干气密封使用及维护检修(石兴华)

干气密封
结构原理及维护检修
机械维修公司 2017.9.18
一、干气密封概述
干气密封是一种新型的非接触式轴封。它是以气体润滑轴承的概念
为基础发展起来的，其中以螺旋槽密封最为典型。美国约翰·克兰公司 率先推出干气密封产品并投入工业使用。“用气封液或气封气”的新观
念替代传统的“液封气或液封液”观念，有以下主要优点：
见图10所示。解决此问题可通过憋压法（一级放空处有一憋压阀门，见图
11所示）瞬间憋压解决（增大动静环闭合压力），不需要更换干气密封。 一级密封动静环磨损严重或损坏，必须更换干气密封。
图10 静环座O型圈结构形式
图11 憋压阀示意图
② 二级放空差压增大问题判断
因为二级放空主要是隔离气的放空，少量二级泄漏气的放空。若二 级放空差压增大，可能是由于： 隔离气密封效果变差，需对隔离气密封进行检查处理。如：隔离气 密封组件碳环间隙变大；碳环有磨损、损坏等情况发生。 二级密封动静环磨损严重或损坏，造成二级密封气源大量从二级 密封处泄漏。这种情况和一级密封组件故障一样，需要更换此套干气密
1、干气密封系统其工作原理如下： 密封正常运行时，把从机组出口口工艺气（机组开车时，由于机组出口 压力尚未建立，故开机时需用高压氮气作为密封气）作为一级密封气，氮气作 为二级密封气，低压氮气作为隔离气，引出的经调压、干燥、过滤（1μ m）， 经气动薄膜调节阀根据设定的压差值（缓冲气与机组参考气管压力）进行调压 后分别进入干气密封腔密封气入口，控制其压力高于机组正常运行时参考气管 压力0.05MPaA，对密封进气的流量、压力、温度进行测量监控。 判断密封是否正常工作主要通过对泄漏气的监测来进行。干气密封失效时， 泄漏气出口端压力和流量会急剧增大。其信号可通过变送器传至控制室发出报 警信号。当泄漏气流量增加到联锁停车设定值时。控制系统给出联锁停车信号， 以避免出现意外。 注意：启动滑油系统之前应先启动隔离气，而关闭隔离气则应在滑油系 统停用十分钟以上方可关闭，切记！
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。
二、干气密封的结构及原理
干气密封主要由动环、 静环、轴套、静环座、级间梳 齿密封、O形圈、弹簧及壳体 等零部件构成，另外还辅助了 相关的装拆专用工具。常用的 干气密封分为油封组件（与轴 承紧密相连，主要起隔离油气 的作用）、一级密封组件和二 级密封组件，其主要结构形式 如图1所示。
图1 串联式干气密封结构示意图
1、动环结构形式
动环通常有螺旋槽和梯形槽两种结构形式，槽深小于10 微米。主要形状见图2、图3所示。
图2 螺旋槽结构
图3 梯形槽结构
螺旋槽优点： ① 气膜刚度强 ② 气膜稳定 缺点： 无防反转功能 由于其自身优点，目前使用较广泛
梯形槽优缺点： 结构的对称性，具有防反转功能 缺点： ① 气膜刚度不如螺旋槽结构强 ② 气膜不如螺旋槽结构稳定 综合因素决定，目前使用较少
② 系统带液
a. 氮气系统带液，此情况仅可能发生在启动过程中，因此时才使用氮气作 为密封气（此种情况较少），正常开车过程不使用此气体。到目前为止 还未因氮气系统带液而出现问题。 b. 停车过程中，机组密封气使用压缩机出口工艺气，随着机组停车，压力 降低，温度下降，当温度下降至此露点温度条件，产生液化现象，导致 整个密封气带液，这是整个干气密封带液的最大可能。
② 停车后需将油循环全部停止，且高位油箱油全部回完后，方可停密封气 。
③ 密切注意晃电情况的停车，可能出现密封气瞬间中断的情况，设立增压 系统防止此情况的发生。
3）干气密封日常失效实例
① 由于全厂突然晃电，造成干气密封
进油而失效。 ② 机组反转造成动静环损坏，导致密
图8 反转磨损情况示意图
封失效，损坏磨损情况见图8所示。
图6 气膜形成示意图
图7 动静环受力图
三、干气密封的监控系统
为了保证干气密封运行 的可靠性，每套干气密封都
有与之相匹配的监测控制系
统，使得密封工作在最佳设 计状态，当密封失效时系统
能即时报警，有利于维修工
人以最快速度处理现场事故。 干气密封监控系统对密封是否正常运行的监测主要是通过对气体泄漏量 的监测进行的，气体泄漏量过低或过高，系统均报警，提醒操作人员检查 控制系统压力是否在设计范围。当气体泄漏量超过一定值以后，表明干气 密封已经失效，系统连锁停车，保证设备不受损坏。
封。
③ 一级放空导淋有油或其他液体排出
• 一级放空导淋按要求是不能有任何油污及其他任何液体排出的，否则 此套干气密封肯定失效。若出现油及其他液体，说明二级密封组件肯定有 油存在，这样二级密封动静环肯定不能打开而损坏。所排出来的油也一定 是从润滑油中串到二级密封内部，再从一级放空排出，部分油还会进入一 级密封组件里边，造成一级密封失效。首先必须检查隔离气密封组件，同 时必须对整套干气密封组件进行更换，更换新的干气密封组件之前，需脱 脂吹扫整个干气密封管路系统，保证系统不带任何液体及其他杂质。 另外，若有液体排出，有可能是一级放空失效，导致工艺气（工艺气 本身带液）从一级放空泄漏出来。同时也可能是二级缓冲气带液造成。总 之，一旦发现一级放空导淋有油或液体排出，都必须更换整套干气密封组 件。
