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离心压缩机装置干气密封技术分析
　　随着石油化工行业对离心压缩机的性能要求越来越高, 对轴封的要求也越来越严格。过去, 国内使用较多的是机械浮环组合密封或者是双端面机械密封, 它们都是经过密封润滑油来达到密封气体的目的。这类密封有一个很大的缺点, 即要求有复杂的密封油系统, 能耗较大, 而且必然有少量的密封油泄漏后进入工艺气体。干气密封即”干运转气体密封”(Dry Running gas seals)的出现, 是密封技术的一次革命, 气体密封的难题得以解决, 而不会再受到密封润滑油的限制。
　　早在20世纪60年代末期, 奠定在气体动压轴承应用的基础上, 干气密封发展起来, 并成为一种全新的非接触式密封。该密封利用流体动力学原理, 经过在密封端面上开设动压槽而实现密封端面的非接触性运行。最初, 采用干气密封形式, 主要为了改进高速离心压缩机的轴封问题。
　　由于密封采取非接触性的运行方式, 因此其密封的摩擦副材料基本不会受到PV值的任何影响, 特别在高压设备、 高速设备中应用, 具有良好前景。随着中国密封技术的飞速发展, 再加上干气密封的广泛应用, 彻底解决了困扰高速离心压缩机运行中的轴封问题, 密封使用寿命及性能都得到了很大提高, 为机组稳定, 长周期运行提供了保证, 因此该技术的应用范围进一步扩大, 凡使用机械密封的场合均可采用干气密封。
　　一、 干气密封的工作原理
　　干气密封是一种新型的非接触式轴封, 其中以螺旋槽密封最为典型。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。其所需的气体控制系统比油膜密封的油系统要简单得多。
　　与浮环密封相比, 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;(4)密封气体泄漏量小;(5)维护费用低, 经济实用性好;(6)密封驱动功率消耗小;(7)密封寿命长, 运行可靠;(8)干气密封技术应用到的辅助系统较为可靠, 操作简单, 在使用过程中不需要任何维护手段。
　　1、 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。在当前的压缩机组上使用最多。常见的主要有以下几种: 　　

　　双旋向槽型无旋向要求, 正反转皆可使用。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。常见有以下几种: 　　

　　经过对干气密封各种槽型的重复试验, 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, 即具有最大的刚漏比。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3 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。　　
　　下图所示为螺旋槽干气密封的作用力图, 从图上能够看出气膜刚度是如何保证密封运转稳定性的。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, 则端面间的压力就会升高, 这时, 开启力Fo大于闭合力Fc, 端面间隙自动加大, 直至平衡为止。　　

　　反之, 密封受到干扰气膜厚度增大, 则端面间的压力就会降低, 这时, 闭合力Fc大于开启力Fo, 端面间隙自动减小, 密封会很快达到新的平衡状态。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。
　　2、 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, 干气密封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。一般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, 经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经过二级密封漏出, 引入安全地带排放。当主密封失效时, 第二级密封能够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。在压力很高的场合, 需要采用三级串联式密封, 其中前两级密封分担总的负荷, 第三级作为备用密封和阻塞密封。　　

　　(3)中间带迷宫的串联密封
　　如果工艺介质不允许泄漏到大气中且也不允许缓冲气泄漏到工艺介质中的工况, 此时串联结构的两级密封间可加迷宫密封。用于易燃、 易爆、 危险性大的介质气体, 能够做到完全无外漏。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。经过主密封泄漏出的工艺气体被氮气全部引入火炬燃烧。而经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, 当前在引进设备中有逐渐增多的趋势。
　　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, 允许少量缓冲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。因此, 双端面密封结构主要用于有毒、 易燃易爆的气体以及不污染外界的食品加工和医药加工过程。

　　二、 干气密封的设计
　　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。干气密封摩擦付材料, 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。软环用浸渍石墨。
　　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。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。
　　三、 小结
　　干气密封技术的出现是密封技术史上一次巨大的进步, 它不但使用方便, 操作简单, 而且能够有效节约珍贵气体, 防止有害气体泄漏, 也能够延长设备使用寿命, 降低运行成本。对于干气密封技术潜力还需业界进一步发掘, 使其在石化、 能源行业发挥更大作用。