吳張勇

摘????? 要： 早期催化氣壓機(jī)密封多為浮環(huán)密封，存在可靠性低、油消耗量大的問(wèn)題，目前已逐漸被性能更加可靠、清潔的干氣密封所取代。機(jī)組改造成干氣密封后仍存在干氣密封失效的可能性。對(duì)各種可能失效原因進(jìn)行分析，提出相應(yīng)應(yīng)對(duì)措施，提高改造后干氣密封運(yùn)行的可靠性，對(duì)其他有改造需求的機(jī)組有借鑒意義。

關(guān)? 鍵? 詞：催化氣壓機(jī)；干氣密封；失效；應(yīng)對(duì)措施

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ050.3????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A???? 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）06-0959-04

密封是轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備重要附件，它主要起軸向密封作用，阻止機(jī)體內(nèi)介質(zhì)向環(huán)境中泄漏。過(guò)去催化氣壓機(jī)使用浮環(huán)密封，動(dòng)靜環(huán)密封面緊密貼合，注入氮?dú)猓ɑ蚪?jīng)處理后潔凈的工藝氣）作參考?xì)夂兔芊庥?，用油?lái)密封氣體。該密封存在可靠性低、潤(rùn)滑油消耗量大、產(chǎn)生污油多、受工藝條件波動(dòng)密封性能不穩(wěn)定、一旦出現(xiàn)泄漏導(dǎo)致潤(rùn)滑油進(jìn)入機(jī)體內(nèi)造成污染輸送介質(zhì)等情況。隨著人們對(duì)安全環(huán)保的要求不斷提高，對(duì)各類(lèi)轉(zhuǎn)動(dòng)密封的密封要求和品質(zhì)也越來(lái)越高。而干氣密封技術(shù)的出現(xiàn)和成熟應(yīng)用，滿足了當(dāng)下對(duì)密封品質(zhì)的要求，因此催化富氣壓縮機(jī)組密封系統(tǒng)已逐步改造為干氣密封。

1? 干氣密封的原理

1.1? 原理介紹

干氣密封是基于現(xiàn)代流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論的一種新型非接觸式氣膜密封。與傳統(tǒng)密封動(dòng)、靜環(huán)密封面貼合緊密不同的是：干氣密封在密封動(dòng)環(huán)或靜環(huán)端面上通常開(kāi)出微米級(jí)流槽 （8～15 μm 以內(nèi)），在動(dòng)、靜環(huán)接觸面注入一定壓力潔凈氣體，當(dāng)端面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，注入的氣體在兩端面間形成流體壓力來(lái)平衡密封的閉合力（主要為密封介質(zhì)壓力+密封的彈簧力），實(shí)現(xiàn)密封動(dòng)靜密封面的非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)。注入的潔凈氣體成為一個(gè)阻塞密封系統(tǒng)，防止介質(zhì)氣體向外泄漏。實(shí)際中使用較為廣泛的流槽形式有：T型臺(tái)階式、斜平面式和螺旋槽面式。其中以螺旋槽面式密封性能最佳。螺旋槽面式密封工作原理如圖 1所示。動(dòng)環(huán)端面上開(kāi)有螺旋槽，整個(gè)端面分為槽區(qū)、堰區(qū)和壩區(qū)。槽區(qū)主要提供必需的流體動(dòng)壓力，壩區(qū)主要阻擋氣體向內(nèi)側(cè)流動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)氣體被壓縮形成動(dòng)壓效應(yīng)， 增大氣膜剛度，還可在密封停車(chē)時(shí)起密封作用。其工作原理為：當(dāng)動(dòng)環(huán)按圖1所示逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，由于黏性作用，氣體以速度 v 進(jìn)入螺旋槽，速度 v 可分解為垂直于螺旋槽速度和與螺旋槽相切速度。其中，主要提供流體動(dòng)壓力而氣流以速度運(yùn)動(dòng)到壩區(qū)后被壓縮體積減小，壓力升高，使密封面打開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2? 運(yùn)行時(shí)密封力的平衡

