經(jīng)密封面的密封氣同時也起到了冷卻機(jī)封的作用，這樣動靜環(huán)互不接觸，并且氣膜具有良好的彈性，即氣膜剛度。當(dāng)間隙減小時，流體動力學(xué)作用使得端面之間的開啟力迅速增加大于閉合力，由于靜環(huán)兩側(cè)力不平衡推動靜環(huán)使間隙擴(kuò)大。當(dāng)動靜環(huán)之間的間隙增大時，導(dǎo)致開啟力大于閉合力，閉合力將推動靜環(huán)使間隙減少。

干氣密封的密封面之間在運(yùn)行時有非常小的間隙，密封氣流過該間隙。密封面之間的微小間隙要求密封氣中不能含有直徑超過間隙的顆粒，也不能含有液體，干氣密封控制盤的特點(diǎn)是具有過濾裝置、除濕裝置，提供高清潔度的氣體以延長密封面的壽命，并防止靜環(huán)背面堆積污染物。干氣密封主密封腔的壓力應(yīng)高于近進(jìn)氣壓力，確保密封腔內(nèi)清潔環(huán)境。由于主密封腔與工藝腔有壓差，對于串聯(lián)式結(jié)構(gòu)密封氣流經(jīng)密封后進(jìn)入壓縮機(jī)，只有一小部分密封氣流經(jīng)兩個密封面之間成為泄漏氣。

圖3 干氣密封力學(xué)原理圖

2 循環(huán)氣壓縮機(jī)干氣密封的結(jié)構(gòu)和操作

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

循環(huán)氣壓縮機(jī)干氣密封的動環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其結(jié)構(gòu)為燕尾形槽，這種結(jié)構(gòu)屬于雙向螺旋槽。單旋向與雙旋向槽型干氣密封的區(qū)別為：單旋向槽型只可使用于單向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動設(shè)備，在要求的旋向下才可產(chǎn)生開啟力，如反轉(zhuǎn)則產(chǎn)生負(fù)的開啟力而可能導(dǎo)致密封的損壞，單旋向的干氣密封旋轉(zhuǎn)時氣膜剛度大，抗干擾能力強(qiáng)；雙旋向的螺旋槽可保證機(jī)組出現(xiàn)反轉(zhuǎn)時，干氣密封密封面無損壞，但與單旋向槽型相比氣膜剛度較小，穩(wěn)定性和抗干擾能力較差。

圖4 壓縮機(jī)干氣密封動環(huán)結(jié)構(gòu)圖

循環(huán)氣壓縮機(jī)采用中間帶迷宮的串聯(lián)密封，這種結(jié)構(gòu)允許一級緩沖氣向工藝側(cè)存在一定流量泄漏。一級緩沖氣正常生產(chǎn)時使用氣態(tài)丙烯，開工初期或丙烯系統(tǒng)有問題時使用高壓精制氮?dú)猓欢壘彌_氣和隔離氣為普通過濾氮?dú)?。一級緩沖氣的作用是防止工藝氣體中的粉塵進(jìn)入干氣密封；二級緩沖氣的作用是防止一級密封端面泄漏過來的介質(zhì)氣體進(jìn)入二級密封；隔離氣的作用是防止軸承側(cè)的潤滑油進(jìn)入干氣密封。

2.2 操作及控制

2.2.1 流程及控制

干氣密封的流程如圖5所示，密封的控制分為四個部分：一級密封氣供給；一級密封氣排放；二級密封氣供給；隔離氣供給。

正常生產(chǎn)時，一級密封氣氣源采用反應(yīng)工藝氣丙烯。液態(tài)丙烯經(jīng)過丙烯蒸發(fā)器氣化后壓力達(dá)到4.3MPa以上，氣體流量為500Nm3/hr。氣態(tài)丙烯由C處進(jìn)入干氣密封控制臺，經(jīng)過高壓精細(xì)過濾器去除氣體中99.99%的粒徑在0.1μm以上的顆粒，并且通過聚結(jié)原理去除丙烯氣中的液體，液體由過濾器的排液罐排入高壓火炬管網(wǎng)，若過濾器的壓差超過0.07MPa將導(dǎo)致過濾器壓差高報警，丙烯氣流量由調(diào)節(jié)閥控制在額定范圍內(nèi)。

