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干气密封常见损坏原因及维护探讨

   1、干气密封的用途和适用范围
 
  干气密封是在气体动压轴承基础上发展起来的一种干运转气体薄膜润滑非接触式机械密封。该密封利用流体动力学原理,通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,干气密封主要为了改善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,因此干气密封具有不受PV值影响、低泄漏率、无磨损运转、低能耗、寿命长,效率高、操作简单可靠、被密封流体不受油污染等特点,尤其在高压设备、高速设备及各类压缩机设备中应用具有良好前景。
 
  目前,压缩机用干气密封已有20MPa以上的成功应用案例,2012年机械标准《干气密封技术条件》将成熟的压缩机用干气密封范围界定为压力不超过15MPaG,平衡直径不大于300mm,线速度不高于140m/s;泵用干气密封使用参数相对较低,介质压力不超过4.1MPa(G),轴径不大于110mm,线速度不高于25m/s。

 
干气密封常见损坏原因及维护探讨
 
  2、干气密封结构及原理介绍
 
  典型的干气密封结构由旋转环、静环、弹簧、O形圈及轴和组装套组成。动环与静环配合表面具有很高的平面度和光洁度,通常在动环表面上加工有一系列的浅槽,借助端面开设的流体动及串联式干气密封。单端面布置压槽,在旋转状态下所产生的流体动、静压效应,使两端面被一稳定的薄气膜分隔开来,而处于非接触运行状态。工作原理是动环旋转时,被密封的气体沿周向吸入螺旋槽内,由外径朝向中心,径向分量朝向密封堰流动,密封堰阻止气体流向中心,从而气体被压缩引起压力升高,密封端面间隙得到静定形成要求的气膜。密封端面平衡间隙(膜厚)一般在2~10μm之间。如此,端面的间隙可自行控制界面开启力,与外界的闭合力平衡,使气膜具有良好的弹性(气膜刚度高),形成稳定的运转并防止密封端面相互接触。
 
  干气密封的结构形式根据被密封介质的不同、介质压力的不同及工作转速的不同,又可分为单端面干气密封、双端面干气密封(见图3)适用于少量工艺气泄漏至大气中无危害的工况,如二氧化碳机、空压机、氮压机等;双端面布置(见图4)适用于不允许工艺气泄漏至大气中,但允许氮气进入机组的工况,比如工艺气比较脏、不稳定或存在负压的危险;串联式布置(见图5)适用于允许少量工艺气泄漏至大气的工况,采用两级串联式布置方式,一级为主密封,二级为备用密封。正常工况下,第一级密封承担全部或大部分载荷,而另一级不承受或承受小部分压力降,通过主密封泄漏的工艺气体被引向火炬燃烧,剩余极少部分的工艺气通过二级密封引入安全地带放空。当主密封失效时,二级密封可以起到辅助安全作用。

 
干气密封常见损坏原因及维护探讨
 
  3、常见损坏原因
 
  3.1 单向槽反转或低速工况
 
  在干气密封使用过程中由于安装错误导致驱动端与非驱动端装反、机组停车不可避免存在反转工况、低速暖机工况等存在,致环破碎导致密封损坏,严重时环直接碎裂。
 
  3.2 后置隔离密封失效,外侧密封被污染
 
  在使用过程中,可能会因为设计或操作方面的原因导致润滑油污染密封端面。例如:轴承腔排空不畅(呼吸帽过滤网堵塞)、气体设计流速低造成气量过小、迷宫齿数或间隙不合适、孔板设计过小、系统控制问题、氮气波动或供气中断、开停车操作顺序错误、误操作等。
 
