姚圣兵

（中國(guó)石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

中國(guó)石油廣西石化公司20萬(wàn)t·a-1聚丙烯裝置中的循環(huán)氣壓縮機(jī)組采用美國(guó)GE公司生產(chǎn)的DH7型離心式壓縮機(jī)和RLHA24型透平機(jī)組成。該壓縮機(jī)的軸端密封采用的是約翰克蘭公司的28XP BD型串聯(lián)式干氣密封。該機(jī)組為低轉(zhuǎn)速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，工藝介質(zhì)為易燃易爆的丙烯氣，危險(xiǎn)性大。這就要求壓縮機(jī)軸端密封系統(tǒng)可靠性好，密封泄漏小，壽命長(zhǎng)。該機(jī)組于2010年7月1號(hào)一次試車(chē)成功，運(yùn)轉(zhuǎn)至今，密封性能良好，保證了設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

機(jī)組參數(shù)如下：流量9100~19000m3·h-1，轉(zhuǎn)速1491r·min-1，電機(jī)功率：900kW，入口壓力 2.639~3.379MPa，出口壓力 2.669~3.489MPa，工藝介質(zhì)：丙烯氣。

1 密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)大型離心壓縮機(jī)軸端密封型式主要包括迷宮密封﹑浮環(huán)密封﹑機(jī)械密封以及目前最為先進(jìn)的干氣密封。干氣密封是20世紀(jì)60年代末期以氣體潤(rùn)滑軸承的概念為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，其中以螺旋槽密封最為典型。經(jīng)過(guò)數(shù)年的研究，美國(guó)約翰克蘭公司率先推出干氣密封產(chǎn)品投入工業(yè)使用。它是一種新型的非接觸式軸封。其結(jié)構(gòu)與普通機(jī)械密封類(lèi)似。但重要區(qū)別在于，干氣密封其中的一個(gè)密封環(huán)上面加工有均勻分布的淺槽。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)入淺槽中的氣體受到壓縮，在密封環(huán)之間形成局部的高壓區(qū)，使密封面開(kāi)啟，從而能在非接觸狀態(tài)下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)密封。將干氣密封技術(shù)和阻塞密封原理有機(jī)結(jié)合，用“氣封液或氣封氣”的新觀念替代傳統(tǒng)的“液封氣或液封液”觀念，可保證任何密封介質(zhì)實(shí)現(xiàn)零逸出，故更適合作為高速高壓下的大型離心壓縮機(jī)的軸封。由于它不需要密封潤(rùn)滑油，省去了封油系統(tǒng)及用于驅(qū)動(dòng)封油系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的附加功率負(fù)荷。其所需要的氣體控制系統(tǒng)比封油系統(tǒng)要簡(jiǎn)單得多。而且泄漏量小，壽命長(zhǎng)，維護(hù)費(fèi)用低，密封驅(qū)動(dòng)功率消耗小。

2 干氣密封的工作原理

干氣密封是一種非接觸式端面密封[1]，密封單元由2個(gè)環(huán)組成。第1個(gè)環(huán)稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)環(huán)或動(dòng)環(huán)，其密封端面上刻有許多槽，槽下的光滑區(qū)域稱(chēng)為密封壩，它是真正起密封作用的部分并形成密封壓力到大氣壓力之間的壓力梯度。第2個(gè)環(huán)其端面為光滑面，稱(chēng)為主環(huán)或靜環(huán)，并安裝于彈簧調(diào)節(jié)負(fù)載的腔內(nèi)，如圖1所示。在轉(zhuǎn)子靜止且機(jī)內(nèi)已泄壓狀態(tài)下，主環(huán)后的彈簧將使其與旋轉(zhuǎn)環(huán)（動(dòng)環(huán)）貼合。當(dāng)機(jī)內(nèi)常壓時(shí)，氣壓產(chǎn)生了流體靜壓，該力使得動(dòng)環(huán)與靜環(huán)分開(kāi)，在兩環(huán)間產(chǎn)生非常薄的間隙。

圖1 干氣密封結(jié)構(gòu)

一旦機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)，由于動(dòng)環(huán)端面上槽的泵效應(yīng)，氣體朝里被吸至凹槽的根部，形成密封壩。密封壩對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生阻力，從而增加了壓力。這樣產(chǎn)生的壓力對(duì)靜環(huán)產(chǎn)生頂升作用，使其以一個(gè)精確的量（通常為3μm）脫離與動(dòng)環(huán)的接觸。當(dāng)閉合力、流體靜壓力和彈簧負(fù)載力等于流體膜中產(chǎn)生的張開(kāi)力時(shí)，在徑向面之間的間隙是固定的。如果發(fā)生了使密封間隙變窄的擾動(dòng)，螺旋形凹槽產(chǎn)生的壓力就會(huì)明顯地增加，如圖2所示。

