干氣密封問題分析及處理措施

11一月2023干氣密封問題分析及處理措施

11一月2023簡介

根據(jù)云南天安化工有限公司有限公司合成氣壓縮機103J干氣密封使用及維護情況總結(jié)，從以下幾方面對干氣密封做簡單介紹：密封結(jié)構(gòu)原理使用維護總結(jié)頻繁泄漏原因分析初步處理措施11一月20231結(jié)構(gòu)干氣密封主要由動環(huán)、靜環(huán)、軸套、靜環(huán)座、級間梳齒密封、O形圈、彈簧及殼體等零部件構(gòu)成，另外還輔助了相關(guān)的裝拆專用工具。常用的干氣密封分為油封組件（與軸承緊密相連，主要起隔離油氣的作用）、一級密封組件和二級密封組件，其主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。11一月2023圖1干氣密封結(jié)構(gòu)示意圖11一月20231.1動環(huán)結(jié)構(gòu)形式動環(huán)通常有螺旋槽和梯形槽兩種結(jié)構(gòu)形式，槽深小于10微米。主要形狀見圖2、圖3所示。

圖2螺旋槽結(jié)構(gòu)圖3梯形槽結(jié)構(gòu)11一月20231.1.1螺旋槽結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點優(yōu)點：

1、氣膜剛度強

2、氣膜穩(wěn)定缺點：

1、無防反轉(zhuǎn)功能由于其自身優(yōu)點，目前使用較廣泛11一月20231.1.2梯形槽結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點優(yōu)點：

1、結(jié)構(gòu)的對稱性，具有防反轉(zhuǎn)功能缺點：

1、氣膜剛度不如螺旋槽結(jié)構(gòu)強

2、氣膜不如螺旋槽結(jié)構(gòu)穩(wěn)定綜合因素決定，目前使用較少11一月20231.2彈簧單彈簧產(chǎn)生的彈簧力較大，安裝簡單，較少因為安裝問題導(dǎo)致干氣密封失效，但產(chǎn)生的彈簧力不夠均勻，一旦失效將導(dǎo)致整個干氣密封失效。多彈簧產(chǎn)生的彈簧力較均勻，更穩(wěn)定，且一個彈簧失效還有其他彈簧起到保護作用，但安裝不方便。目前多彈簧使用范圍較廣11一月20231.3動靜環(huán)材質(zhì)配合硬對硬配合，動環(huán)為碳化硅，靜環(huán)為碳化硅并經(jīng)表面涂覆DLC處理，以FLOWSERVE制造廠為代表。硬對軟配合，動環(huán)為硬質(zhì)合金或氮化硅，靜環(huán)為石墨（較軟且具有自潤滑性），以約翰克蘭制造廠為代表。11一月20232工作原理

