【壓縮機(jī)網(wǎng)】隨著石油化工行業(yè)對(duì)離心壓縮機(jī)的性能要求越來(lái)越高，對(duì)軸封的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。過(guò)去，國(guó)內(nèi)使用較多的是機(jī)械浮環(huán)組合密封或者是雙端面機(jī)械密封，它們都是通過(guò)密封潤(rùn)滑油來(lái)達(dá)到密封氣體的目的。這類密封有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，即要求有復(fù)雜的密封油系統(tǒng)，能耗較大，而且必然有少量的密封油泄漏后進(jìn)入工藝氣體。干氣密封即“干運(yùn)轉(zhuǎn)氣體密封”（Dry Running gas seals）的出現(xiàn)，是密封技術(shù)的一次革命，氣體密封的難題得以解決，而不會(huì)再受到密封潤(rùn)滑油的限制。
早在20世紀(jì)60年代末期，奠定在氣體動(dòng)壓軸承應(yīng)用的基礎(chǔ)上，干氣密封發(fā)展起來(lái)，并成為一種全新的非接觸式密封。該密封利用流體動(dòng)力學(xué)原理，通過(guò)在密封端面上開(kāi)設(shè)動(dòng)壓槽而實(shí)現(xiàn)密封端面的非接觸性運(yùn)行。z*初，采用干氣密封形式，主要為了改善高速離心壓縮機(jī)的軸封問(wèn)題。
由于密封采取非接觸性的運(yùn)行方式，因此其密封的摩擦副材料基本不會(huì)受到PV值的任何影響，尤其在高壓設(shè)備、高速設(shè)備中應(yīng)用，具有良好前景。隨著我國(guó)密封技術(shù)的飛速發(fā)展，再加上干氣密封的廣泛應(yīng)用，徹底解決了困擾高速離心壓縮機(jī)運(yùn)行中的軸封問(wèn)題，密封使用壽命及性能都得到了很大提高，為機(jī)組穩(wěn)定，長(zhǎng)周期運(yùn)行提供了保證，因此該技術(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，凡使用機(jī)械密封的場(chǎng)合均可采用干氣密封。

　　一、干氣密封的工作原理
干氣密封是一種新型的非接觸式軸封，其中以螺旋槽密封z*為典型。由于干氣密封屬于非接觸式密封，基本上不受PV值的限制，因此干氣密封特別適合作為在高速高壓條件下的大型離心壓縮機(jī)軸封。干氣密封的出現(xiàn)，是密封技術(shù)的一次革命，氣體密封的難題從此得以解決，而不再會(huì)受到密封潤(rùn)滑油的限制。其所需的氣體控制系統(tǒng)比油膜密封的油系統(tǒng)要簡(jiǎn)單得多。
與浮環(huán)密封相比，干氣密封有以下主要優(yōu)點(diǎn)：
（1）省去了密封油系統(tǒng)及用于驅(qū)動(dòng)密封油系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的附加功率負(fù)荷；（2）大大減少了計(jì)劃外維修費(fèi)用和生產(chǎn)停車；（3）避免了工藝氣體被油污染的可能性；（4）密封氣體泄漏量小；（5）維護(hù)費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性好；（6）密封驅(qū)動(dòng)功率消耗小；（7）密封壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠；（8）干氣密封技術(shù)應(yīng)用到的輔助系統(tǒng)較為可靠，操作簡(jiǎn)單，在使用過(guò)程中不需要任何維護(hù)手段。
1、干氣密封的工作原理
與其它機(jī)械密封相比，干氣密封在結(jié)構(gòu)方面基本相同。其主要區(qū)別在于，干氣密封的一個(gè)密封環(huán)上面加工有均勻分布的淺槽，干氣密封能在非接觸狀態(tài)下運(yùn)行就是靠這些淺槽在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)使密封面分開(kāi)。
干氣密封端面的槽形主要分單旋向和雙旋向兩大類。
單旋向槽型只可使用于單向旋轉(zhuǎn)的機(jī)組，在要求的旋向下才可產(chǎn)生開(kāi)啟力，如反轉(zhuǎn)則產(chǎn)生負(fù)的開(kāi)啟力而可能導(dǎo)致密封的損壞。但相對(duì)于雙旋向的槽型，它可形成更大的開(kāi)啟力和氣膜剛度，產(chǎn)生更高的穩(wěn)定性而更可靠的防止端面接觸。故在很低的轉(zhuǎn)速下和較大的振動(dòng)下也可使用。在目前的壓縮機(jī)組上使用z*多。常見(jiàn)的主要有以下幾種：