圖2 密封機(jī)理1

類(lèi)似的，如果某個(gè)擾動(dòng)引起間隙增大，則產(chǎn)生的壓力會(huì)有一個(gè)減小，這樣密封又很快重新獲得平衡，如圖3所示。

圖3 密封機(jī)理2

這一機(jī)理的結(jié)果使得在靜態(tài)面和旋轉(zhuǎn)面之間存在著一個(gè)高度穩(wěn)定但是很薄的流體界面。這樣就使得這兩個(gè)面在正常的動(dòng)態(tài)操作條件下保持分開(kāi)且不會(huì)相互接觸。從另一方面來(lái)說(shuō)，這將使密封件在界面上沒(méi)有磨損，使其獲得較長(zhǎng)的壽命，且性能相當(dāng)可靠。串聯(lián)式干氣密封則由上述兩對(duì)密封環(huán)或二級(jí)組成。它既可以作為整體也可以作為兩部分使用。分級(jí)使用時(shí)，第一級(jí)密封起主導(dǎo)作用，承擔(dān)密封全部過(guò)程壓力，而第二級(jí)密封作為第一級(jí)密封的備用安全措施。作為整體密封時(shí)，允許第一級(jí)密封的泄漏引入到第二級(jí)，作為二級(jí)密封的工作氣源。

3 該串聯(lián)式干氣密封的流程

干氣密封系統(tǒng)主要由一級(jí)密封、二級(jí)密封、隔離氣系統(tǒng)、軸承氮封，以及密封氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。

（1）一級(jí)密封氣系統(tǒng)。生產(chǎn)中采用丙烯氣作為密封氣，從精制系統(tǒng)過(guò)來(lái)的丙烯經(jīng)過(guò)丙烯蒸發(fā)器后形成丙烯氣，丙烯氣的壓力要比工藝氣高0.2~0.3MPa，丙烯氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾，目的是防止密封氣中的粉塵油霧等對(duì)密封有傷害的雜質(zhì)進(jìn)入密封端面，通過(guò)壓差表監(jiān)測(cè)過(guò)濾器的運(yùn)行狀況，當(dāng)壓差出現(xiàn)高報(bào)時(shí)及時(shí)切換。過(guò)濾后的丙烯氣經(jīng)過(guò)流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入一級(jí)密封，管線必須帶有電伴熱，溫度保持在120℃左右，目的是防止丙烯氣冷凝產(chǎn)生的凝液進(jìn)入密封室損壞密封環(huán)。高壓氮作為丙烯氣的備用氣源，在機(jī)組開(kāi)車(chē)前和特殊情況下切換作為密封氣。

（2）二級(jí)密封氣和隔離氣系統(tǒng)。二級(jí)緩沖氣采用0.7MPa氮?dú)庾鳛槊芊鈿庠?。二?jí)密封的目的是防止工藝氣進(jìn)一步泄漏。公用工程過(guò)來(lái)的過(guò)濾氮經(jīng)過(guò)減壓閥保證注入氮?dú)鈮毫υ?.5MPa，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步過(guò)濾后通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥控制二級(jí)密封的流量。

隔離氣也是采用0.7MPa氮?dú)庾鳛闅庠?，通過(guò)減壓閥減壓到0.5MPa后進(jìn)入隔離腔。其目的是避免壓縮機(jī)軸承的潤(rùn)滑油竄入干氣密封，損壞密封環(huán)。注入壓力由自立式調(diào)節(jié)閥控制，注入到壓縮機(jī)密封腔兩側(cè)，通過(guò)一個(gè)壓差計(jì)監(jiān)測(cè)隔離腔的壓力，這是潤(rùn)滑油泵的啟動(dòng)條件，潤(rùn)滑油泵在啟動(dòng)之前壓差必須保證在低報(bào)之上才允許啟動(dòng)潤(rùn)滑油泵，否則潤(rùn)滑油泵無(wú)法啟動(dòng)。

軸承氮封的作用是防止外界空氣進(jìn)入軸承箱，污染潤(rùn)滑油，通入的氮?dú)馔ㄟ^(guò)軸承箱頂部的呼吸閥排向大氣。

（3）密封氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主密封氣除部分進(jìn)入機(jī)體外，一小部分仍將經(jīng)過(guò)一級(jí)密封環(huán)泄漏出，和二級(jí)緩沖氣混合排放至火炬系統(tǒng)。在排放線上通過(guò)3塊在線儀表同時(shí)檢測(cè)密封氣的排放量，減少由于1塊儀表的不準(zhǔn)確和偶然性帶來(lái)的誤差，根據(jù)3選2邏輯發(fā)出停車(chē)信號(hào)，從而產(chǎn)生伴隨壓縮機(jī)停車(chē)動(dòng)作。二級(jí)密封泄漏和隔離氮?dú)庖黄鹋畔蚧鹁?，同樣在排放線上安裝有流量計(jì)，檢測(cè)二級(jí)密封的泄漏量。

