静压式干气密封在苯乙烯装置尾气压缩机上的研究与应用

摘要：本文介绍了静压式干气密封的工作原理与结构型式，针对螺杆压缩机密封以往出现的问题，对转型升级项目60万吨/年苯乙烯装置尾气压缩机采用的静压式干气密封进行了研究，并取得了较好的效果，为以后静压式干气密封国产化与应用提供了宝贵的经验。

关键词  静压式干气密封：螺杆压缩机：应用

1 引言

螺杆压缩机轴端密封以前多采用碳环密封，密封气介质为蒸汽和氮气。碳环密封具有结构简单、维修方便，适应范围广、制造成本和维护成本低等特点。但经过大量的实际应用和后续理论分析发现，碳环密封使用效果并不理想，一是碳环密封相对于机械密封和干气密封等动密封装置的密封效果较差，因此通常用于密封无毒、无害介质，如空气、二氧化碳、氮气等，在某些高压、高温或有毒有害介质的工况下，碳环密封可能无法满足严格的密封要求。二是密封件的制造精度要求高，环的不同心度和端面不垂直度和表面粗糙度对密封性能有明显的影响。三是密封蒸汽消耗量大，在实际运行中，一台大型螺杆机组蒸汽的消耗量在3-4 Nm3/h左右，按平均蒸汽220元/Nm3，一年按8000 h计算，每年的用蒸汽成本高达700万元。四是碳环磨损严重，碳环密封运行寿命短，在化工生产实际应用中，碳环密封磨损是比较普遍的一个问题，运行不到一年以后碳环密封中的石墨环易产生明显的磨损痕迹，有些还出现较深的环以致造成凹槽，甚至出现碳环断裂的情况。

为解决碳环密封运行中的问题，我们综合了干气密封零泄漏与浮环密封结构简单易于维护的优点，创新地使用了静压式干气密封与浮环密封组合应用技术，并在苯乙烯装置尾气压缩机中得到应用。因此研究静压式干气密封运行机理并对其进行国产化，有着重要意义。

2 静压式干气密封的工作原理与结构

干气密封通常可以分为两个大类，分别为动压式干气密封和静压式干气密封。动压型干气密封，其主要是针对离心式压缩机等高速回转机械，在高速运转时，依靠被密封机组的旋转使压力上升，密封具有很强的动压效应，可以得到较大的开启力和气膜刚度，实现密封的稳定运行。如果机组转速过高或过低，特别是转速过低时，动压型干气密封将无法正常地非接触式运转。因此，研究一种不受机组主轴转速影响的干气密封产品，显得非常必要。

经过20多年的研制一种适用于低转速设备的静压干气密封在国外已发展到相当高的水平。静压干气密封的基础理论主要来源于静压气体润滑轴承理论。随着气体静压轴承的理论和技术不断深入，出现了大量关于气体静压轴承的文献，其中关于气体静压止推轴承的文献对静压气体机械密封的技术能提供直接的借鉴作用。TadashiKoga等在1984年研究了外部气源供气流体静压非接触机械密封性能以及其在极限工况下的应用，并对流体静压气体非接触机械密封进行了进一步研究，对端面的开启力以及力的平衡做了详细的分析计算，包括密封端面的压力分布，端面开启力和气膜刚度。通过实验研究，表明这种空气静压机械密封能实现低转速、低负载情况下的高刚度稳定运行。近年来，在国内越来越多的研究机构也开始着手对低转速设备静压干气密封进行研究。

静压干气密封可分为自加压式静压干气密封和外加压式静压干气密封两种形式。对于自加压式静压干气密封，在密封环的背部有提供气体的通道，产生静压的气体是设备输送的介质本身，不需要提供另外的气源。外加压式静压干气密封是利用外部提供的压缩气体（通常是空气或氮气）在密封端面形成气膜，从而防止工作介质的泄漏。这种密封方式不依赖于旋转部件的运动来形成密封气膜，而是通过外部气源的压力来实现密封效果。外加压式静压干气密封通常包括轴套、静环座、静环、动环、动环座和外端盖等部件，结构如图1所示。为了在密封的动、静环端面间形成具有一定刚度的气膜，密封端面的环形内开有若干个浅的均压槽，如图2所示，其作用是为了实现密封动、静环之间能够形成一个稳定的静压力，从而提高密封效果和稳定性；在每个均压槽中间开设置一个节流孔，密封气体通过密封环后部的气体通道后穿过节流孔进入密封端面之间，形成稳定的气体静压力，从而在密封端面之间形成一层厚度为微米级的气膜，实现非接触运行。外加压式静态干气密封由于主机起动以前就就通入了密封气，因此设备运转之前或停车之后，端面均处于非接触状态，从而可有效解决密封端面相互磨损的问题。由于转速对静压干气密封的开启力影响较弱，故静压干气密封可以在低速旋转设备中可靠稳定运行。

