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干气密封结构原理及维护检修机械维修公司2017.9.18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：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。一、干气密封概述二、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、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二级密封气一级放空二级放空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。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。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：隔离气分瓣石墨环弹簧加固油气放空二级放空图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。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。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。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（1μm），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！2、测量、报警及联锁①密封气与参考气管工艺气（一般为平衡管压力）差压：由差压变送器测量，低报（报警、联锁）②过滤器堵塞：由差压变送器测量缓冲气过滤器前后差压，高报隔离气压力：由压力变送器测量，低报泄漏气压力：由压力变送器测量，高报泄漏气流量：流量计测量，高报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）开车注意事项①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。②投密封气顺序，依次为隔离气、二级密封气、一级密封气？③缸体压力达干气密封要求的工作压力后方可对机组进行盘车（建议手动盘车（低速）），以保护干气密封。④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。2）停车注意事项①当机组出口压力低于干气密封要求的工作压力（机组达最低工作转速）时，需将一级密封气切换为高压氮气。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，导致密封失效，损坏磨损情况见图8所示。③维修后动静环频繁损坏，几乎在每次停车过程（转速降至一定转速时），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②反转③动静环材质问题图8反转磨损情况示意图图9频繁损坏情况示意图4）维护总结①更换驱动端干气密封，大约需要40小时。②更换非驱动端干气密封，大约需要60小时。③同时更换驱动端和非驱动端干气密封，大约需要65小时。④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（注意传动销、防转销装配到位）。⑤O型圈上硅胶的合理使用。⑥装配前动静环的灵活情况检查。⑦装配前尺寸和转向的复核。⑧管路系统的吹扫检查。⑨更换结束后的升压试漏。5）干气密封常见故障分析及处理措施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。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。①系统进油从系统本身出发，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。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。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。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