張東寧

北京管道陜西輸油氣分公司

摘要：離心式壓縮機(jī)是輸氣管道壓氣站場(chǎng)的核心設(shè)備，壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行有重要作用。介紹了離心式壓縮機(jī)組干氣密封的工作原理、結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合近年干氣密封發(fā)生的故障進(jìn)行分析，提出改進(jìn)方案，從而達(dá)到提升設(shè)備運(yùn)行可靠性的目的。

關(guān)鍵詞：離心式壓縮機(jī)；干氣密封；工作原理；改進(jìn)措施

干氣密封即“干運(yùn)轉(zhuǎn)氣體密封”（Dry Running Gas Seals），是利用流體動(dòng)力學(xué)原理將開(kāi)槽密封技術(shù)應(yīng)用于氣體密封的一種新型軸端密封，屬于非接觸式密封。干氣密封較普通機(jī)械密封具有介質(zhì)泄漏量少、使用壽命長(zhǎng)、軸功率消耗低、運(yùn)行平穩(wěn)可靠等優(yōu)點(diǎn)，普遍應(yīng)用于大型高速、高壓旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中。

1  干氣密封組成及工作原理

1.1  干氣密封組成

干氣密封單元通常由一個(gè)可以軸向浮動(dòng)的靜環(huán)和一個(gè)固定在軸套上的動(dòng)環(huán)組成。靜環(huán)背后有彈簧對(duì)其施加貼合作用力，保證靜止條件下動(dòng)靜環(huán)的緊密接觸。動(dòng)環(huán)表面加工有一定數(shù)量的流體動(dòng)壓槽，其深度在8 μm～15 μm之間。         

1.2  干氣密封工作原理

干氣密封工作原理主要是流體靜壓力與流體動(dòng)壓力的平衡。高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)環(huán)產(chǎn)生的黏性剪切力帶動(dòng)氣體進(jìn)入流體動(dòng)壓槽內(nèi)，由外徑朝中心運(yùn)動(dòng)，密封壩提供流動(dòng)阻力，節(jié)制氣體流向低壓側(cè)，于是氣體被壓縮壓力升高，密封面分開(kāi)，形成一定厚度的氣膜（3 μm～5 μm）。當(dāng)流體的靜壓力和彈簧負(fù)荷的閉合力等于氣膜內(nèi)產(chǎn)生的開(kāi)啟力時(shí)，就形成了徑向面之間的穩(wěn)定間隙，由此實(shí)現(xiàn)非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)。密封面間形成的氣膜具有一定的剛度，保證了密封運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，同時(shí)還可對(duì)摩擦副起到潤(rùn)滑作用[1]。

在正常情況下，密封的閉合力等于開(kāi)啟力。當(dāng)受到外來(lái)因素干擾（如工藝和操作引發(fā)的波動(dòng)），氣膜厚度變小，則氣體的黏性剪切力增大、螺旋槽產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)增強(qiáng)，促使氣膜壓力增大，開(kāi)啟力隨之增大，為保證力平衡，密封恢復(fù)到原來(lái)的間隙；反之，密封受到干擾氣膜厚度增大，則螺旋槽產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)減弱，氣膜壓力減小，開(kāi)啟力變小，密封恢復(fù)到原來(lái)的間隙。因此，只要在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，當(dāng)外來(lái)干擾消除后，密封即能恢復(fù)到設(shè)計(jì)的工作間隙，從而實(shí)現(xiàn)干氣密封的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。衡量密封穩(wěn)定性的主要指標(biāo)就是密封產(chǎn)生氣膜剛度的大小。氣膜剛度是氣膜作用力的變化與氣膜厚度的變化之比，氣膜剛度越大，表明密封的抗干擾能力越強(qiáng)，密封運(yùn)行越穩(wěn)定[2]。

