离心压缩机：干气密封，专业好文！

一、引言

干气密封是一种新型的非接触式轴封，干气密封的概念是六十年代末期从气体润滑轴承的基础上发展起来的，其中以螺旋槽密封最为典型。经过数年的研究，美国约翰·克兰公司率先推出干气密封产品并投入工业使用。

实践表明，干气密封在很多方面都优越于普通接触式机械密封，它主要用于管线、海洋平台、炼油厂、石油化工行业等，适合于任何输送气体的系统。由于干气密封属于非接触式密封，基本上不受PV值的限制，因此干气密封特别适合作为在高速高压条件下的大型离心压缩机轴封。干气密封的出现，是密封技术的一次革命，气体密封的难题从此得以解决，而不再会受到密封润滑油的限制，而且其所需的气体控制系统比油膜密封的油系统要简单得多。

另外，干气密封的出现也改变了传统的密封观念，将干气密封技术和阻塞密封原理有机结合，“用气封液或气封气”的新观念替代传统的“液封气或液封液”观念，可保证任何密封介质实现零逸出，这就使得干气密封在泵用轴封领域也将有广泛的应用前景。

下表为压缩机干气密封与其它常见密封的泄漏量比较

与普通接触式机械密封相比，干气密封有以下主要优点：

（1）省去了密封油系统及用于驱动密封油系统运转的附加功率负荷。

（2）大大减少了计划外维修费用和生产停车。3）避免了工艺气体被油污染的可能性。

（3）密封气体泄漏量小。

（4）维护费用低，经济实用性好。

（5）密封驱动功率消耗小。

（6）密封寿命长，运行可靠。

二、干气密封的工作原理

与其它机械密封相比，干气密封在结构方面基本相同。其主要区别在于，干气密封的一个密封环上面加工有均匀分布的浅槽，干气密封能在非接触状态下运行就是靠这些浅槽在运转时产生的流体动压效应使密封面分开。

干气密封端面的槽形主要分单旋向和双旋向两大类。

单旋向槽型在目前的压缩机组上使用最多，常见的主要有以上几种。单旋向槽型只可使用于单向旋转的机组，在要求的旋向下才可产生开启力，如反转则产生负的开启力而可能导致密封的损坏。但相对于双旋向的槽型，它可形成更大的开启力和气膜刚度，产生更高的稳定性而更可靠的防止端面接触。故在很低的转速下和较大的振动下也可使用。

双旋向槽型常见有以上几种。该槽型使用无旋向要求，正反转皆可。机组的反转不会造成密封的损坏。其使用范围较单旋向槽宽，但其稳定性、抗干扰能力较单旋向差。

通过对干气密封各种槽型的反复试验，对比研究，最终确认在同样的工作参数下，以螺旋线设计的槽型具有最大的气膜刚度的同时仅有较小的泄漏量。即具有最大的泄漏比。下面主要介绍这种槽型。

下图所示是典型的干气密封螺旋槽端面的示意图。密封面上加工有一定数量的螺旋槽，其深度小于10微米。密封运转时，被密封气体周向吸入螺旋槽内，径向分量由外径朝中心（即低压侧）流动，而密封坝限制气体流向低压侧。气体随着螺旋槽截面形状的变化被压缩，在槽根部形成局部的高压区，使端面分开几微米而形成一定厚度的气膜。在此厚度气膜下，由气膜作用力形成的开启力与由弹簧力和介质作用力形成的闭合力达到平衡，于是密封实现非接触运转。干气密封的密封面间形成的气膜具有一定的正刚度，保证了密封运转的稳定性。为了获得必要的流体动压效应，动压槽必须开在高压侧。