多采用串聯(lián)式干氣密封，其結(jié)構(gòu)見圖4所示，相當(dāng)于前后串聯(lián)布置的兩組單端面干氣密封。第一級干氣密封為主密封，承受全部差壓。第二級干氣密封為輔助完全密封，通常情況在很低的壓差下工作。由于其摩擦副始終保持在非接觸狀態(tài)下運行，沒有任何磨損，故能夠一直處于理想的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。在第一級密封失效時會迅速的做出反應(yīng)起到密封作用，達到一級密封泄漏緊急停車過程臨時密封效果。11一月2023圖4串聯(lián)式干氣密封結(jié)構(gòu)示意圖一級密封氣二級密封氣一級放空二級放空11一月20232.1一級密封工作原理一級密封也叫主密封，當(dāng)機組達到一定工作轉(zhuǎn)速時，密封氣沿動環(huán)槽進入動靜環(huán)之間形成剛度較強的氣膜，從而阻止工藝氣的泄漏。在機組未達到最低工作轉(zhuǎn)速時，一級密封氣用8.1MPa的氮氣做密封氣源。當(dāng)機組達到最低工作轉(zhuǎn)速后，從機組出口端引出的工藝氣體（壓力超過8.1MPa）經(jīng)過濾、調(diào)壓后作為其密封氣源，其少量泄漏氣送火炬燃燒（因含少量合成氣），一級密封氣源多數(shù)進入壓縮機缸體內(nèi)部，作為機組工藝氣循環(huán)。11一月20232.2二級密封工作原理串聯(lián)是干氣密封的二級密封也可叫做備用密封，在一級密封突然失效的情況下，可阻止工藝氣泄漏，保證機組緊急停車過程不會有工藝氣體泄漏。其工作原理與一級密封完全一樣，結(jié)構(gòu)上可實現(xiàn)互換使用。第二級密封通入經(jīng)過濾后的氮氣作為二級密封緩沖氣，控制其壓力比第一級密封泄漏氣壓力高幾十KPa，這樣可確保工藝氣不會泄漏到大氣中。因泄漏氣為氮氣和隔離氣中的油氣，可直接放空。11一月20232.3級間梳齒密封及隔離氣密封原理級間梳齒密封一、二級密封間加入一級迷宮密封，減少二級緩沖氮氣的消耗量。隔離氣密封干氣密封的后端（軸承端）采用梳齒密封或者碳環(huán)制作的隔離氣密封組件，引入略高于軸承箱壓力的氮氣，其作用是避免軸承箱中的潤滑油進入干氣密封內(nèi)。結(jié)構(gòu)形式見圖5所示：11一月2023圖5隔離氣密封結(jié)構(gòu)示意圖隔離氣分瓣石墨環(huán)彈簧加固油氣放空二級放空11一月20232.4以螺旋槽為例介紹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。密封運轉(zhuǎn)時，被密封氣體周向吸入螺旋槽內(nèi)，徑向分量由外徑朝中心（低壓側(cè)）流動，限制氣體流向低壓側(cè)。氣體隨著螺旋槽截面形狀的變化被壓縮，在槽根部形成局部高壓區(qū)，使端面分開幾微米（3-5微米）而形成一定厚度的氣膜。在此厚度氣膜下，由氣膜作用力形成的開啟力與由彈簧力和介質(zhì)作用力形成的閉合力達到平衡，于是密封實現(xiàn)非接觸運轉(zhuǎn)。氣膜形成見圖6所示，在正常情況下，密封的閉合力等于開啟力。當(dāng)受到外來干擾（如工藝或操作波動），氣膜厚度變小，則氣體的粘性剪力增大，螺旋槽產(chǎn)生的流體動壓效應(yīng)增強，促使氣膜壓力增大，開啟力隨之增大，為保持力平衡密封恢復(fù)到原來的間隙，反之則反。其作用力見圖7所示。11一月2023圖6氣膜形成示意圖11一月2023圖7動靜環(huán)受力圖11一月20233使用及維護干氣密封的使用主要包括開、停車及正常運行三個過程，尤其是開停車過程對干氣密封的可靠性及使用壽命影響最為明顯。正常運行中應(yīng)密切關(guān)注工藝負(fù)荷波動對密封的影響。維護過程主要為干氣密封的現(xiàn)場整體更換過程。11一月20233.1開車注意事項在開油循環(huán)之前，必須將隔離氣通上，以保證油不進如干氣密封。投密封氣順序，依次為隔離氣、二級密封氣、一級密封氣。針對103J待缸體壓力達2.7MPa以上后方可對機組進行盤車（建議手動盤車），以保護干氣密封。當(dāng)機組達到最低工作轉(zhuǎn)速時，需將一級密封氣切換為出口工藝氣。11一月20233.2停車注意事項當(dāng)機組出口壓力低于8.1MPa（機組達最低工作轉(zhuǎn)速）時，需將一級密封氣切換為高壓氮氣。停車后需將油循環(huán)全部停止，且高位油箱油全部回完后，方可停密封氣。密切注意晃電情況的停車，可能出現(xiàn)密封氣瞬間中斷的情況，設(shè)立增壓系統(tǒng)防止此情況的發(fā)生。11一月20233.3日常開停車事例由于全廠突然晃電，造成干氣密封進油而失效。機組反轉(zhuǎn)造成動靜環(huán)損壞，導(dǎo)致密封失效，損壞磨損情況見圖8所示。維修后動靜環(huán)頻繁損壞，幾乎在每次停車過程（轉(zhuǎn)速降至1345RPM時），動靜環(huán)貼合后瞬間高溫并沖擊致使碎裂損壞，導(dǎo)致密封失效。損壞情況見圖9所示。綜合分析，造成失效的最根本原因：