1.3  干氣密封的布置

干氣密封的布置形式可分為單端面干氣密封、雙端面并聯(lián)密封、串聯(lián)式干氣密封。其中串聯(lián)式干氣密封是目前大多數(shù)天然氣站場(chǎng)離心式壓縮機(jī)所應(yīng)用的軸端密封形式，它由2組動(dòng)靜環(huán)組件組成。密封氣經(jīng)一級(jí)干氣密封進(jìn)口進(jìn)入動(dòng)靜環(huán)后，泄漏的氣體大部分通過(guò)一次放空口排放至大氣中。一小部分氣體進(jìn)入二級(jí)干氣密封動(dòng)靜環(huán)后，再次泄漏的密封氣與泄漏的隔離氣（通常為壓縮空氣）混合，從二次放空口排放至大氣。

2  密封氣系統(tǒng)

壓縮機(jī)的密封氣系統(tǒng)包括干氣密封系統(tǒng)和隔離氣系統(tǒng)，兩者相互配合使用。干氣密封系統(tǒng)引入的是潔凈的天然氣或氮?dú)�，主要作用是防止機(jī)殼內(nèi)的天然氣沿壓縮機(jī)的主軸泄漏。隔離氣系統(tǒng)引入的是潔凈干燥的壓縮空氣，主要作用是阻止油蒸氣和干氣密封出口的密封氣相混合，從而防止油蒸氣對(duì)干氣密封部件造成損傷或密封氣對(duì)潤(rùn)滑油造成污染。密封系統(tǒng)的主要功能包括：凈化、調(diào)壓、加熱、計(jì)量以及監(jiān)控運(yùn)行。

3  故障案例及改進(jìn)措施

3.1  干氣密封O型圈破損引發(fā)的漏氣故障

（1）故障描述。某機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，巡檢人員在潤(rùn)滑油箱內(nèi)檢出高濃度天然氣，此時(shí)機(jī)組控制系統(tǒng)無(wú)任何報(bào)警信息。通過(guò)對(duì)干氣密封進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)軸套與主軸之間O型圈發(fā)生破損造成密封失效（圖 1 A點(diǎn)），高壓工藝氣沿主軸與軸套之間的間隙竄入潤(rùn)滑油系統(tǒng)，最終在油箱內(nèi)產(chǎn)生聚積。

圖 1 改進(jìn)前干氣密封剖面圖

（2）改進(jìn)措施。在干氣密封軸套與主軸之間增加一道密封圈，通過(guò)雙密封的形式提高密封的可靠性（圖 2 A、B 點(diǎn)）。同時(shí)在軸套雙密封圈之間加工一個(gè)通孔（圖 2 C點(diǎn)），一旦B點(diǎn)密封圈失效，高壓天然氣由通孔進(jìn)入干氣密封內(nèi)部再通過(guò)一次放空口排出，進(jìn)而觸發(fā)一次放空口排氣壓力高報(bào)警，提醒人員及時(shí)處置。

圖 2 改進(jìn)后干氣密封剖面圖

3.2  O型圈爆炸泄壓造成干氣密封失效

（1）故障描述。某機(jī)組在啟機(jī)過(guò)程中觸發(fā)一次放空口排氣壓力高報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)緊急放空口處爆破片破裂，大量天然氣自放空口噴出。在對(duì)干氣密封進(jìn)行拆解檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)一級(jí)動(dòng)靜環(huán)處發(fā)生磨損，同時(shí)干氣密封一級(jí)動(dòng)靜環(huán)安裝的橡膠O型圈均出現(xiàn)不同程度損傷（圖 3）。通過(guò)對(duì)故障進(jìn)行分析，判定上一次停機(jī)放空過(guò)程中發(fā)生O型圈爆炸泄壓。（注：爆炸泄壓過(guò)程：與高壓密封氣接觸的O型圈在工作過(guò)程中內(nèi)部滲入部分氣體，在機(jī)組停機(jī)放空過(guò)程中，滲入的氣體快速排出，造成密封圈發(fā)生損傷。）

圖 3 O型圈發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷示例

（2）改進(jìn)措施。將干氣密封內(nèi)部橡膠密封圈更換為彈簧蓄能密封圈。使用普通氟橡膠O型圈，干氣密封最高允許工作壓力12.5 MPa，工作溫度為﹣20 ℃～200 ℃。使用聚四氟乙烯材質(zhì)的彈簧蓄能密封圈最高允許工作壓力45 MPa，工作溫度為﹣140 ℃～315 ℃，不受泄放速度的限制，且抗腐蝕性能更好。

