干气密封的诞生和应用

干气密封的诞生和应用
离心式压缩机作为气体输送、加压的高速旋转透平设备，其轴端密封在经历迷宫密封、浮环密封、油膜机械密封等三代密封形式后，已进入第四代密封——气体润滑端面密封，简称干气密封，其属于非接触式气体润滑机械密封。

干气密封即“干运转气体密封”( Dry Gas Seals) ，是一种典型的非接触式密封，基于流体动压效应而实现端面非接触的气体密封。

1968 年，英国的约翰克兰( John Crane) 公司申请了第一件干气密封专利。

1975年，约翰克兰公司设计并加工制造了第一套干气密封装置，将其成功地应用于海上气体输送设备。

目前干气密封已被广泛地应用于离心压缩机中。

干气密封动压螺旋槽一般加工在动环表面上，从外缘开始，逐渐向内螺旋扩展至一定距离，如图1所示，槽深一般为4 ～10 μm。

当动环随轴旋转时，密封气沿螺旋槽外缘被挤入槽内，密封端面上的螺旋槽并没有开通至密封面内缘，螺旋槽对吸入气产生泵送作用。

在槽根部，密封气体被不断压缩，并在端面反方向形成开启力。

开启力大于弹簧作用力和介质作用力共同形成的闭合力时，密封端面最终将被打开。

干气密封端面槽型发展至今种类繁多，但大体可以分为两类：单向槽和双向槽，如图2所示。

单向槽，对密封环的旋转方向有明确要求，不支持反转，运行过程中气膜稳定、刚度适中；双向槽，对密封环的旋转方向没有要求，支持反转，但是值得注意的是，在同等条件下，双向旋转密封端面所形成的气膜反力和气膜刚度较小、抗干扰能力也较差，变工况运行时，容易引发气膜失稳甚至破裂，造成介质泄漏和端面磨损。

双向螺旋槽干气密封失效的原因：1）80%以上的密封失效是由密封被污染引起的，包括：带液、杂质、带油等；
2）安装错误，如果安装人员在安装期间操作不当，例如密封组件未安装到位、锁紧螺母未锁紧、进出管线接口未清理干净等，很有可能导致密封环体或端面受到一定的影响。

3）操作问题，包括：长时间低速盘车暖机、频繁开停机、离心压缩机反转，密封排气背压过高等。

反向旋转在双向干气密封中是允许的，单向干气密封必须避免反向旋转。

反转：压缩机组正常工作时主轴维持在一定转速，密封端面之间形成一层气膜达到一种平衡状态。

主轴转速趋近于零时，螺旋槽形成的流体动压效应逐渐减弱，端面开启力远小于闭合力，端面处于闭合的状态。

如果主轴反转，密封槽根部还会产生负压效应，使动环与静环表面吸附得更紧，端面闭合状态加剧，严重损害端面形貌。

反压：往往发生在入口压力较低的压缩机组，如火炬线背压超过密封端面上游压力，会发生反压，密封端面无法打开。

4）机组/工艺条件差，包括：压缩机喘振、机组本身振动大、轴位移持续波动、机组联锁停车、工艺气不稳定等。

5）设计问题，包括：结构设计不合理、系统设计不合理、干气密封槽型设计不合理、干气密封管线设计不合理等。