潘廣斌,周華南,王 瞻,李國富
(中國石油吉林石化公司煉油廠,吉林吉林 132000)
干氣密封系統(tǒng)屬于非接觸端面微間隙氣體潤滑密封系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)機械密封而言,干氣密封突出的優(yōu)點在于動、靜環(huán)可以實現(xiàn)非接觸運行,不存在接觸摩擦,也不受PV 值限制,因此具有極長壽命和極高可靠性,尤其適用于高速、高壓的離心式壓縮機等。由于在環(huán)境保護及對人員、設(shè)備自身安全方面性能優(yōu)越,受到化工行業(yè)的廣泛青睞。下面對干氣密封的工作特點、運行原理、結(jié)構(gòu)類型及操作運行和日常維護注意事項等進行歸納。
干氣密封是非接觸端面微間隙機械密封,適用于高溫、高壓、介質(zhì)成分復(fù)雜等苛刻條件,能夠讓機組在各種復(fù)雜條件下穩(wěn)定運行,因此干氣密封被石化行業(yè)廣泛采用,特別是大型離心壓縮機,基本都采用了干氣密封系統(tǒng)。與以前的密封油系統(tǒng)相比,干氣密封有以下主要6 個優(yōu)點:節(jié)省了復(fù)雜龐大的密封油系統(tǒng)及其功耗;保證工藝介質(zhì)不被密封油污染;密封氣體泄漏量少;維護費用低;驅(qū)動功率消耗?。粔勖L,運行可靠度高。
如圖1 所示,固定在轉(zhuǎn)子上的軸套、固定在軸套上的動環(huán)、可以隨動環(huán)軸向浮動的靜環(huán),以及靜環(huán)背部的密封圈、彈簧座、推環(huán),其余靜密封圈,組成了一個獨立的干氣密封單元。
圖2 為動環(huán)的工作面,其表面上加工有一定數(shù)量、均勻分布的淺槽(一般3~15m)。該表面由動壓槽、密封壩、密封堰三部分組成。動環(huán)旋轉(zhuǎn)時,氣體在粘性剪切力和壓差作用下進入動壓槽內(nèi)并由外徑向內(nèi)徑流動,在密封壩和密封堰的限制下被壓縮,氣體壓力升高。當(dāng)端面氣體產(chǎn)生的開啟力與靜環(huán)背后的流體靜壓力以及彈簧載荷所形成的閉合力相等時,密封面脫離并形成一定厚度的氣膜(一般3~5m),由此密封實現(xiàn)非接觸運轉(zhuǎn)。端面的氣膜具有一定的剛度,在工況發(fā)生變化時,可實現(xiàn)端面間隙適時調(diào)整,保證密封端面始終處于非接觸狀態(tài)。
圖1 干氣密封基本單元
圖2 螺旋槽
圖3 中開啟力即為氣膜作用力,閉合力=彈簧作用力Fs+流體作用力Fp。其中,氣膜厚度為ha,氣膜反力F0。當(dāng)密封運轉(zhuǎn)后,端面間會形成一個穩(wěn)定的氣膜間隙,此時密封的閉合力等于開啟力F0,密封將在此間隙下穩(wěn)定運行。當(dāng)密封受到外界干擾時,如端面間隙變小,動壓槽產(chǎn)生的流體動壓效應(yīng)增強,氣膜所產(chǎn)生的開啟力增大,靜環(huán)將發(fā)生位移并自動恢復(fù)到穩(wěn)定的運行間隙。反之,如果密封端面間隙增大,動壓槽產(chǎn)生的動壓效應(yīng)不足、開啟力減小,密封也將自動恢復(fù)到原來的間隙,從而實現(xiàn)干氣密封的非接觸穩(wěn)定。密封的運行穩(wěn)定性主要以氣膜厚度(ha)和氣膜剛度為評價指標(biāo):氣膜厚度反映密封動、靜環(huán)脫開的距離;氣膜剛度是作用力與厚度的變化比,氣膜剛度大,密封的抗干擾力就強,能夠保證密封系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
圖3 氣膜穩(wěn)定性示意
(1)單端面結(jié)構(gòu)(圖4)。適用于工藝氣為安全性氣體的工況,少量工藝氣會泄漏到大氣中,如氮壓機、空壓機、二氧化碳壓縮機等對大氣無污染的介質(zhì)。
(2)雙端面結(jié)構(gòu)(圖5)。通常采用氮氣作為密封氣,適用于允許微量氮氣泄漏到機組內(nèi)部的情況,同時該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)工藝介質(zhì)的零泄漏。此結(jié)構(gòu)允許少量密封氮氣泄漏到工藝氣體介質(zhì)中,適用于有毒有害、易燃易爆、壓力較低的工藝介質(zhì)和要求零泄漏的生產(chǎn)工況。
圖4 單端面結(jié)構(gòu)干氣密封
圖5 雙端面結(jié)構(gòu)干氣密封
圖6 串聯(lián)式結(jié)構(gòu)干氣密封
