高速旋轉(zhuǎn)的離心壓縮機組,其軸端密封主要有迷宮密封、浮環(huán)密封、機械密封和干氣密封四大類。迷宮密封通過梳齒間隙對氣體產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)而起密封作用,適用于對泄漏要求不高且壓力較低的場合,若采用抽氣、充氣式結(jié)構(gòu),則可密封危險性或較高壓力的氣體。但因迷宮較長而增大了轉(zhuǎn)子的軸承跨距,降低了高速轉(zhuǎn)子的動力學(xué)性能。機械接觸式密封通過端面接觸達到密封目的,但其極限速度較低,阻封氣體消耗量大。浮環(huán)密封在我國自行設(shè)計制造的離心式壓縮機軸封上應(yīng)用較普遍,20 世紀80～90年代大化肥引進機組也有采用機械浮環(huán)組合密封的,其主要缺點為阻封氣體消耗量大,且油系統(tǒng)復(fù)雜,投資多,占地面積大,運行維護費用高。干氣密封為非接觸式密封,其極限速度高,密封性能好,壽命長,不需密封油系統(tǒng),功率消耗少,運行維護費用低,是目前最先進的密封形式,近年引進的大化肥機組多采用干氣密封。

1、干氣密封的工作機理及典型結(jié)構(gòu)

1.1、工作機理

　　干氣密封(dry gas seal) 的概念是20 世紀60 年代末在氣體潤滑軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其中以螺旋槽密封最為典型。經(jīng)數(shù)年的研究,英國JohnCrane 率先推出干氣密封產(chǎn)品并投入工業(yè)使用。由于干氣密封屬非接觸式密封,基本上不受PV值的限制,因此特別適合作為高速高壓條件下的大型離心式壓縮機的軸封。

　　與普通機械密封相比,干氣密封在結(jié)構(gòu)方面沒有很特別的地方,其主要區(qū)別在于:干氣密封的動環(huán)密封面上精加工有均勻分布淺槽,干氣密封之所以能在非接觸狀態(tài)下運行就是靠這些淺槽產(chǎn)生流體動壓效應(yīng)與密封面分開。以螺旋槽面干氣密封為例,它由動環(huán)、靜環(huán)、彈簧、O形環(huán)、軸和組裝套等組成。動環(huán)表面精加工出一定數(shù)量的螺旋槽后研磨,密封面拋光,螺旋槽開頭近似對數(shù)螺旋線,螺旋槽深度2.5～10μm。

　　動環(huán)放置時,被密封的氣體周向吸入螺旋槽內(nèi),由外徑朝向中心,徑向分量朝著密封壩流動,而密封壩節(jié)制氣體流向中心,于是氣體被壓縮引起壓力升高。此流體膜層壓力企圖推開密封,形成要求的氣膜。在此厚度氣膜下,由氣膜作用力形成的開啟力與由彈簧力和介質(zhì)作用力形成的閉合力達到平衡,于是密封實現(xiàn)非接觸運轉(zhuǎn)。此平衡間隙(即膜厚) 典型值為3μm。

　　干氣密封的密封面間形成的氣膜具有一定的正剛度,保證了密封運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。螺旋槽干氣密封在正常運轉(zhuǎn)條件下,其閉合力(彈簧和氣體作用力)等于開啟力(氣膜作用力) ,這是理想的設(shè)計工況。若受到外來干擾(如工藝或操作波動) ,間隙(氣膜厚度) 減小,則氣體的粘性剪切力增大,螺旋槽產(chǎn)生的流體動壓效應(yīng)增強,氣膜壓力增大,開啟力大于閉合力,為保持力的平衡,密封恢復(fù)到原來的間隙;反之,若密封受到干擾,氣膜厚度(即間隙) 增大,則螺旋槽產(chǎn)生的動壓效應(yīng)減弱,氣膜壓力減小,開啟力小于閉合力,密封恢復(fù)到原來的間隙。因此,只要在設(shè)計考慮的范圍內(nèi),當(dāng)外來干擾消除后,密封即能恢復(fù)到設(shè)計的工作間隙,這樣干氣密封的運行穩(wěn)定可靠,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,即密封運行越穩(wěn)定。

　　因此,干氣密封作為不需任何密封端面冷卻和潤滑用油的無維修密封系統(tǒng),正取代浮環(huán)密封和迷宮密封而成為石化行業(yè)高速離心壓縮機軸封的主流。據(jù)估算,濕封系統(tǒng)與干封系統(tǒng)的投資比為8∶1 。