图1   静压式干气密封结构图    图2 干气密封端面均压槽结构图

3 静压式干气密封的优点

静压式干气密封主要优点（1）适用范围广，静压式干气密封无论机组转速的高、低均能稳定正常地运转，其密封端面的泄漏率、开启力、气膜刚度及厚度与被密封机组的转速关系不大；（2）节能降耗，干气密封的功率消耗小，仅为接触式机械密封的5%左右，同时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（3）使用寿命长，设备起动前已经形成气膜，完全消除了动静环之间的静摩擦力；（4）运行稳定，密封气由外部气源提供，密封性能基本不受设备本身输送的介质压力的影响，即使工艺操作波动大，密封仍能保持较好的密封性；（5） 维护成本低，尽管静压式干气密封的初始采购成本可能较高，但由于其相对较低的维护要求，长期来看其维护成本较低。特别是在高速应用中，静压式干气密封的维护需求明显少于传统机械密封。

4 静压式干气密封设计的要点

数值研究和实验研究都表明， 静压干气密封的节流器结构对其端面气膜的承载能力和气膜刚度影响显著。目前静压干气密封的节流器一般采用节流孔与均压槽组合的小孔节流器结构， 其中节流孔一般为圆形直孔，均压槽则以周向贯通环形均压槽居多，节流孔的出口侧与均压槽相连通，入口侧与进气孔连通，不过现有的节流器结构仍存在承载力较弱、 气膜刚度较低和易发生气锤自振失稳等问题。因此通过优化节流器结构，提高静压气体轴承与干气密封的气膜承载力和气膜刚度，从而改善其在低速条件下的运行性能，是当前静压干气密封设计的重点也是难点。国内关于静压干气密封的研究主要集中于采用不同数值方法求解雷诺方程或 N-S 方程以获得静压干气密封膜压分布，进而分析节流结构参数和工况参数对静压干气密封稳动态特性的影响。

5 静压式干气密封国产化设计及应用

吉林石化公司转型升级项目60万吨/年苯乙烯装置尾气压缩机为喷液无油润滑螺杆压缩机，螺杆直径816mm，吸气量75900m3/h,正常转速：3385r/min，设计入口温度39℃，出口温度：150℃，设计入口压力：0.02MPa（A）设计出口压力：0.19MPa（A）。密封气介质：氮气；尾气介质：H2、CO、CO2、水蒸气，另外含有少量的苯、甲苯、苯乙烯。该压缩机的主要作用是将脱氢反应单元中生成的氢气、二氧化碳、苯类等不凝气抽吸出去，以保证整个反应系统始终处于负压操作。尾气压缩机的密封主要用来隔离工艺气与润滑油系统。

该项目尾气压缩机的密封选用静压式干气密封+前后浮环密封型式。碳环密封是靠密封气体在浮环与轴套之间形成气膜，产生节流降压，阻止高压侧气体流向低压侧。静压干气密封主要用来隔离工艺气与润滑油系统。其结构如图3所示，该尾气压缩机静压干气密封装置包括:1前置碳环密封；2波纹弹簧；3碳环座；4梳齿密封；5静压干气密封；6轴套；7密封O型圈；8弹簧；9弹簧座；10压盖；11后置碳环密封；12碳环压板；13轴；14密封腔体；15压力取压点；16一级密封气入口；17密封气泄漏口；18后置隔离气；19二级泄漏口。

                     图3 静压式干气密封+前后浮环密封结构

从工艺侧由内而外，第一部分为由两道浮环密封组成的前置密封，该道密封不通入密封气，起着节流作用，主要用于减小主密封气串入介质侧气量，在碳环密封后在增加梳齿密封，与碳环密封共同作用，减小腔体中介质压力波动对干气密封的影响。中间主密封为静压式干气密封，密封气为系统管网供给的洁净氮气，其压力稳定，且高于介质最高压力，使得介质不能向外泄漏，氮气经过该密封后，一部分通过前置浮环密封，经减压后只有很少量的会进入工艺介质中，另外一部分氮气随同绝大部分二级密封泄漏气经一级泄漏出口排向大气。后部为二级密封，该密封也由两道浮环密封组成，隔离密封气为小压力大流量的氮气，压力略高于大气压力，其作用为阻止轴承润滑油窜入影响干气密封性能，此隔离氮气通过浮环密封后其中一部分经外部碳环进入油箱后放空到大气，另一部分经过内部碳环进入一级密封排气口。

6 结论

该螺杆压缩机静压式干气密封的应用，既满足了装置的使用需求，又节省设备日常消耗，经计算密封氮气需要量为112Nm3/h,氮气成本为1.4元/m3,全年氮气费用约125万元，相比碳环密封消耗一年可节约575万元。该密封使用寿命长，根据国外使用经验，其使用寿命可达5至8年，可节约大量备件费用。另外，国产静压式干气密封的成功也为其在高危介质泵、搅拌器等低转速的设备上的应用提供了良好的借鉴意义，应用前景十分广阔。

参考文献

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作者简介：李波(1971-)，男，吉林市人，中国石油吉林石化公司化肥厂一级工程师，现主要从事设备技术管理工作。