(3)串聯(lián)式結(jié)構(gòu)(圖6)。該結(jié)構(gòu)安全性、可靠性高,但會有微量工藝氣泄漏至大氣環(huán)境中,外部氮氣不會進入工藝流程內(nèi)。該結(jié)構(gòu)負(fù)壓到高壓均可,多用于現(xiàn)場無氮氣氣源的管線壓縮機、一級泄漏氣需要回收的冷劑壓縮機等。
(4)帶中間迷宮的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)(圖7)。該結(jié)構(gòu)安全性、可靠性最高,同時既不會有工藝氣泄漏到大氣環(huán)境中,也不會有外部氮氣進入工藝流程內(nèi),適用于各種壓力條件下的有毒有害、易燃易爆工藝介質(zhì)。
影響干氣密封泄漏量的因素有密封環(huán)線速度、密封工作壓力、介質(zhì)溫度黏度、機組轉(zhuǎn)速等4 個方面:密封環(huán)線速度大,干氣密封的泄漏量就越大;工作壓力越高,干氣密封的泄漏量就越大;介質(zhì)黏度大,密封氣流經(jīng)密封端面的阻力會增加,但泄漏量變化不大;機組轉(zhuǎn)速越高,穩(wěn)定性就越好。
圖7 帶中間迷宮串聯(lián)式結(jié)構(gòu)干氣密封
干氣密封典型的失效模式包括:密封污染;機組振動、喘振;反壓;中分面打膠;安裝原因。在實際應(yīng)用中,大多數(shù)的干氣密封失效是由于密封污染引起的。如果密封氣帶液或帶有雜質(zhì),則會因液體摩擦發(fā)熱或顆粒通過端面造成密封面磨損,進而影響流體動壓槽的動壓效應(yīng),造成氣膜穩(wěn)定性下降直至無法形成氣膜,嚴(yán)重時甚至?xí)斐蓜屿o環(huán)破碎。
干氣密封系統(tǒng)都帶有分液、除沫、干燥過濾等控制過程,對主密封氣和輔助密封氣的清潔度控制和監(jiān)測有很高的要求,過濾系統(tǒng)濾芯要實時監(jiān)控、檢查和及時更換,不允許帶有雜質(zhì)和液滴,要保證密封氣的干燥和干凈。主密封氣和密封泄漏氣的溫度、流量和壓力等控制參數(shù)要實時監(jiān)控,設(shè)置聲光報警系統(tǒng),通過對這些參數(shù)的監(jiān)控和測量來監(jiān)測和保證干氣密封的實際運行狀況。
日常的操作和運行維護,其實主要就是對干氣密封控制系統(tǒng)的使用、監(jiān)測和維護,以達(dá)到對干氣密封的維護。
(1)防反壓串壓:工藝介質(zhì)的反壓串壓會導(dǎo)致密封環(huán)的損壞。
(2)防反轉(zhuǎn):單向螺旋槽干氣密封反向旋轉(zhuǎn)會損壞密封環(huán)。
(3)暖機:避免在過低的暖機轉(zhuǎn)速下連續(xù)運轉(zhuǎn),干氣密封允許的最低暖機轉(zhuǎn)速與干氣密封規(guī)格有關(guān)。暖機轉(zhuǎn)速切忌過低。
(4)盤車:避免在過高的盤車轉(zhuǎn)速下連續(xù)盤車,干氣密封允許的最大盤車轉(zhuǎn)速與干氣密封的規(guī)格有密切關(guān)系。盤車轉(zhuǎn)速切忌過高,盤車時間不宜過長。
(5)避免或減少振動:干氣密封的使用條件應(yīng)使運行機組滿足API617 的振動要求。
(6)泄漏趨勢:泄漏量的監(jiān)控和漏量報警,可以實時了解密封的實際運行狀況。
(7)氣體品質(zhì):應(yīng)密切關(guān)注干氣密封所需密封氣的氣體品質(zhì)情況,定期檢查和更換干氣密封控制系統(tǒng)的過濾器、聚結(jié)器、加熱器等,確保干氣密封處于干凈、干燥的工作環(huán)境。
(8)氣源的穩(wěn)定性和連續(xù)性:應(yīng)保證密封氣源的連續(xù)性和穩(wěn)定性,包括密封氣和隔離氣等。避免因斷氣和流量不足造成工藝介質(zhì)倒灌或潤滑油進入密封。
(9)排凝:排除凝液,避免液滴對密封系統(tǒng)的沖擊。
干氣密封系統(tǒng)有功耗低、泄漏少、運行周期長、可靠性高、運行維護便捷等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于化工裝置大型離心機組。近年來,隨著越來越多的高溫高壓和液化氣等高危機泵采用干氣密封,對設(shè)備維護和管理人員干氣密封操作和維護學(xué)習(xí)的要求也越來越高。在設(shè)備選型方面,要根據(jù)不同的需求選用合適的干氣密封型式;在運行方面,要避免出現(xiàn)密封失效事件,實現(xiàn)機組機泵的安全可靠運行。這些都是相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該學(xué)習(xí)并掌握的基礎(chǔ)知識,也是為企業(yè)能夠長期科學(xué)發(fā)展、裝置能夠長周期平穩(wěn)運行應(yīng)盡的責(zé)任。