在非正常生產(chǎn)和裝置開工進(jìn)丙烯之前，一級密封氣氣源采用高壓精制氮?dú)?，高壓精制氮?dú)庥裳b置中的氮?dú)鈮嚎s機(jī)提供，氮?dú)鈮嚎s機(jī)將公用管網(wǎng)中的氮?dú)鈮嚎s至4.5MPa，氮?dú)饬髁?00Nm3/hr，由B進(jìn)入干氣密封控制臺。若干氣密封一級密封氣停止將導(dǎo)致壓縮機(jī)停車進(jìn)而導(dǎo)致裝置停工，為保證干氣密封連續(xù)正常運(yùn)行，一級密封氣可在高壓氮?dú)夂捅鈨煞N氣體之間自動切換，如果正在使用的一級密封氣流量低于245 Nm3/h時，干氣密封的控制聯(lián)鎖將自動切換到另一種氣體。如果兩種氣體流量都低于聯(lián)鎖值時，聯(lián)鎖將控制閥門在兩種氣體之間來回切換，當(dāng)切換一定次數(shù)后將造成機(jī)組聯(lián)鎖停車。

一級密封氣的作用是防止壓縮機(jī)工藝氣體中的顆粒進(jìn)入干氣密封損壞密封面，由于一級密封氣壓力高于壓縮機(jī)內(nèi)工藝氣壓力，因此一級密封氣流入壓縮機(jī)內(nèi)與工藝氣混合。正常情況下干氣密封一級密封氣向二級側(cè)泄漏量極少，一級密封氣與二級密封氣共同由E排入低壓火炬管網(wǎng)。干氣密封正常運(yùn)行時，一二級排放線上的現(xiàn)場流量計(jì)顯示的是二級密封氣的泄漏量，如果干氣密封一級密封面損壞出現(xiàn)泄漏，那么排放線上的流量計(jì)流量將增大。一級密封氣向二級泄漏量增加將導(dǎo)致排放線內(nèi)壓力增加，若排放線上的三個壓力傳感器中的兩個傳感器顯示壓力超過3H報警值時，機(jī)組將聯(lián)鎖停車，這時應(yīng)更換干氣密封。

二級密封氣和隔離氣使用公用工程管網(wǎng)0.6MPa、常溫氮?dú)?，氮?dú)庥蒀進(jìn)入控制臺，經(jīng)過過濾器精濾后去除氮?dú)庵?3%的粒徑0.1μm以上的顆粒，若過濾器的壓差超過0.07MPa將導(dǎo)致過濾器壓差高報警。過濾后的精制氮?dú)獗环殖蓛陕?，一路進(jìn)入干氣密封二級密封腔；另一路進(jìn)入密封隔離氣腔。二級密封氣的流量通過現(xiàn)場指針流量計(jì)手動控制在9.3Nm3/h，隔離氣的流量控制在10.7 Nm3/h。二級密封氣排放線與一級密封氣排放線在干氣密封出口并為一股E，通過排放線現(xiàn)場流量計(jì)可觀察一二級密封氣泄漏量變化，干氣密封正常運(yùn)行時一級密封氣的泄漏量極小，現(xiàn)場流量計(jì)很難測出一級的泄漏量，二級密封氣的泄漏量一般在5.0 Nm3/h左右，如果機(jī)組運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)流量計(jì)指示不斷增大說明一級密封氣有可能泄漏進(jìn)入二級密封。

隔離氣經(jīng)減壓閥減壓至0.34MPa后進(jìn)入干氣密封隔離腔，循環(huán)氣壓縮機(jī)的潤滑油總管壓力在0.1MPa左右，隔離氣壓力高于機(jī)組軸承潤滑油壓力，這樣有效地防止了軸承潤滑油進(jìn)入干氣密封而損壞密封面，隔離氣排放線D置于現(xiàn)場安全位置降隔離氣排放于大氣中。

圖5 壓縮機(jī)干氣密封流程控制圖

2.2.2 干氣密封操作方法

聚丙烯開工時，要先啟動循環(huán)氣壓縮機(jī)使反應(yīng)器內(nèi)床層流化，在啟動循環(huán)氣壓縮機(jī)之前要先投用干氣密封，液態(tài)丙烯未引入裝置前應(yīng)先選擇高壓精制氮?dú)庾鳛橐患壝芊鈿鈿庠?，將高壓精制氮?dú)夂凸霉芫W(wǎng)氮?dú)庖粮蓺饷芊饪刂婆_入口閥前。干氣密封投用前先打開所有儀表取壓閥，打開各級密封氣的入口閥門。

將一級密封氣引入控制臺，打開一、二級密封氣的排火炬線閥門；打開過濾器底部閥門向排液罐排液，排液后打開排液罐排火炬線閥門，排火炬后關(guān)閉上述閥門；緩慢打開一級密封氣過濾器前后切斷閥；通過管路上的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)一級密封氣的流量至正常范圍。一級密封氣投用后應(yīng)仔細(xì)檢查一級密封氣的壓力和流量是否正常；檢查過濾器壓差是否正常，若過濾器壓差超過0.07MPa應(yīng)切換至備用過濾器，并更換壓差高的過濾器濾芯。