　　雙旋向槽型無(wú)旋向要求，正反轉(zhuǎn)皆可使用。機(jī)組的反轉(zhuǎn)不會(huì)造成密封的損壞。其使用范圍較單旋向槽寬，但其穩(wěn)定性、抗干擾能力較單旋向差。常見(jiàn)有以下幾種：
 

　　通過(guò)對(duì)干氣密封各種槽型的反復(fù)試驗(yàn)，對(duì)比研究，z*終確認(rèn)在同樣的工作參數(shù)下，以螺旋線設(shè)計(jì)的槽型具有z*大的氣膜剛度的同時(shí)僅有較小的泄漏量，即具有z*大的剛漏比。下面主要介紹這種槽型。
下圖所示是典型的干氣密封螺旋槽端面的示意圖。密封面上加工有一定數(shù)量的螺旋槽，其深度小于10微米。密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，被密封氣體周向吸入螺旋槽內(nèi)，徑向分量由外徑朝中心（即低壓側(cè)）流動(dòng)，而密封壩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，在槽根部形成局部的高壓區(qū)，使端面分開(kāi)3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(kāi)啟力與由彈簧力和介質(zhì)作用力形成的閉合力達(dá)到平衡，于是密封實(shí)現(xiàn)非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)。干氣密封的密封面間形成的氣膜具有一定的正剛度，保證了密封運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。為了獲得必要的流體動(dòng)壓效應(yīng)，動(dòng)壓槽必須開(kāi)在高壓側(cè)。

　　下圖所示為螺旋槽干氣密封的作用力圖，從圖上可以看出氣膜剛度是如何保證密封運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的。在正常情況下，密封的閉合力等于開(kāi)啟力。當(dāng)受到外來(lái)干擾（如工藝或操作波動(dòng)），氣膜厚度變小，則端面間的壓力就會(huì)升高，這時(shí)，開(kāi)啟力Fo大于閉合力Fc，端面間隙自動(dòng)加大，直至平衡為止。
 

　　反之，密封受到干擾氣膜厚度增大，則端面間的壓力就會(huì)降低，這時(shí)，閉合力Fc大于開(kāi)啟力Fo，端面間隙自動(dòng)減小，密封會(huì)很快達(dá)到新的平衡狀態(tài)。因此，只要在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，當(dāng)外來(lái)干擾消除后，密封總能恢復(fù)到設(shè)計(jì)的工作間隙，即干氣密封具有自我調(diào)節(jié)的功能而保證運(yùn)行穩(wěn)定可靠。衡量密封穩(wěn)定性的主要指標(biāo)就是密封產(chǎn)生氣膜剛度的大小，氣膜剛度是氣膜作用力的變化與氣膜厚度的變化之比，氣膜剛度越大，表明密封的抗干擾力越強(qiáng)，密封運(yùn)行越穩(wěn)定。

2、干氣密封的典型結(jié)構(gòu)
對(duì)于不同的工況條件，可采用不同的干氣密封總體結(jié)構(gòu)形式。實(shí)際應(yīng)用中，干氣密封有下面四種結(jié)構(gòu)形式：
（1）單端面密封
 

　　單端面密封主要用于不屬于危險(xiǎn)性的氣體，即允少量介質(zhì)氣體泄漏到大氣環(huán)境中的場(chǎng)合。密封所用氣體為工藝氣本身。國(guó)內(nèi)引進(jìn)機(jī)組中的二氧化碳?jí)嚎s機(jī)多用此種類型。
（2）串聯(lián)密封
串聯(lián)式干氣密封是一種操作可靠性較高的密封結(jié)構(gòu)，典型應(yīng)用是允許少量介質(zhì)氣體泄漏到大氣中的工況。在石油化工企業(yè)的引進(jìn)機(jī)組中使用較多。
一套串聯(lián)式干氣密封可看作是兩套或更多套干氣密封按照相同的方向s*尾相連。與單端面結(jié)構(gòu)相同，密封所用氣體為工藝氣本身。通常情況下采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)（主密封）密封承擔(dān)全部負(fù)荷，而另外一級(jí)作為備用密封不承受壓力降，通過(guò)主密封泄漏出的工藝氣體被引入火炬燃燒。剩余極少量的未被燃燒的工藝氣通過(guò)二級(jí)密封漏出，引入安全地帶排放。當(dāng)主密封失效時(shí)，第二級(jí)密封可以起到輔助安全密封的作用，可保證工藝介質(zhì)不大量向大氣泄漏。在壓力很高的場(chǎng)合，需要采用三級(jí)串聯(lián)式密封，其中前兩級(jí)密封分擔(dān)總的負(fù)荷，第三級(jí)作為備用密封和阻塞密封。