1、帶液

2、反轉(zhuǎn)

3、動靜環(huán)材質(zhì)11一月2023圖8反轉(zhuǎn)磨損情況示意圖11一月2023圖9頻繁損壞情況示意圖11一月20233.4維護總結(jié)更換驅(qū)動端干氣密封，大約需要40小時。更換非驅(qū)動端干氣密封，大約需要60小時。同時更換驅(qū)動端和非驅(qū)動端干氣密封，大約需要65小時。在拆裝時密切注意三個對位記號，動環(huán)與殼體、殼體與轉(zhuǎn)子、殼體與缸體（轉(zhuǎn)子與缸體）之間的對位記號。O型圈上硅膠的合理使用。裝配前動靜環(huán)的靈活情況檢查。裝配前尺寸和轉(zhuǎn)向的復(fù)核。管路系統(tǒng)的吹掃檢查。更換結(jié)束后的升壓試漏。11一月20233.5干氣密封常見問題干氣密封在開停車及運行過程中可能會出現(xiàn)以下幾種故障：一級放空差壓增大二級放空差壓增大一級放空導(dǎo)淋有油或其他液體排出二級放空導(dǎo)淋有油或其他液體排出11一月20233.5.1一級放空差壓增大問題判斷

因為一級放空主要是二級密封氣的放空，然而二級密封氣是通過一、二級級間梳齒傳遞。若一級放空差壓增大，可能是由于：一、二級級間梳齒磨損，導(dǎo)致二級緩沖氣更多的通往一級放空。判斷此問題可在機組停機狀態(tài)下短時間中斷二級密封氣源，看一級放空差壓變化情況。靜環(huán)座后端O型圈有卡澀現(xiàn)象，此處O型圈結(jié)構(gòu)形式見圖10所示。解決此問題可通過憋壓法（一級放空處有一憋壓閥門，見圖11所示）瞬間憋壓解決，不需要更換干氣密封。一級密封動靜環(huán)磨損嚴(yán)重或損壞，必須更換干氣密封。11一月2023圖10靜環(huán)座O型圈結(jié)構(gòu)形式11一月2023圖11憋壓閥示意圖11一月20233.5.2二級放空差壓增大問題判斷因為二級放空主要是隔離氣的放空，少量二級泄漏氣的放空。若二級放空差壓增大，可能是由于：隔離氣密封效果變差，需對隔離氣密封進行檢查處理。如：隔離氣密封組件碳環(huán)間隙變大；碳環(huán)有磨損、損壞等情況發(fā)生。二級密封動靜環(huán)磨損嚴(yán)重或損壞，造成二級密封氣源大量從二級密封處泄漏。這種情況和一級密封組件故障一樣，需要更換此套干氣密封。11一月20233.5.3一級放空導(dǎo)淋有油或其他液體排出一級放空導(dǎo)淋按要求是不能有任何油污及其他任何液體排出的，否則此套干氣密封肯定失效。若出現(xiàn)油及其他液體，說明二級密封組件肯定有油存在，這樣二級密封動靜環(huán)肯定不能打開而損壞。所排出來的油也一定是從潤滑油中串到二級密封內(nèi)部，再從一級放空排出，部分油還會進入一級密封組件里邊，造成一級密封失效。首先必須檢查隔離氣密封組件，同時必須對整套干氣密封組件進行更換，更換新的干氣密封組件之前，需脫脂吹掃整個干氣密封管路系統(tǒng)，保證系統(tǒng)不帶任何液體及其他雜質(zhì)。另外，若有液體排出，有可能是一級放空失效，導(dǎo)致工藝氣（工藝氣本身帶液）從一級放空泄漏出來。同時也可能是二級緩沖氣帶液造成?？傊坏┌l(fā)現(xiàn)一級放空導(dǎo)淋有油或液體排出，都必須更換整套干氣密封組件。11一月20233.5.4二級放空導(dǎo)淋有油或其他液體排出二級放空有油排出，最有可能的原因是隔離氣隔離油的效果不好，隨著油氣帶入二級放空。若二級放空導(dǎo)淋有少量油排出是正常的，但量不能多，少量存油時間也不能太長，否則將會帶入二級密封動靜環(huán)之間，造成二級密封失效。在量的控制上多數(shù)是通過經(jīng)驗判斷，從安全方面考慮，最好更換整套干氣密封組件，送出檢查清洗后做密封試驗。二級放空有液體排出，可能是二級密封氣有帶液現(xiàn)象，同時也可能是隔離氣帶液造成。需要更換整套干氣密封組件，也包括隔離氣密封組件。11一月20234頻繁泄漏原因分析經(jīng)過多次維修更換及運行情況綜合分析，造成頻繁損壞的原因主要包括：