上图所示为螺旋槽干气密封的作用力图，从图上可以看出气膜刚度是如何保证密封运转的稳定性的。在正常情况下，密封的闭合力等于开启力。当受到外来干扰（如工艺或操作波动），气膜厚度变小，则气体的粘性剪力增大，螺旋槽产生的流体动压效应增强，促使气膜压力增大，开启力随之增大，为保持力平衡密封恢复到原来的间隙；反之，密封受到干扰气膜厚度增大，则螺旋槽产生的动压效应减弱，气膜压力减小，开启力变小，密封恢复到原来的间隙。因此，只要在设计范围内，当外来干扰消除后，密封总能恢复到设计的工作间隙，即干气密封具有自我调节的功能而保证运行稳定可靠。衡量密封稳定性的主要指标就是密封产生气膜刚度的大小，气膜刚度是气膜作用力的变化与气膜厚度的变化之比，气膜刚度越大，表明密封的抗干扰力越强，密封运行越稳定。

三、干气密封的典型结构

对于不同的工况条件，可采用不同的干气密封总体结构形式。实际应用中，用于离心压缩机的干气密封主要有下面四种结构形式：

1、单端面密封

单端面密封主要用于不属于危险性的气体，即允许少量介质气体泄漏到大气环境中的场合。密封所用气体为工艺气本身。国内引进机组中的二氧化碳压缩机多用此种类型。

2、串联密封

串联式干气密封是一种操作可靠性较高的密封结构，典型应用是允许少量介质气体泄漏到大气中的工况。在石油化工企业的引进机组中使用较多。

一套串联式干气密封可看作是两套或更多套干气密封按照相同的方向首尾相连。与单端面结构相同，密封所用气体为工艺气本身。通常情况下采用两级结构，第一级（主密封）密封承担全部负荷，而另外一级作为备用密封不承受压力降，通过主密封泄漏出的工艺气体被引入火炬燃烧。剩余极少量的未被燃烧的工艺气通过二级密封漏出，引入安全地带排放。当主密封失效时，第二级密封可以起到辅助安全密封的作用，可保证工艺介质不大量向大气泄漏。

3、中间带迷宫的串联密封

如果不允许工艺介质泄漏到大气中且也不允许缓冲气泄漏到工艺介质中，此时串联结构的两级密封间可加一级迷宫密封。该结构用于易燃、易爆、危险性大的介质气体，可以做到完全无外漏。如H₂压缩机、H₂S含量较高的天然气压缩机、乙烯、丙烯、氨压缩机等。

该结构所用气体除用工艺气本身以外，还需另引一路氮气作为第二级密封的使用气体。通过主密封泄漏出的工艺气体被氮气全部引入火炬燃烧。而通过二级密封漏入大气的全部为氮气。当主密封失效时，第二级密封同样起到辅助安全密封的作用。该结构相对较复杂，但由于其可靠性最高，目前在中高压的离心压缩机轴封中已成为标准配置。

4、双端面密封

双端面密封相当于面对面布置的两套单端面密封，有时两个密封共用一个动环。它适用于没有火炬条件，允许少量密封气进入工艺介质中的情况。在两组密封之间通入氮气作阻塞气体而成为一个性能可靠的阻塞密封系统，控制氮气的压力使其始终维持在比工艺气体压力稍高（0.2～0.3MPa）的水平，这样气体泄漏的方向总是朝着工艺介质气体和大气，从而保证了工艺气体不会向大气泄漏。双端面密封结构主要用于压力不高的有毒、易燃易爆气体。

四、干气密封的设计简述

干气密封虽然在工作时端面为非接触，但在开停车时仍会有短暂的接触，这就要求配对材料的耐磨性好。干气密封摩擦副材料，硬环一般采用低膨胀系数、高弹性模量、抗拉强度、热导率及硬度的材料，如SiC或硬质合金。软环用浸漬石墨或SiC。流体动环槽一般加工在动环表面。