  3.3 压缩机前置迷宫失效,密封污染
 
  压缩机前置迷宫密封磨损严重,导致工艺气反窜至干艺密封的密封面,污染密封见图6。
 
干气密封常见损坏原因及维护探讨
 
  3.4 开停车处理不当,密封污染
 
  开停车过程中,一级密封气流量不容易保证,机内气体容易反窜,造成一级密封端面的污染,因此可能在初试开车增压过程中,压力较低,泄漏量偏大。在对机组准备开车,进行冲压前,必须先通过控制系统注入开车用密封气,避免工艺气反窜造成密封的污染;在停车过程中,应及时切换气源,避免造成工艺气反窜污染密封;停车期间,避免因操作等原因造成密封污染。
 
  3.5 正常运行时,过滤系统失效,密封污染
 
  在干气密封现场运行中可能出现密封气严重带液,超出过滤器处理能力;过滤器堵塞后未及时切换,造成滤芯破损;气源中含大量的细粉,其粒度小于过滤器的精度,超出了过滤器的处理能力,但总量大,对密封及系统均造成影响等情况导致过滤系统失效,从而污染密封,导致失效。
 
  3.6 机组原因造成的密封失效
 
  某化工厂载气压缩机正常运行期间,机组振动值突然直线上升,超出仪表的测量范围,紧接着机组密封泄漏超标。解体后发现密封动环碎裂,主要是因为主轴上热套的平衡盘松动,发生了轴向位移,并与定子发生了接触磨损,导致机组的振动值升高,并超出了密封能够承受的范围,引发密封损坏。
 
  3.7 现场误操作
 
  某化工厂乙烯压缩机,机组正常运行2年左右,两端密封突然同时失效,密封环损坏。后期排查原因时发现,冬天温度较低,操作人员出于好心将密封气的加热器开启,因温度突变造成密封环炸裂。
 
  4、维护及运行注意事项
 
  4.1 干气密封操作极限
 
  干气密封的轴向窜动允许依2.5mm;径向跳动允许依0.6mm;可承受短时间低速脉冲式盘车;承受API617振动公差要求;静态时可承受不超过1MPa的反压,动态时不允许反压。
 
  4.2 干气密封操作注意事项
 
  必须选用干净、干燥,在一定温度、一定压力下不碳化、不聚合的气体作为干气密封工作气源;必须始终保证干气密封各个密封端面上、下游压差为正压差,且单向旋转槽型不可反向旋转。
 
  在日常正常运行中,干气密封本体基本不需要特殊操作和维护,但在工艺条件波动、启停过程中需要注意各流量、压力参数是否在密封厂家给出的正常值范围内。尤其在开停车过程中必须严格按照密封厂家提供的顺序操作,一般而言,开车时,先投后置隔离气,再投轴承润滑油;停车时,反之。
 
  日常维护中需要对干气密封控制系统进行定期巡视和维护,检测过滤器是否阻塞,保温、伴热是否正常,仪器仪表是否正常等,一般来说,保证各显示仪表数值在正常范围内,基本能够保证密封运行性能。
 
  4.3 干气密封备件的贮存
 
  干气密封备件一般贮存在室温不低于-15℃和不高于40℃的通风、避光、干燥的室内存放。自出厂之日起,密封产品贮存时间为3年,超过3年的干气密封,使用前应发回原厂家进行检测、更换辅助密封圈并试验。
 
  5、结语
 
  干气密封是目前最先进的一种非接触密封型式,通过上述对干气密封基本原理和结构、维护、使用、失效分析等阐述可以得知,干气密封的使用和操作必须严格按照相应的操作流程进行操作,并在使用过程中避免出现导致密封失效的操作和因素,从而保证密封性能,确保装置的安全、稳定、长周期运行。
 
  参考文献
  [1] 郝木明,等. 机械密封技术及应用[M].北京:中国石化出版社.
  [2] 姚新华,何耀辉.干气密封的选用及失效分析[J].润滑与密封,2011,(4):116-118+124.
  [3] 杨烨,渠建儒.离心式压缩机干气密封系统常见故障分析[J].天然气与石油,2015,(03):87-89+94+12.
  [4] 柳季君.干气密封的工作机理及其典型结构[J].化学工业与工程技术,2002,(04):38-39.
 
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