干气密封问题分析及处理措施

2、反转
3、动静环材质
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图8 反转磨损情况示意图
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图9 频繁损坏情况示意图
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3.4 维护总结
更换驱动端干气密封，大约需要40小时。 更换非驱动端干气密封，大约需要60小时。 同时更换驱动端和非驱动端干气密封，大约需要65小时。 在拆装时密切注意三个对位记号，动环与壳体、壳体与转子、壳 体与缸体（转子与缸体）之间的对位记号。
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图6 气膜形成示意图
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图7 动静环受力图
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3 使用及维护
干气密封的使用主要包括开、停车及正常 运行三个过程，尤其是开停车过程对干气密封的 可靠性及使用寿命影响最为明显。正常运行中应 密切关注工艺负荷波动对密封的影响。 维护过程主要为干气密封的现场整体更换 过程。
1、无防反转功能
由于其自身优点，目前使用较广泛
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1.1.2 梯形槽结构优缺点
优点： 1、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
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1.2 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
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2.2 二级密封工作原理 串联是干气密封的二级密封也可叫做备用密封，在 一级密封突然失效的情况下，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。其工作原理与 一级密封完全一样，结构上可实现互换使用。 第二级密封通入经过滤后的氮气作为二级密封缓冲 气，控制其压力比第一级密封泄漏气压力高几十KPa， 这样可确保工艺气不会泄漏到大气中 。因泄漏气为氮气 和隔离气中的油气，可直接放空。
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图4 串联式干气密封结构示意图
一级放空 一级密封气
二级密封气
二级放空
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2.1 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 8.1MPa的氮气做密封气源。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（压力超过8.1MPa） 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。
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3.1 开车注意事项 在开油循环之前，必须将隔离气通上，以保证油不 进如干气密封。 投密封气顺序，依次为隔离气、二级密封气、一级 密封气 。
针对103J待缸体压力达2.7MPa以上后方可对机组 进行盘车（建议手动盘车），以保护干气密封。
当机组达到最低工作转速时，需将一级密封气切换 为出口工艺气 。
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3.2 停车注意事项
当机组出口压力低于8.1MPa（机组达最低工作转速） 时，需将一级密封气切换为高压氮气。
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 。 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。
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4.4 机组反转 该机组高压缸有一进口、一出口和一循环段，在正 常运行情况下，高压缸进口压力约为7.5MPa左右，出 口最高可达15.4MPa，循环段最高约13MPa。当系统 在异常情况下停车，比如全系统晃电，事故发电机不能 立即启动，造成仪表空压机不能运行，所有仪表空气中 断的情况下，机组所有仪表控制阀门都不能动作，出口 工艺气会从合成塔反串回压缩机组，导致整个机组反转。 从干气密封运行原理出发，在反转情况下动静环之间不 仅不能形成气膜，反而有助于动静环贴合，导致干气密 封组件在较高反向转动下损坏。
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4 频繁泄漏原因分析
经过多次维修更换及运行情况综合分析，造 成频繁损坏的原因主要包括：
1、开停车程序，进油或低转速摩擦。
2、全厂晃电等意外事故，进油、带液等。 3、机组反转。 4、维修材质的选取，材质配对不适合机组工况 的运行要求。
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4.1 系统进油 从系统本身出发，导致进油的主要可能包括： 1、在启动油系统之前未通入隔离气。 2、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。 3、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。 4、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。
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2.3 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：
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1.3 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。
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2 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。
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干气密封问题分析及处理措施
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简 介
根据云南天安化工有限公司有限公司合成气压缩机
103J干气密封使用及维护情况总结，从以下几方面对 干气密封做简单介绍：
密封结构原理 使用维护总结 频繁泄漏原因分析 初步处理措施
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1结构
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。
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3.5.4 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。
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3.5.3 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。
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3.3 日常开停车事例
由于全厂突然晃电，造成干气密封进油而失效。 机组反转造成动静环损坏，导致密封失效，损坏磨损情况见图8所 示。 维修后动静环频繁损坏，几乎在每次停车过程（转速降至 1345RPM时），动静环贴合后瞬间高温并冲击致使碎裂损坏， 导致密封失效。损坏情况见图9所示。 综合分析，造成失效的最根本原因： 1、带液
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4.2 系统带液
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，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。 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 氨含量露点温度条件，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。
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4.3 盘车转速过高 该机组原始盘车转速为128RPM，按干气密封运 行原理，此转速不能使动静环处于开启状态，不能形成 气膜，从而导致干气密封在低转速下出现干磨现象。后 来将其电动盘车工具进行改造，将此转速降至7RPM。 但此情况只属于理论分析，无实际验证条件。为了减少 对动静环的磨损，只要保证转子处于盘车状态，先采用 手动盘车方式。
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图1 干气密封结构示意图
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1.1 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
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1.1.1 螺旋槽结构优缺点
优点： 1、气膜刚度强 2、气膜稳定 缺点：
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3.5.1 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，此处O型圈结构形式见图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，不需要更换干气密封。
O型圈上硅胶的合理使用。
装配前动静环的灵活情况检查。 装配前尺寸和转向的复核。
管路系统的吹扫检查。
更换结束后的升压试漏。
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3.5 干气密封常见问题
干气密封在开停车及运行过程中可能会 出现以下几种故障： 一级放空差压增大
二级放空差压增大
一级放空导淋有油或其他液体排出 二级放空导淋有油或其他液体排出
一级密封动静环磨损严重或损坏，必须更换干气密封。
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图10 静环座O型圈结构形式
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图11 憋压阀示意图
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3.5.2 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封。
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图5 隔离气密封结构示意图
隔离气Hale Waihona Puke Baidu
弹簧加固 分瓣石墨环
二级放空
油气放空
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2.4 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。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。