由于干气密封在结构上与普通机械密封差别不大，因此干气密封的设计主要体现在密封环端面槽形参数的设计上。干气密封的理论基础源于螺旋槽推力轴承，气体的动压效应服从于雷诺方程及纳维尔-斯托克斯方程。我公司采用有限元差分法进行数值计算，由公司开发的专用软件可计算出螺旋槽密封面的气膜压力分布，并进一步求得螺旋槽干气密封的承载能力、密封的气膜刚度以及密封的气体泄漏量。

干气密封运转的稳定性和可靠性取决于密封面气膜刚度大小，无论是工艺参数还是螺旋槽结构参数对密封性能的影响，都主要体现在对气膜刚度的影响，气膜刚度越大，密封稳定性越好。我公司在考虑气膜刚度的同时，也考虑了密封的泄漏量，即密封应具有最大的刚漏比。其物理意义是密封既具有较大的刚度又具有较小的泄漏量。只有具有最大刚漏比和较大气膜刚度的干气密封才能保证密封长周期、稳定、理想地运行。

影响气膜刚度的螺旋槽的结构参数主要有槽深、螺旋角、槽数、槽宽与堰宽比、槽长与坝长比等，需用专用软件进行优化设计。而影响气膜刚度的工艺参数主要有以下几类：

1.缓冲气粘度

密封气粘度的大小对气膜刚度的影响比较大，粘度越大、动压效应越强、气膜刚度也就越大。

2.密封气温度

在不同温度下，气体的粘度是不一样的；温度越高、粘度越大、气膜刚度越大。

3.密封转速

转速越高，动压效应越强、气膜刚度越大。在理想状态下（即不考虑密封加工精度和安装精度的影响），干气密封的转速越高、其稳定性越好，而不受机械密封PV值的限制，因此干气密封特别适合高速运转下使用。

4.密封端面的直径大小

在同一转速下，密封直径越大线速度越高，气膜刚度越大。

5.缓冲气的压力

缓冲气压力对气膜刚度的影响较小，一般来说，压力越高，气膜刚度略有增大。

五、干气密封控制系统

为了保证干气密封运行的可靠性，每套干气密封都有与之相匹配的监测控制系统，使得密封工作在最佳设计状态，当密封失效时系统能及时报警，有利于维修工人以最快速度处理现场事故。下面以典型的串联式干气密封系统为例做简单介绍。

下图为该系统示意简图。该密封正常运行时是由机组出口端引出一股气，经过两级过滤器（过滤精度3μm）后成为干燥、洁净的气体作为干气密封的缓冲气进入密封腔。控制其压力稍高于正常运行时的参考气管工艺气压力（通常50KPa），其作用是阻挡未净化工艺气中的粉尘、凝缩油等杂质进入密封端面对干气密封的正常工作产生不利的影响。系统由一差压变送器测量缓冲气与参考气之间的差压，信号通过电气转换控制安装在缓冲气入口处的气动薄膜调节阀，以调节缓冲气的入口压力使其维持与参考气的恒定压差。进入密封腔的缓冲气的绝大部分通过梳齿密封回到工艺气内。剩余的一小部分通过第一级干气密封的端面漏出，称为一级泄漏气。当中的大部分被引入火炬安全的燃烧掉。

第二级干气密封作为辅助安全密封，虽然不承受介质的压力，但需要在适当的压差下端面才可形成稳定的气膜而长期理想的运行，系统通过在一级泄漏气出口端设置节流阀，调整阀门孔径使其产生约适当的背压来满足要求。节流阀同时还起到一级密封失效时限制泄漏量的作用。另引一路氮气为隔离气，经过滤器、减压阀后引入后置的梳齿阻隔密封中间。控制其压力稍高于轴承箱油压（通常为大气压），形成一个性能可靠的阻塞密封系统。可保证轴承箱中的润滑油不进入干气密封，也可避免残余的工艺气进入轴承区域污染润滑油。隔离气的一部分进入轴承箱，另一部分与一级泄漏气中剩余的极少量未被燃烧的工艺气混合，称为二级泄漏气。可作为对环境无害的气体引入安全场所排放。

