干气密封在载气压缩机上的改造及应用

摘要：本文分析了四川金象赛瑞化工股份有限公司蜜胺分公司载气压缩机碳环密封的结构、密封原理及失效原因，并介绍了原碳环密封改造后，干气密封的结构、工作原理、特性及使用效果。

关键词：载气压缩机；碳环密封；螺旋槽；双端面干气密封

1.引言

四川金象赛瑞化工股份有限公司蜜胺分公司全球最大的单套5万吨/年三胺装置载气压缩机组为西安陕鼓动力公司生产的电机驱动E56-2 型二级离心压缩机，电机为隔爆型异步电动机。压缩机入口压力：0.3Mpa（G），出口压力：0.57Mpa（G），入口温度140℃，出口温度：180℃，介质：三胺工艺气（氨+二氧化碳+少量尿素雾沫），额定转速：9080r/min，轴端密封采用碳环密封。该机组 2008 年5月安装投用以来，因密封系统经常泄漏，造成油污染，影响油品质，几次更换46#汽轮机油损失大，运行费用高，且泄漏量大时必须停车处理，影响正常生产。2012年12月机组节能改造时将原碳环密封改造为成都一通密封有限公司的双端面干气密封，经过1年多的连续运行，密封性能稳定、可靠，取得了良好的使用效果。

2.原碳环密封失效分析

2.1密封结构及工作原理

图 1原碳环密封结构示意图

该机组原碳环密封结构见图 1。碳环密封的大气侧采用1道非接触式的碳环密封，介质侧采用分别采用1道迷宫式梳齿密封+5道碳环密封，碳环材质采用浸渍碳石墨材料。

密封设计时要求外供0.63 Mpa（G）的主密封气及0.33 Mpa（G）的前置气，两股密封气的温度为150℃。前置气作用将介质侧工艺气的杂质及尿素雾沫隔离在密封碳环之外，前置气流量为25Nm?/h，其压力为介质压力+0.05 Mpa，主密封气进入5道碳环密封的中间，通过浮环密封的原理进行机组工艺气的轴端密封，主密封气流量为20Nm?/h，其压力为前置气压力+0.3 Mpa。

2.2 失效分析

在生产实际运行过程中，初始碳环内侧间隙比较小，密封效果比较明显。运行一段时间后，随着机组开停车时温度变化、压缩机叶轮结垢引起的振动等因素促使碳环磨损加剧，碳环与轴之间的间隙加大，主密封气的泄漏量加大，主密封气、前置气与三胺工艺气之间的压力差变小或消失，导致三胺工艺气从梳齿密封及碳环密封之间微量泄漏，而三胺工艺气具有结晶结垢特性，微量的三胺工艺气在碳环处形成的结晶物使碳环与密封腔体粘接在一起，从而使碳环失去浮环密封的特性，加剧碳环的磨损及泄漏量的增加，引起碳环密封失效。此泄漏出来的工艺气沿叶轮轴进入轴承箱体里，影响油的品质。如泄漏量严重时，达不到环保及安全要求而导致整个装置的停车。

3.现干气密封结构、工作原理、性能

3.1 干气密封结构

此干气密封由介质侧的1道前梳齿密封+双端面干气密封和大气侧的2道后梳齿密封组成（见图 2）。主要包括梳齿密封A、弹簧座A、静环、动环、弹簧座B、梳齿密封B、锁紧螺母及传动销。前梳齿密封位于介质侧工艺气与前置密封气之间，两个动环、静环密封面为背对背式布置，靠空气侧的后梳齿密封在隔离风进气口处留有环形气体分布槽。干气密封运转部分通过锁紧螺母及传动销固定在压缩机叶轮主轴上，密封静止件部分通过挡圈及联接螺母固定在机壳上。