干氣密封正常工作時(shí)，動(dòng)、靜環(huán)密封面的氣膜一方面提供開(kāi)啟力，來(lái)平衡閉合力；另一方面可起潤(rùn)滑冷卻作用。 理想設(shè)計(jì)工況下，密封端面氣膜開(kāi)啟力等于閉合力。受外界擾動(dòng)，端面間隙減小，則流體動(dòng)壓效應(yīng)增強(qiáng)，開(kāi)啟力大于閉合力，密封增大間隙，重新恢復(fù)到原來(lái)工作狀態(tài)。反之，如果在外界干擾下，間隙增大，則流體動(dòng)壓效果減弱，開(kāi)啟力小于閉合力，密封減小間隙，又恢復(fù)到原來(lái)的工作狀態(tài)。這種“自平衡”能力就是干氣密封與傳統(tǒng)密封相比的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。干氣密封如圖2所示。所以干氣密封這種“非接觸，自平衡”特點(diǎn)對(duì)機(jī)組工藝狀況的變化（轉(zhuǎn)速、流量、壓力）的適應(yīng)能力更強(qiáng)，相較于原浮環(huán)密封有著更穩(wěn)定的密封效果。

1.3? 催化富氣壓縮機(jī)干氣密封布置形式

催化富氣壓縮機(jī)干氣密封采用雙端面密封，相當(dāng)于面對(duì)面布置的2套單端面密封，有時(shí)2個(gè)密封共用1個(gè)動(dòng)環(huán)，如圖3所示。

它適用于沒(méi)有火炬條件，允許少量緩沖氣進(jìn)入工藝介質(zhì)中的情況。在2組密封之間通入氮?dú)庾髯枞麣怏w而成為一個(gè)性能可靠的阻塞密封系統(tǒng)，控制氮?dú)獾膲毫κ蛊涫冀K維持在比工藝氣體壓力稍高（0.2～0.3 MPa）的水平，這樣氣體泄漏的方向總是朝著工藝介質(zhì)氣體和大氣，從而保證了工藝氣體不會(huì)向大氣泄漏。前置（隔離）氣（可以是氮?dú)?，也可以是干凈工藝氣）全部進(jìn)入機(jī)組內(nèi)部，其作用是阻擋機(jī)殼內(nèi)臟的氣體竄到干氣密封區(qū)域，污染密封。后置隔離氣通過(guò)內(nèi)側(cè)迷宮泄漏與泄漏氣混合后通過(guò)二級(jí)密封泄漏氣通道引至室外安全排放，另一部分通過(guò)外側(cè)迷宮泄漏至機(jī)組軸承箱內(nèi)，通過(guò)軸承箱上的放出，其作用是防止?jié)櫥臀廴久芊狻?shí)際使用時(shí)在機(jī)組的驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端各設(shè)置一套雙端面干氣密封。

2? 產(chǎn)生失效的因素

2.1? 反轉(zhuǎn)的影響

原浮環(huán)密封對(duì)反轉(zhuǎn)要求不高，即使機(jī)組出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，只要密封油與參考?xì)獠顗悍€(wěn)定，一般仍能保證密封效果。但是螺旋槽面式干氣密封要求單向旋轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)不能形成有效的氣膜壓力，就有可能損壞密封。在實(shí)際應(yīng)用中，只有當(dāng)氣壓機(jī)突然停機(jī)后，出口介質(zhì)壓力高倒串至入口，才會(huì)導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生反轉(zhuǎn)。此時(shí)只要機(jī)組防喘振閥門(mén)快開(kāi)，迅速平衡機(jī)組出、入口壓力并在出口設(shè)置單向閥，就能防止氣體倒串來(lái)防止反串。由于機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，防喘振系統(tǒng)長(zhǎng)期投用，在機(jī)組停機(jī)聯(lián)鎖時(shí)快速打開(kāi)，一般來(lái)說(shuō)不易發(fā)生反轉(zhuǎn)。但是當(dāng)機(jī)組因其他原因?qū)е峦C(jī)（不是聯(lián)鎖），例如儀表失靈使主汽門(mén)或調(diào)速器閥突然關(guān)閉，導(dǎo)致機(jī)組停止運(yùn)行，此時(shí)主要依靠管路單向閥來(lái)防止氣體反串。老的氣壓機(jī)管路設(shè)計(jì)單向閥多為一臺(tái)機(jī)械式單向閥，長(zhǎng)期使用后閥門(mén)密封的可靠性低，導(dǎo)致機(jī)組反轉(zhuǎn)損壞密封可能性加大。針對(duì)此問(wèn)題，從2方面解決：一是按最新防倒串要求，在機(jī)組各段出口增設(shè)一臺(tái)與原有形式不同的單向閥；二是優(yōu)化停車(chē)邏輯，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速小于某一值時(shí)控制系統(tǒng)判斷為機(jī)組停車(chē)，強(qiáng)制防喘振閥打開(kāi)。