4 該套密封系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

該套串聯(lián)式干氣密封適合于中高壓型氣體密封。動(dòng)環(huán)槽采用了單向旋轉(zhuǎn)的對(duì)數(shù)螺旋形槽。單向螺旋槽具有動(dòng)壓效應(yīng)強(qiáng)，氣膜剛度大，抗外界抗擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。為了更好地滿(mǎn)足較高壓力的工況條件，在易損件上采用了更高級(jí)的材料，如O形圈采用了聚合物密封材料（四氟和金屬?gòu)椈桑?，可以更有效地避免在減壓時(shí)出現(xiàn)的爆裂現(xiàn)象。

工藝流程上，主密封氣采用與工藝氣相同的丙烯氣，在全程進(jìn)行電伴熱保溫，在進(jìn)入密封室前經(jīng)過(guò)過(guò)濾保證了密封氣的清潔，電伴熱保證了密封氣溫度的恒定，防止隨壓力下降造成的液體冷凝，更好地降低了因降壓降溫導(dǎo)致凝液生成的可能性。在隔離氣系統(tǒng)中，隔離氣有效地防止了潤(rùn)滑油進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)，避免了因潤(rùn)滑油進(jìn)入密封端面而使密封損壞的現(xiàn)象。

儀表控制上，對(duì)密封泄漏量進(jìn)行3取2設(shè)置，避免因儀表故障導(dǎo)致壓縮機(jī)聯(lián)鎖動(dòng)作，有效地避免了單一儀表故障引起的不必要麻煩，從而有效避免了因循環(huán)氣壓縮機(jī)停機(jī)造成裝置停工的嚴(yán)重局面。

5 注意事項(xiàng)

（1）投用前必須徹底吹掃，保證密封氣管線清潔無(wú)雜質(zhì)。在設(shè)備安裝完成后，斷開(kāi)密封氣與壓縮機(jī)連接的管線，在壓縮機(jī)一端用白布包好，防止外界雜質(zhì)進(jìn)入，密封氣一端對(duì)大氣，在密封氣主管線上通入0.7MPa的氮?dú)?，持續(xù)吹掃管線，吹掃一定時(shí)間后，用白布在排放口檢測(cè)，看白布上是否有異物，如發(fā)現(xiàn)有黑點(diǎn)繼續(xù)吹掃，直到白布上無(wú)任何污跡為止。進(jìn)入密封腔的每條管線都必須保證吹掃干凈，否則將嚴(yán)重影響密封系統(tǒng)的性能和壽命。

（2）在投用密封氣系統(tǒng)之前，所用的儀表調(diào)試都已完成，邏輯調(diào)試完成，具備投用條件。投用密封系統(tǒng)遵循由內(nèi)而外的原則，將污染物往外吹，投用前反應(yīng)器不能用壓力。首先投用一級(jí)密封，在投用一級(jí)密封前，確認(rèn)高壓氮系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，按照流程逐漸引入壓縮機(jī)，一級(jí)密封流量正常后，投用二級(jí)密封氣，二級(jí)密封流量穩(wěn)定后，投用隔離氮?dú)?，確認(rèn)隔離腔壓力在低報(bào)之上，壓力正常，投用完成后密切監(jiān)視密封的排放量，投用軸承氮封系統(tǒng)。

（3）在密封氣系統(tǒng)穩(wěn)定10min以上后，啟動(dòng)潤(rùn)滑油系統(tǒng)，待壓力流量穩(wěn)定后，反應(yīng)器開(kāi)始升壓。壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，如果一級(jí)密封排放量大，那證明一級(jí)密封泄漏，如果二級(jí)密封排放量大，有2種可能，一是二級(jí)密封泄漏，二是隔離氮?dú)饬髁刻?，可以通過(guò)稍微調(diào)小隔離氮?dú)獾牧縼?lái)確認(rèn)是否是二級(jí)密封泄漏，如果調(diào)小隔離氮?dú)獾牧?，排放量明顯減少，那就是隔離氮?dú)饬髁吭O(shè)定不合適，需要重新設(shè)定。平時(shí)的巡檢中要重點(diǎn)檢查伴熱系統(tǒng)是否正常，是否有泄漏，密切關(guān)注密封排放量。

（4）密封系統(tǒng)在安裝時(shí),必須保證管線清潔。機(jī)組進(jìn)行油循環(huán)前,必須先投隔離氣；開(kāi)機(jī)前必須投用干氣密封,停機(jī)時(shí)先停潤(rùn)滑油,后停干氣密封,防止?jié)櫥瓦M(jìn)入干氣密封系統(tǒng)。

6 結(jié)語(yǔ)

該套密封的成功應(yīng)用,證明了干氣密封技術(shù)是目前最先進(jìn)的密封技術(shù),具有密封系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用較低、可靠性高、密封消耗低的特點(diǎn)，避免了密封油系統(tǒng)所特有的缺點(diǎn)，保證了壓縮機(jī)組安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期的運(yùn)行。

[1] 顧永泉.流體動(dòng)密封[M].北京：中國(guó)石化出版社，1992.

[2] 顧永泉.機(jī)械密封實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.