1、開停車程序，進油或低轉(zhuǎn)速摩擦。

2、全廠晃電等意外事故，進油、帶液等。

3、機組反轉(zhuǎn)。

4、維修材質(zhì)的選取，材質(zhì)配對不適合機組工況的運行要求。11一月20234.1系統(tǒng)進油從系統(tǒng)本身出發(fā)，導(dǎo)致進油的主要可能包括：

1、在啟動油系統(tǒng)之前未通入隔離氣。

2、機組突然停車，密封氣及隔離氣突然中斷，油系統(tǒng)未及時停止。

3、全廠晃電，油系統(tǒng)和密封氣系統(tǒng)均停止，但晃電過程中高位油箱的油還繼續(xù)往機組提供潤滑油，從而導(dǎo)致油進入密封系統(tǒng)。

4、隔離氣密封組件損壞，此組件失效而導(dǎo)致油進入干氣密封系統(tǒng)。11一月20234.2系統(tǒng)帶液氮氣系統(tǒng)帶液，此情況僅可能發(fā)生在啟動過程中，因此時才使用氮氣作為密封氣，正常開車過程不使用此氣體。到目前為止還未因氮氣系統(tǒng)帶液而出現(xiàn)問題。停車過程中，機組密封氣使用壓縮機出口工藝氣，隨著機組停車，壓力降低，溫度下降，當(dāng)溫度下降至此氨含量露點溫度條件，產(chǎn)生液化現(xiàn)象，導(dǎo)致整個密封氣帶液，這是整個干氣密封帶液的最大可能。11一月20234.3盤車轉(zhuǎn)速過高該機組原始盤車轉(zhuǎn)速為128RPM，按干氣密封運行原理，此轉(zhuǎn)速不能使動靜環(huán)處于開啟狀態(tài)，不能形成氣膜，從而導(dǎo)致干氣密封在低轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)干磨現(xiàn)象。后來將其電動盤車工具進行改造，將此轉(zhuǎn)速降至7RPM。但此情況只屬于理論分析，無實際驗證條件。為了減少對動靜環(huán)的磨損，只要保證轉(zhuǎn)子處于盤車狀態(tài)，先采用手動盤車方式。11一月20234.4機組反轉(zhuǎn)該機組高壓缸有一進口、一出口和一循環(huán)段，在正常運行情況下，高壓缸進口壓力約為7.5MPa左右，出口最高可達15.4MPa，循環(huán)段最高約13MPa。當(dāng)系統(tǒng)在異常情況下停車，比如全系統(tǒng)晃電，事故發(fā)電機不能立即啟動，造成儀表空壓機不能運行，所有儀表空氣中斷的情況下，機組所有儀表控制閥門都不能動作，出口工藝氣會從合成塔反串回壓縮機組，導(dǎo)致整個機組反轉(zhuǎn)。從干氣密封運行原理出發(fā)，在反轉(zhuǎn)情況下動靜環(huán)之間不僅不能形成氣膜，反而有助于動靜環(huán)貼合，導(dǎo)致干氣密封組件在較高反向轉(zhuǎn)動下?lián)p壞。11一月20234.5維修材質(zhì)的選取硬對硬配合，有DLC涂覆層，機組頻繁停車情況下，會導(dǎo)致涂覆層瞬間受沖擊力而脫落，同時在高壓區(qū)運行情況下也可能會導(dǎo)致涂覆層脫落，其次對涂覆層的加工方面也不能驗證。具有一定安全隱患。硬對硬配合，無任何涂覆層，這種方式不能頻繁開停車。硬對軟配合，石墨本身有自潤滑性，同時脆性不如碳化硅和氮化硅，更可靠、更安全。目前正使用此種配對方式。11一月20235處理措施通過運行、維修、裝配等方面總結(jié)，得出有效的解決辦法及處理措施，在下一步的運行維護中還將繼續(xù)加以總結(jié)，得出更全面、更有效、更可靠的處理措施。11一月20235.1停車過程密封氣投用更改經(jīng)過干氣密封開停車過程及實際操作參數(shù)分析，一級孔板壓差是影響其泄漏的主要原因。經(jīng)討論決定增大其高壓缸一級進氣壓差，從原來的69KPa增加至90KPa。具體調(diào)整過程見表1及表2：11一月2023表1原始一級進氣壓差參數(shù)一覽表