3.3  干氣密封推環(huán)卡滯引發(fā)干氣密封失效

（1）故障描述。某壓縮機(jī)在充壓過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)端干氣密封一次放空背壓達(dá)到0.65 MPa高高報(bào)聯(lián)鎖停機(jī)值。由于此時(shí)壓縮機(jī)組尚沒(méi)有轉(zhuǎn)速，作業(yè)區(qū)人員初步懷疑動(dòng)靜環(huán)發(fā)生了卡滯，經(jīng)多次充壓放空操作，故障未得到消除。通過(guò)對(duì)干氣密封進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)一級(jí)干氣密封L型推環(huán)上安裝的C型密封圈局部脫出安裝槽，造成推環(huán)發(fā)生了卡滯。

（2）改進(jìn)措施。通過(guò)對(duì)干氣密封推環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)推環(huán)密封圈與安裝槽之間存在密閉空間（圖 4）。當(dāng)停機(jī)放空時(shí)，密閉空間留存的氣體發(fā)生反竄，長(zhǎng)期使用過(guò)程中將密封圈C環(huán)擠出安裝槽，進(jìn)而造成推環(huán)的卡滯。通過(guò)改造，在推環(huán)密封圈安裝槽底部加工8個(gè)泄壓孔，及時(shí)將密封圈滲漏的氣體排出，確保不再產(chǎn)生反壓（圖 5）。

圖 4 推環(huán)無(wú)泄壓孔設(shè)計(jì)

圖 5 推環(huán)增加泄壓孔設(shè)計(jì)

3.4  一次放空壓力變送器故障導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)

（1）故障描述。壓縮機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，非驅(qū)動(dòng)端干氣密封一次放空背壓觸發(fā)高高報(bào)警聯(lián)鎖停機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn)一次放空口處無(wú)明顯氣流聲，緊急放空管處爆破片未破裂。待機(jī)殼內(nèi)壓力泄放完畢后，變送器示值顯示仍為滿量程（1000 KPa）。初步判斷變送器故障觸發(fā)壓縮機(jī)組誤停機(jī)，后對(duì)變送器進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部接線存在接觸不良的情況。

（2）改進(jìn)措施。由于原干氣密封控制系統(tǒng)中對(duì)于一次放空的壓力檢測(cè)采用1取1的聯(lián)鎖控制，當(dāng)變送器出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)造成壓縮機(jī)組誤停機(jī)。為了提高數(shù)據(jù)采集的可靠性，在放空管路上增加了2個(gè)壓力變送器，同時(shí)在機(jī)組控制系統(tǒng)中修改相關(guān)程序，更改為3取2聯(lián)鎖控制。

4  結(jié)語(yǔ)

干氣密封技術(shù)自20世紀(jì)70年代投入商用以來(lái)憑借其優(yōu)良的工作特性迅速獲得普及。我國(guó)自90年代初期逐步引進(jìn)干氣密封技術(shù)并應(yīng)用于大型離心式壓縮機(jī)，經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)積累，應(yīng)用日趨成熟，并成長(zhǎng)出多家密封制造企業(yè)。依托國(guó)內(nèi)廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，積極吸取干氣密封使用過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合近年材料科學(xué)、控制系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)推進(jìn)干氣密封的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王樹(shù)術(shù).干氣密封技術(shù)在離心壓縮機(jī)組中的應(yīng)用[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)(華東)，2006.

[2]李文軍.串聯(lián)干氣密封在大型離心壓縮機(jī)組上的應(yīng)用研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

作者簡(jiǎn)介：張東寧，工程師，現(xiàn)任陜西輸油氣分公司經(jīng)理，負(fù)責(zé)天然氣長(zhǎng)輸管道及壓縮機(jī)站場(chǎng)的運(yùn)行管理工作。聯(lián)系方式：010-84884601，eastning@163.com。