2.2? 轉(zhuǎn)速的影響

根據(jù)干氣密封原理，只有當(dāng)軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)后，干氣密封才能正常發(fā)揮作用。一般情況要求轉(zhuǎn)速大于?? 5 m·s-1。而原浮環(huán)密封對(duì)轉(zhuǎn)速?zèng)]有特殊要求。當(dāng)機(jī)組進(jìn)行密封改造時(shí)要考慮在低速暖機(jī)時(shí)暖機(jī)轉(zhuǎn)速是否低于干氣密封要求的轉(zhuǎn)速。還要考慮在盤(pán)車(chē)時(shí)，盤(pán)車(chē)時(shí)間和轉(zhuǎn)速對(duì)干氣密封造成的影響。針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)于盤(pán)車(chē)和低速暖機(jī)這種情況應(yīng)告知密封制造廠家，要求給出具體的技術(shù)要求。暖機(jī)轉(zhuǎn)速不能滿足干氣密封要求的，根據(jù)密封技術(shù)要求和機(jī)組結(jié)構(gòu)對(duì)其暖機(jī)轉(zhuǎn)速和時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，兼顧暖機(jī)的效果和干氣密封對(duì)轉(zhuǎn)速的需求。

2.3? 氣源的影響

由于催化富氣雜質(zhì)較多、成分復(fù)雜、易液化等特性不能作為前置隔離氣氣源。所以氣壓機(jī)干氣密封氣源都使用干凈的氮?dú)?，要求壓?.6 MPa（A），并要求連續(xù)供氣?？晒┻x擇氣源為低壓氮?dú)猓▔毫?.6 MPa）和經(jīng)中壓氮?dú)猓▔毫?.6 MPa）降壓后使用。供應(yīng)方式為經(jīng)壓控閥（減壓閥）直供和經(jīng)壓控閥（減壓閥）先進(jìn)緩沖罐，由緩沖罐直供。由于氮?dú)庵袛嗷驂毫Φ蜁?huì)導(dǎo)致停機(jī)聯(lián)鎖動(dòng)作，從可靠性和穩(wěn)定性以及在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)預(yù)留處理時(shí)間考慮，有條件企業(yè)應(yīng)選擇中壓氣減壓經(jīng)緩沖罐為主供氣源，低壓氮?dú)鉃閭溆脷庠?，避免直供的方案。在?shí)際應(yīng)用中，減壓閥和壓力調(diào)節(jié)閥可以并聯(lián)使用，防止串聯(lián)使用時(shí)因閥門(mén)故障導(dǎo)致氣源突然中斷。

2.4? 潤(rùn)滑油的污染

在原浮環(huán)密封氣壓機(jī)中，只要油系統(tǒng)具備條件即可啟動(dòng)潤(rùn)滑油泵，在改造成干氣密封后，必須投用干氣密封后才能啟動(dòng)油泵，否則潤(rùn)滑油進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)損壞密封。在進(jìn)行密封改造的同時(shí)，必須相應(yīng)完善潤(rùn)滑油泵啟動(dòng)邏輯，否則極易造成誤操作。由于目前新的機(jī)組都配套使用的干氣密封，可以借鑒它們的控制邏輯：滿足密封氣壓力或機(jī)組轉(zhuǎn)速大于10 r·min-1 2個(gè)條件之一時(shí)才能啟動(dòng)油泵。