判断密封是否正常工作主要通过对一级泄漏气的监测来进行。一级干气密封如出现异常，压力和流量会明显增大。如达到设定的高报警值，会通过压力变送器传至控制室，发出报警信号，提醒操作人员检查控制系统压力是否在设计范围。当气体泄漏量达到高高报警值时，表明干气密封已经失效，系统连锁停车，保证设备不受损坏。

六、干气密封安装注意事项

干气密封属于高度精密的零件，对安装、拆卸及使用都有其特殊的要求，通常需注意的事项如下：

1.非专业厂家不可随意分解。（装配关系复杂，清洁程度要求高，装配工具特殊，动平衡精度高等）。

2.运输,安装,拆卸均需要定位板。

3.对腔体与轴的相对位置关系要求高，需提前确认相关尺寸,必要时加垫片调整。

4 .安装时需保持转子与机壳的同轴度，同时需将转子固定。

5.通常先安装推力盘端,可保证另一端密封安装位置准确。

6.彻底清洁密封腔及各进出气管，要求高于油管。

7.不可用黄油润滑，应采用硅脂。

8.密封装入机组取下定位板后,转子轴向位移不可超过2mm。

七、干气密封工作时的维护

干气密封设计的适用范围较宽，正常情况下不需要维护。一般应每天观察密封泄漏量。泄漏量如有增加的趋势，可能预示着密封有失效的可能。通常应注意以下几点：

1.螺旋槽干气密封是单向旋转的，因此应一定避免反向旋转。同时应避免在小于5米/秒的低速下长时间运转。这两种情况均有可能损坏密封。

2.确保密封气的流量稳定。维持密封气的稳定和不间断是干气密封正常运行的基本条件。

3.避免密封的负压操作，双端面密封如出现负压在静压条件下能导致泄漏量的大幅增加，而在动压条件下能导致密封端面的损坏。串联式密封则可能引起密封被未净化的工艺气污染而很快失效。

4.随时监控密封泄漏量的变化情况。泄漏量的变化直接反映出干气密封的运行状态。引起泄漏量变化的因素很多，如工艺气的波动、轴窜、喘振、压力、温度和速度的变化等。只要不持续上升，则认为密封运行正常；但如泄漏量出现不断上升的趋势，则预示着干气密封出现了故障。

5.过滤器压差达到报警值时应及时切换过滤器，并更换滤芯。

6.机组开车时，必须等待干气密封控制系统的隔离气建立起足够的压力后才能开启滑油系统。

7.机组停车时，必须等待机组完全停止运行并在滑油系统停止后10分钟以上才能关闭干气密封控制系统

八、干气密封改造应用所需条件

干气密封经过长期的研究和试验工作，现已大量投入到工业应用中。现代工业对节能降耗以及环境保护的要求越来越高，作为输送大流量危险性气体的离心压缩机，必须要求轴封可靠性好，密封泄漏小，寿命长，运行稳定。和普通接触式机械密封相比干气密封具有不可比拟的优点，即密封使用寿命长、工艺介质无泄漏、维护费用低，而这正是各类轴封所追求的目标。

目前，新建装置中无论是引进还是国产的离心压缩机上，基本已全部采用了干气密封。而国内九十年代以前的离心压缩机还在大量的使用机械密封、浮环密封和迷宫密封。所以压缩机的干气密封改造也是越来越多的企业需要考虑的问题。

干气密封可广泛应用在离心压缩机、离心泵、反应釜等设备上。只要具备以下两个条件，干气密封可以成功地改造应用到任何旋转的轴封上。

1.干气密封运转的基本条件是现场必须具备气源，气源气体可以是介质气体，也可以是对环境无污染的惰性气体，如氮气。气源可来自厂内，也可来自专门的氮气发生器。

2.安装轴封处腔体具有足够的轴向和径向空间及合适的开孔位置。