图 2 干气密封结构图

3.2 干气密封工作原理

干气密封即“干运转气体密封”（Dry Running gas seals）是将开槽密封技术用于气体密封的一种新型轴端密封，属于非接触密封。

当端面外侧开设有螺旋槽（2.5～6μm）的动环旋转时，螺旋槽把外径侧的高压密封气体泵入密封端面之间，由外径至槽径根部处气膜压力逐渐增加，而自槽径根部至内径处气膜压力逐渐下降，因端面膜压所形成的开启力与作用在密封环背面的介质气体压力和弹簧力形成的闭合力平衡，在摩擦副之间形成很薄的一层气膜（1～3μm）从而使密封工作在非接触状态下。所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道，实现了密封介质的零泄漏或零逸出。

3.3 性能特点

（1）密封允许最大轴向窜量±4mm；

（2）密封允许最大径向窜量±0.5mm；

（3）能在机组工艺气全压下启动/停止；

（4）能承受机组叶轮速度和机组工艺气压力的快速变化；

（5）由于是非接触式密封，运行稳定可靠，使用寿命长，大于5年；

（6）密封驱动功率消耗小，小于2kw；

（7）防止油污染。

4.干气密封控制系统的改造

4.1 干气密封控制系统的组成

控制系统是干气密封的重要组成部分（见图3），该系统的主要作用是为干气密封提供干净的气体和监视干气密封的运转状况，确保干气密封长周期运行。载气压缩机干气密封控制系统由以下几个部分

图 3 干气密封控制系统流程图

组成：

（1）过滤单元：包括前置密封气、密封气和隔离气过滤单元。均由一开一备两台过滤器并联组成。设有过滤器压差高报警，提醒操作者及时切换过滤器。

（2）调节单元：通过自力式调节阀保证密封气压力高于前置密封气压力（压差参考值0.2MPa），当压差低于0.1Mpa时发出压差低报警，压差低于0.05MPa时，联锁停车，保证机组及现场安全。

（3）监控单元：双端面干气密封控制系统通过密封气泄漏量来监视干气密封的运转情况，当干气密封的气体泄漏量超过一定值时，表明干气密封损坏。

（4）隔离气单元：隔离气的作用是防止油串入干气密封部位对密封性能造成影响，该双端面干气密封隔离气采用仪表风。

4.2 干气密封系统的控制指标

干气密封报警及联锁项目

项 目 正常值 报警 联 锁

密封气过滤器前后差压 H=0.1MPa

驱动端/非驱动端密封气流量高 1.5Nm3/h H=6Nm3/h

隔离气（仪表风）压力低 0.3MPa L=0.2Mpa 低于0.2Mpa，油泵禁止启动

密封气与前置气压差（变送信号） 0.2Mpa L=0.1Mpa 低于0.1Mpa，压缩机禁止启动

LL=0.05Mpa 三取二 压缩机连锁停机

密封气与前置气压差（开关信号） LL=0.05Mpa

密封气与前置气压差（开关信号） LL=0.05Mpa

5.注意事项

（1）压缩机油运行时，为避免误操作造成油进入干气密封，控制系统设置隔离气压力低限制轴承油泵启动条件，当隔离气压力低于0.2Mpa，轴承油泵禁止启动。

（2）压缩机启动前，必须保证密封气进入的压力，防止压缩机内介质窜入干气密封部位。为避免误操作造成干气密封损坏，控制系统设置密封气与平衡管压差低限制机组启动条件，当压差低于0.1Mpa，压缩机组禁止启动。

（3）防止机组倒转。动环螺旋槽的设计是有方向的，气体只有沿设计方向进入螺旋槽，才能产生开启力，使动静环脱离接触。

6.结束语

载气压缩机干气密封于 2012 年12月改造后，运转至今情况良好，机组运行平稳，油质稳定，没有发生过因工艺气泄漏导致的停车事故，达到了设计要求。

参考文献：

[1]顾永泉编.《流体动密封》.山东：石油大学出版社，1990 年

[2]朱立新.丙烷压缩机干气密封的改造.石油与化工设备，2004年05期