2.5 壓縮機(jī)平衡管壓力對(duì)干氣密封工藝參數(shù)的影響

平衡管（鼓）是一套平衡機(jī)組軸向力的裝置，平衡管壓力一般會(huì)與機(jī)組入口壓力相等，此時(shí)機(jī)組驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端前置（隔離）氣所需壓力相等；如平衡管壓力大于機(jī)組入口壓力，機(jī)組驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端前置（隔離）氣所需壓力不相等，驅(qū)動(dòng)端前置（隔離）氣所需壓力會(huì)高于非驅(qū)動(dòng)端前置（隔離）氣所需壓力，在干氣密封開(kāi)車(chē)前投用驅(qū)動(dòng)端前置（隔離）氣時(shí)要設(shè)置一定的預(yù)留量，避免前置氣壓力不足導(dǎo)致無(wú)法注入，或開(kāi)車(chē)后工藝氣與密封氣直接接觸，污染或損壞密封面。

2.6? 干氣密封工藝參數(shù)的監(jiān)控不足的影響

干氣密封投用后，對(duì)運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控。為了確保密封氣阻隔作用，密封氣與前置密封氣差壓低于0.02 MPa時(shí)，認(rèn)為存在工藝氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出停車(chē)信號(hào)。該差壓表起初多設(shè)置為“一選一”聯(lián)鎖，與最新的聯(lián)鎖設(shè)置要求不符，建議改為“二選二”或“三選二”聯(lián)鎖形式。

2.7? 工況的影響

在壓縮機(jī)處于喘振工況時(shí)，工藝氣壓力和轉(zhuǎn)速不斷往復(fù)波動(dòng)，干氣密封端面間隙不斷變化，密封效果下降，在長(zhǎng)時(shí)間喘振工況條件下，有損壞密封可能性。在正常運(yùn)行時(shí)要將防喘振系統(tǒng)投入自動(dòng)，避免喘振工況。

3? 失效的后果

當(dāng)密封端面進(jìn)入了固體顆粒物或液相雜物，均會(huì)導(dǎo)致密封槽泵送能力下降，液相雜物還會(huì)因?yàn)槟Σ翚饣a(chǎn)生“汽錘”效應(yīng)，造成氣膜壓力和厚度不穩(wěn)定，當(dāng)這種不穩(wěn)定的氣膜壓力和厚度超過(guò)密封自平衡能力時(shí)兩端密封面發(fā)生摩擦，密封面出現(xiàn)磨痕，磨痕反過(guò)來(lái)加劇了氣膜厚度和壓力不穩(wěn)定。從監(jiān)控系統(tǒng)上看，密封氣壓力波動(dòng)，流量變大。出現(xiàn)這種情況一般不需要立即停機(jī)處理。

當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)輕度失效，密封端面沒(méi)有修復(fù)能力，不斷產(chǎn)生磨痕后，抗干擾能力下降，密封面接觸的機(jī)會(huì)增加，摩擦熱導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，會(huì)發(fā)生重度失效，此時(shí)密封氣壓力波動(dòng)，流量變大到超過(guò)報(bào)警值，此時(shí)需要停機(jī)處理。

4? 結(jié)束語(yǔ)

催化氣壓機(jī)干氣密封改造時(shí)要考慮干氣密封對(duì)轉(zhuǎn)速要求，優(yōu)化氣源方案；在實(shí)施改造和檢修期間要將管線吹掃干凈；在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，做好人員培訓(xùn)，按操作步驟進(jìn)行操作，合理設(shè)置密封氣體參數(shù)；避免喘振工況；在機(jī)組正常開(kāi)、停機(jī)過(guò)程中，通過(guò)儀控方案的優(yōu)化可以有效避免開(kāi)機(jī)時(shí)潤(rùn)滑油進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)。

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Application Analysis of Dry Gas Seal of Catalytic

Gas Compressor After Modification

WU Zhangyong

（Sinopec-SK （Wuhan） Petrochemical Co.， Ltd.， Wuhan Hubei 430081， China）

Abstract：? In the early stage， the seal of catalytic gas compressor is mostly floating ring seal， which has problems of low reliability and large oil consumption. At present， it has been gradually replaced by dry gas seals with more reliable and clean performance. After the floating ring seal is transformed into dry gas seal， the dry gas seal fails due to various reasons. In this paper， the causes of various possible failures were analyzed，and corresponding countermeasures to improve the reliability of dry gas seal operation were put forward， which can be used as reference for other units with transformation requirements.

Key words：? Catalytic air compressor; Dry gas seal; Failure; Countermeasures