1.2、典型結(jié)構(gòu)

　　干氣密封的設(shè)計選用主要取決于氣體成分、氣體壓力、工藝狀況和安全要求等工況條件。實際應(yīng)用中,干氣密封主要有三種布置形式:單端面、串聯(lián)和雙端面。

1.2.1、單級密封結(jié)構(gòu)

　　單端面又稱單級密封,主要用于中、低壓條件下,允許少量介質(zhì)氣體泄漏到大氣環(huán)境中的場合。見圖1 。

圖1 　單級干氣密封結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2、串聯(lián)式干氣密封結(jié)構(gòu)

　　串聯(lián)式干氣密封是應(yīng)用最普遍的一種結(jié)構(gòu)形式,見圖2 。一個串聯(lián)式干氣密封可能由兩級或更多級干氣密封按照相同的方向首尾相連,每級密封分擔(dān)部分負荷。通常情況下采用兩級結(jié)構(gòu),第一級(主密封) 承擔(dān)全部負荷,而另外一級作為備用密封不承受壓力降,在備用密封和主密封之間通入惰性氣體就形成阻塞密封,保證密封介質(zhì)絕對不向大氣泄漏。在壓力很高的場合,需采用三級串聯(lián)式密封,其中前兩級密封分擔(dān)總的負荷,第三級作為備用密封和阻塞密封。

圖2 　串聯(lián)式干氣密封結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.3、雙端面密封結(jié)構(gòu)

　　雙端面密封主要采用面對面結(jié)構(gòu),有時兩個密封共用一個動環(huán),通過采用惰性氣體作阻塞氣體而成為一個性能可靠的阻塞密封系統(tǒng),見圖3 。由于阻塞氣體的壓力總是維持在比密封氣體壓力高的水平,因此氣體泄漏的方向便朝著工藝介質(zhì)氣體,這就保證了工藝氣體還會向大氣泄漏,故其主要用于有毒、易燃易爆的氣體以及不污染外界的食品加工和醫(yī)藥加工過程。

圖3 　雙端面密封結(jié)構(gòu)示意圖

2、干氣密封的使用和維護

　　干氣密封適用的操作參數(shù)范圍很廣,無需特別維護。操作巡檢時,每天應(yīng)對密封泄漏量進行監(jiān)測記錄,泄漏率增大表明密封裝置有問題。干氣密封的使用和維護一般應(yīng)遵循下列原則:

　　a) 為保證干氣密封運行的可靠性,如前所述,CO2壓縮機的軸端密封安裝有與之相匹配的控制系統(tǒng),使得密封工作在最佳設(shè)計狀態(tài),當(dāng)密封失效時系統(tǒng)能及時報警,有利于維護工人以最快的速度處理現(xiàn)場事故。密封氣體壓力由壓力表顯示,密封氣體通過過濾器后的氣體壓降由壓差表測出,當(dāng)壓力降達到一定值時,須切換過濾器更換濾芯,以保證氣體的過濾質(zhì)量。

　　b) 經(jīng)過濾的CO2氣體進入干氣密封腔體,通過儀表控制,其壓力應(yīng)高于被密封的CO2氣體壓力約0.05MPa ,以保證密封腔非常干凈。

　　c) 每天監(jiān)測泄漏的CO2氣體壓力和流量。若泄漏CO2氣體壓力過高,系統(tǒng)報警,則應(yīng)檢查干氣密封的控制系統(tǒng)壓力是否在設(shè)計范圍;若控制系統(tǒng)壓力滿足設(shè)計要求,則表示干氣密封已經(jīng)失效。

　　d) T.28XP 型干氣密封裝置是單向的,應(yīng)防止機器的反轉(zhuǎn)。

　　e) 每月檢查一次干氣密封和外側(cè)迷宮密封之間的放空管線,管線上不應(yīng)有潤滑油。

3、結(jié)語

　　螺旋槽干氣密封其密封端面在運行期間幾乎無磨損,只在開停車時才出現(xiàn)很小的磨損。密封最容易被磨損的部位是螺旋槽根部,一旦有顆粒雜質(zhì)進入密封腔,密封面螺旋槽根部很容易遭到磨損。因此,用于密封的CO2氣體一定要清潔,無顆粒雜質(zhì)。