干气密封的选用及失效分析

干气密封的选用及失效分析
文章介绍干气密封的结构及工作原理，分析干气密封的排列方式及使用条件，给出干气密封的选用原则；分析干气密封失效的原因并给出相应的防范措施。

干气密封的选用主要根据要密封的介质的组分、压力、温度以及压缩机转速等条件。

导致干气密封失效的原因主要有设计不合理、密封气质量差、密封控制系统故障等。

标签：干气密封；选用原则；失效分析
1 引言
干气密封是一种新型的非接触式机械密封，用于密封旋转机器中的气体或液体介质。

与其它密封相比，干气密封具有泄漏量少，磨损小，寿命长，能耗低，操作简单可靠，维修量低，被密封的流体不受油污染等特点。

因此，在压缩机应用领域，干气密封正逐渐替代浮环密封、迷宫密封和油润滑机械密封。

干气密封使用的可靠性和经济性已经被许多工程应用实例所证实。

目前，干气密封主要用在离心式压缩机、轴流式压缩机、螺杆压缩机和透平膨胀机上。

干气密封已经成为压缩机正常运转和操作可靠的重要部件。

本文主要叙述压缩机干气密封机构特点、原理、选用原则及密封失效分析。

2 干气密封基本结构
3 干气密封工作原理
干气密封即Dry gas seal，是将流体润滑理论用于气体密封的一种新型轴端密封。

其作用原理：当端面外侧开设有流体动压槽（2.5～10？滋m）的动环旋转时，流体动压槽把外径侧（称之为上游侧）的高压气体泵入密封端面之间，由外径至内径处气膜压力逐渐增加，当端面膜压增加所形成的开启力大于或等于作用在密封环上的闭合力时，便在摩擦副之间形成很薄的一层气膜（2～5？滋m）从而使密封工作在非接触状态下。

所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道，实现了密封介质的零泄漏或零逸出。

4 干气密封的选用
4.1 基本结构形式及适用条件
4.1.1 单端面密封结构
如图3，其结构是安装在旋转轴上的动环与安装在机壳内的静环组成一对摩擦副，与普通的机械密封结构相近，在静环的背面有弹簧的推力，压缩机静止时
使得动静环始终保持接触，但是，在动环摩擦面上加工有气体润滑槽，当压缩机旋转时带动动环旋转，在气体润滑槽内气体压力升高的作用下，推开静环，在动静环之间形成稳定的气膜。

由于在动环内孔以及静环内孔处有O形圈，当密封腔内气体有压力时不会泄漏。

另外，在干气密封腔室内侧还有梳齿密封，当在该梳齿密封与干气密封之间通入比压缩机入口压力高的密封气时，该气体绝大部分流经梳齿密封进入压缩机内部，将压缩机内的气体阻挡在梳齿内侧，完成对压缩机内的气体的密封要求；只有极少的密封气体泄漏到密封腔室之外的火炬管路。

上述结构组成一套独立的密封单元，可完成对工艺气体的阻封功能。

一套密封单元组成的干气密封称为单端面干气密封。

常用于无毒、无爆炸危险的气体的密封，如，化肥厂的二氧化碳压缩机常选用这种干气密封。

4.1.2 不带中间迷宫密封的串联密封结构
如图4，在串联结构中，两个单端面密封前后串联放置形成两级密封。

介质侧的密封（一级密封）承受了密封气与火炬气之间的全部压差，大气侧密封（二级密封）是安全备用密封，当介质侧密封失效时，大气侧密封承担全部压差，确保安全停机检修。

介质侧密封和大气侧密封之间的泄漏通过接口“B”引到火炬烧掉，对“B”口排气量或者排气压力的检测是监视密封运行状态的唯一方法。

大气侧密封所承受的压力与火炬压力相同，因此介质泄漏到大气侧和到排气口的量非常小。

正是由于这种微小的密封气泄漏决定了这种密封不能在泄漏量为零的严苛条件下选用。

但是，在输气管线压缩机上几乎无一例外地采用这种密封，这也和偏远的输气管线现场没有氮气源有关。

其安全性和可靠性與带中间迷宫密封的串联密封相同，而初投资和运行成本明显低于带中间迷宫密封的串联密封。

4.1.3 带中间迷宫密封的串联密封结构
如果工艺介质不允许泄漏到大气中和缓冲气体不允许泄漏到工艺介质中，此时串联结构的两级密封间增加迷宫密封。

此种结构的密封工作时，泄漏的工艺气体通过接口“B”排到火炬。

同时，在大气侧密封通过接口“C”冲入缓冲气体（通常为氮气）。

缓冲气体的压力高于火炬气管路的压力，保证有连续的气流通过迷宫密封到火炬的出口，阻封了一级密封泄漏的密封气，也为二级密封提供了润滑和冷却的气体。

这种密封是当前唯一可以应用于所有场合的密封形式。

但是，这种密封造价高、运行成本高，尤其是压缩机压力很低的场合如果选用这种密封，其运行成本大大高于下面介绍的双端面干气密封（如图5）。

4.1.4 双端面密封结构
此结构，典型的应用是不允许介质泄漏到大气侧，主要用于石油化工行业和其他有害气体压缩机。

双端面密封是一种有效地防止介质气体逃逸到周围环境中的密封结构。

它将两个独立的单端面干气密封安装在一个密封座的两侧，其中两个静环相对（或者说两个动环相背）。

在两道密封之间通过接口“C”加一个比介质压力高的密封气体
（一般缓冲气体的压力比介质压力高0.2MPa、通常为氮气）。

密封缓冲气体一部分泄漏到大气，另部分泄漏到介质中。

这种密封安全、可靠、初投资少、广泛用于压力较低的压缩机上，如小于2MPa的催化、裂化、焦化、冷冻压缩机，尤其是各种冷冻压缩机上其运行成本远远低于其他种密封形式，一年节省的运行费用至少可以回收全部密封及其系统的投入。

其弱点是只能应用于压力较低的压缩机，这也和这种密封必须使用氮气，而石化企业一般都有低压氮气，却不一定有高压氮气，限制了它的应用（如图6）。

以博格曼干气密封DGS20 及PDGS10系列为例，列出干气密封的适用条件：
DGS20系列：最大压力可承受10Mpa，温度可承受-20℃～200℃；
PDGS10 系列：最大压力可承受45Mpa，温度可承受-170℃～230℃。