的情况下，可阻止工艺气泄漏，保证机组紧急停车过程不会有工艺气体泄漏。
3）级间梳齿密封及隔离气密封原理
级间梳齿密封 ：一、二级密封间加入一级迷宫密封，减少二级缓冲氮
气的消耗量。 隔离气密封：干气密封的后端（轴承端）采用梳齿密封或者碳环制作的 隔离气密封组件，引入略高于轴承箱压力的氮气，其作用是避免轴承箱中的 润滑油进入干气密封内。结构形式见图5所示：
从系统本身出发，导致进油的主要可能包括： a. 在启动油系统之前未通入隔离气。 b. 机组突然停车，密封气及隔离气突然中断，油系统未及时停止。 c. 全厂晃电，油系统和密封气系统均停止，但晃电过程中高位油箱的油
还继续往机组提供润滑油，从而导致油进入密封系统。
d. 隔离气密封组件损坏，此组件失效而导致油进入干气密封系统。
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。气膜形成见图6所示，
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，则气体的粘性剪力增大，螺旋槽产生的流体动 压效应增强，促使气膜压力增大，开启力随之增大，为保持力平衡密封恢 复到原来的间隙，反之则反。其作用力见图7所示。
隔离气
弹簧加固
分瓣石墨环
二级放空
油气放空
图5 隔离气密封结构示意图
4）以螺旋槽为例介绍其工作原理
在密封面上加工有一定的螺旋槽，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（低压侧）流动， 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
形成局部高压区，使端面分开几微米（3-5微米）而形成一定厚度的气膜。
2、弹 簧
• 单弹簧——产生的弹簧力较大，安装简单，较少因为安装问题导 致干气密封失效，但产生的弹簧力不够均匀，一旦失效将导致整 个干气密封失效。 • 多弹簧——产生的弹簧力较均匀，更稳定，且一个弹簧失效还有 其他弹簧起到保护作用，但安装不方便。 • 目前多弹簧使用范围较广
3 动静环材质配合
硬对硬配合，动环为碳化硅，静环为碳化硅并经表面涂覆DLC处
① 一级放空差压增大问题判断
因为一级放空主要是二级密封气的放空，然而二级密封气是通过一、
二级级间梳齿传递。若一级放空差压增大，可能是由于： 一、二级级间梳齿磨损，导致二级缓冲气更多的通往一级放空。判断
此问题可在机组停机状态下短时间中断二级密封气源，看一级放空差压变
化情况。 静环座后端O型圈有卡涩现象（静环活动受阻），此处O型圈结构形式
理，以FLOWSERVE制造厂为代表。
硬对软配合，动环为硬质合金或氮化硅，静环为石墨（较软且 具有自润滑性），以约翰克兰制造厂为代表。
3、工作原理
多采用串联式干气密封，其结构见图4所示，相当于前后串联布置 的两组单端面干气密封。第一级干气密封为主密封，承受全部差压。第
二级干气密封为辅助完全密封，通常情况在很低的压差下工作。由于其
•
④ 二级放空导淋有油或其他液体排出
• 二级放空有油排出，最有可能的原因是隔离气隔离油的效果不好， 随着油气带入二级放空。若二级放空导淋有少量油排出是正常的，但量 不能多，少量存油时间也不能太长，否则将会带入二级密封动静环之间， 造成二级密封失效。在量的控制上多数是通过经验判断，从安全方面考 虑，最好更换整套干气密封组件，送出检查清洗后做密封试验。 • 二级放空有液体排出，可能是二级密封气有带液现象，同时也可能
是隔离气带液造成。需要更换整套干气密封组件，也包括隔离气密封组
件。
6）干气密封频繁泄漏原因分析
根据干气密封的结构原理及运行情况综合分析，造成频繁损坏的原因主 要包括：开停车程序，进油或低转速摩擦；全厂晃电等意外事故，进油、带 液等；机组反转；维修材质的选取，材质配对不适合机组工况的运行要求。
① 系统进油
摩擦副始终保持在非接触状态下运行，没有任何磨损，故能够一直处于 理想的运转状态。在第一级密封失效时会迅速的做出反应起到密封作用， 达到一级密封泄漏紧急停车过程临时密封效果。
图4 串联式干气密封结构示意图 一级密封气 一级放空 二级密封气 二级放空
1）一级密封工作原理
一级密封也叫主密封，当机组达到一定工作转速时，密封气沿动环槽进 入动静环之间形成刚度较强的气膜，从而阻止工艺气的泄漏。 在机组未达到最低工作转速时，一级密封气用高压氮气做密封气源。 当机组达到最低工作转速后，从机组出口端引出的工艺气体经过滤、调压后 作为其密封气源，其少量泄漏气送火炬燃烧（因含少量合成气），一级密封 气源多数进入压缩机缸体内部，作为机组工艺气循环。