11一月2023表2更改后一級進板壓差參數(shù)一覽表

11一月20235.2干氣密封維修經(jīng)驗總結(jié)缸體壓力影響材質(zhì)配對影響開停車檢測過程11一月20235.2.1缸體壓力影響損壞頻繁出現(xiàn)在高壓缸，經(jīng)過分析，由于高壓缸壓力較高，機組在停車過程中出口壓力較高，機組轉(zhuǎn)速在1345rpm時致使動靜環(huán)瞬間貼合，干磨損壞。但低壓缸壓力較低，不會導(dǎo)致動靜環(huán)在較大沖擊力下貼合。11一月20235.2.2材質(zhì)影響（硬對硬一）

FOWSERVE原廠硬對硬材質(zhì)，動環(huán)為氮化硅，靜環(huán)為碳化硅并經(jīng)表面涂覆DLC處理，此種配對的好處在于，機組停車過程中，動靜環(huán)貼合瞬間摩擦力較小，且耐磨損能力也較好。但是此種配對方式對靜環(huán)涂覆DLC的特殊性，如果遇到頻繁啟停、長時間低速運行或雜質(zhì)進入摩擦副端面等非正常運行情況時，可能會造成DLC涂層局部脫落；另外，DLC涂層本身也存在加工制作時出現(xiàn)不穩(wěn)定問題，在長時間大摩擦力下運行也可能會造成DLC涂層的局部脫落（產(chǎn)品加工好后，因涂層很薄，無法檢驗DLC涂層與碳化硅本體粘結(jié)強度）。此種配對及加工方式具有較大的風(fēng)險，1、降低干氣密封是使用壽命，2、脫落的DLC涂覆層碎片硬度較高，機組開車過程中轉(zhuǎn)速較高，若掉到軸上形成如車刀一般，會造成轉(zhuǎn)子嚴(yán)重?fù)p壞。11一月20235.2.3材質(zhì)影響（硬對硬二）對磨損嚴(yán)重或損壞的干氣密封送四川日機密封件有限公司維修，更換動靜環(huán)后未對靜環(huán)做涂覆層處理，發(fā)現(xiàn)每次停車都會導(dǎo)致動靜環(huán)嚴(yán)重?fù)p壞，直接碎裂成細小碎片，這樣的密封便成為了一次性消耗品（成本較高），說明靜環(huán)無涂覆層的干氣密封是不可行的解決方案。11一月20235.2.4材質(zhì)影響（硬對軟）動環(huán)為氮化硅，靜環(huán)更改為石墨，首先石墨相對碳化硅更耐沖擊，其次石墨自身具有自潤滑功能（不需對靜環(huán)做涂覆層處理），但石墨耐磨損能力不如碳化硅?；谝陨蟽蓚€優(yōu)點，對更換的干氣密封維修進行了材質(zhì)更換處理，并安裝更換試用，發(fā)現(xiàn)硬對軟配對方式的干氣密封已經(jīng)歷了連續(xù)7次開停車過程，目前還在使用當(dāng)中，未