二級密封氣和隔離氣投用時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場流量計(jì)手動調(diào)節(jié)二級密封氣和隔離氣的流量至正常值；通過管路上的減壓閥調(diào)節(jié)隔離氣的壓力，打開隔離氣現(xiàn)場放空閥門；投用二級密封氣和隔離氣過濾器。二級密封氣和隔離氣投用后，檢查二級密封氣和隔離氣的壓力和流量是否正常；檢查過濾器壓差，若過濾器壓差超過0.07MPa應(yīng)更換過濾器濾芯。

液態(tài)丙烯引入裝置通過丙烯蒸發(fā)器轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)丙烯，一級密封氣由高壓精制氮?dú)馐謩忧袚Q至氣態(tài)丙烯，調(diào)節(jié)現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥使丙烯氣的流量至正常范圍，再將一級密封氣切換聯(lián)鎖投自動。

2.3 干氣密封的維護(hù)

干氣密封設(shè)計(jì)的適用范圍較寬,正常情況下不需要維護(hù)。一般應(yīng)每天觀察密封泄漏量，泄漏量如有增加的趨勢,可能預(yù)示著密封有失效的可能，通常應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

2.3.1 確保緩沖氣體的流量及壓力穩(wěn)定，維持密封氣源的穩(wěn)定性和不間斷性是干氣密封正常運(yùn)行的基本條件。

2.3.2 避免密封的負(fù)壓操作，串聯(lián)式密封可能引起密封被未凈化的工藝氣污染而很快失效。

2.3.3 隨時監(jiān)控密封泄漏量的變化情況，泄漏量的變化直接反映出干氣密封的運(yùn)行狀態(tài)。只要泄漏量不持續(xù)上升,則認(rèn)為密封運(yùn)行正常，但如泄漏量出現(xiàn)不斷上升的趨勢，則預(yù)示著干氣密封出現(xiàn)了故障。

2.3.4 過濾器壓差達(dá)到報警值時應(yīng)及時切換過濾器,并更換濾芯。

2.3.5 密封氣、隔離氣要在潤滑油供應(yīng)前 10min投用，在潤滑油系統(tǒng)停止10min后方可切斷隔離氣。潤滑油系統(tǒng)開始運(yùn)行后，隔離氣不能停止，避免潤滑油進(jìn)入干氣密封內(nèi)污染密封面，這種狀況下運(yùn)行極易造成密封面的損壞。

2.3.6 投用過濾器時應(yīng)緩慢打開過濾器的前后切斷閥，防止閥門打開過快對過濾器濾芯造成壓力沖擊損壞過濾器濾芯。更換過濾器濾芯時，應(yīng)首先投用備用過濾器，然后關(guān)閉需要更換濾芯過濾器的前后切斷閥，打開過濾器底部排液閥和排液罐的排高壓火炬閥，將過濾器內(nèi)的壓力泄掉，并打開過濾器頂部的絲堵將過濾器內(nèi)的殘壓放凈后再更換濾芯。

2.3.7 定期檢查一級密封氣過濾器排液罐是否有液，并打開排液閥排液。

2.3.8 嚴(yán)禁機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中停止密封氣的供給，因?yàn)槊芊鈿獾闹袛鄷?dǎo)致密封面干磨，很短時間內(nèi)密封就會燒壞。另外采用丙烯氣作為密封氣時要注意密封氣的脫液，防止液滴進(jìn)入密封面破壞密封。

2.3.9 當(dāng)密封氣和隔離氣突停時機(jī)組將聯(lián)鎖停車，這時為了將軸承的溫度冷卻下來，潤滑油應(yīng)再運(yùn)行一段時間，這樣可能造成潤滑油進(jìn)入干氣密封。由于循環(huán)氣壓縮機(jī)的潤滑油總管壓力較低，潤滑油可能不會進(jìn)入干氣密封或進(jìn)入很少，因此在密封氣恢復(fù)后應(yīng)至少吹掃干氣密封2小時以上再投用潤滑油。

3 結(jié)束語

干氣密封在聚丙烯循環(huán)氣壓縮機(jī)上的應(yīng)用是成功的，由于壓縮機(jī)工藝氣中含有較小的顆粒和粉塵，因此干氣密封的一級密封氣設(shè)計(jì)為向工藝介質(zhì)側(cè)保持一定的流量，這對防止顆粒進(jìn)入干氣密封而損壞密封面起到了很好的作用，保證了干氣密封的密封效果。

［1］徐祥發(fā),沈兆乾.機(jī)械密封手冊[M].南京:東南大學(xué)出版社,1990，10.

［2］陳德才,崔德容.機(jī)械密封設(shè)計(jì)制造與使用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1993，4.

［3］胡云,李志超,許健.干氣密封在甲醇合成氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用[J].小氮肥,2008,36(9):9-12.