　　（3）中間帶迷宮的串聯(lián)密封
如果工藝介質(zhì)不允許泄漏到大氣中且也不允許緩沖氣泄漏到工藝介質(zhì)中的工況，此時(shí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩級(jí)密封間可加迷宮密封。用于易燃、易爆、危險(xiǎn)性大的介質(zhì)氣體，可以做到完全無(wú)外漏。如H₂壓縮機(jī)、H₂S含量較高的天然氣壓縮機(jī)、乙烯、丙烯壓縮機(jī)等。

　　該結(jié)構(gòu)所用氣體除用工藝氣本身以外，還需另引一路氮?dú)庾鳛榈诙?jí)密封的使用氣體。通過(guò)主密封泄漏出的工藝氣體被氮?dú)馊恳牖鹁嫒紵６ㄟ^(guò)二級(jí)密封漏入大氣的全部為氮?dú)狻．?dāng)主密封失效時(shí)，第二級(jí)密封同樣起到輔助安全密封的作用。該結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，但由于其可靠性z*高，目前在引進(jìn)設(shè)備中有逐漸增多的趨勢(shì)。
4、雙端面密封
雙端面密封相當(dāng)于面對(duì)面布置的兩套單端面密封，有時(shí)兩個(gè)密封共用一個(gè)動(dòng)環(huán)。它適用于沒(méi)有火炬條件，允許少量緩沖氣進(jìn)入工藝介質(zhì)中的情況。在兩組密封之間通入氮?dú)庾髯枞麣怏w而成為一個(gè)性能可靠的阻塞密封系統(tǒng)，控制氮?dú)獾膲毫κ蛊涫冀K維持在比工藝氣體壓力稍高（0.2～0.3MPa）的水平，這樣氣體泄漏的方向總是朝著工藝介質(zhì)氣體和大氣，從而保證了工藝氣體不會(huì)向大氣泄漏。因此，雙端面密封結(jié)構(gòu)主要用于有毒、易燃易爆的氣體以及不污染外界的食品加工和醫(yī)藥加工過(guò)程。
 

　　二、干氣密封的設(shè)計(jì)
干氣密封雖然在工作時(shí)端面為非接觸，但在開(kāi)停車時(shí)仍會(huì)有短暫的接觸，這就要求配對(duì)材料的耐磨性好。干氣密封摩擦付材料，硬環(huán)一般采用低膨脹系數(shù)、高彈性模量、抗拉強(qiáng)度、熱導(dǎo)率及硬度的材料，如SiC或硬質(zhì)合金。軟環(huán)用浸漬石墨。
干氣密封運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性取決于密封面氣膜剛度大小，無(wú)論是工藝參數(shù)還是螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響，都主要體現(xiàn)在對(duì)氣膜剛度的影響，氣膜剛度越大，密封穩(wěn)定性越好。在考慮氣膜剛度的同時(shí)，也考慮了密封的泄漏量，即密封應(yīng)具有z*大的剛漏比。其物理意義是密封既具有較大的剛度又具有較小的泄漏量。只有具有z*大剛漏比和較大氣膜剛度的干氣密封才能保證密封長(zhǎng)周期、穩(wěn)定、理想地運(yùn)行。
影響氣膜剛度的螺旋槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有槽深、螺旋角、槽數(shù)、槽寬與堰寬比、槽長(zhǎng)與壩長(zhǎng)比等，需用專用軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。而影響氣膜剛度的工藝參數(shù)主要有以下幾類：
（1）緩沖氣粘度
密封氣粘度的大小對(duì)氣膜剛度的影響比較大，粘度越大、動(dòng)壓效應(yīng)越強(qiáng)、氣膜剛度也就越大。
（2）密封氣溫度
在不同溫度下，氣體的粘度是不一樣的；溫度越高、粘度越大、氣膜剛度越大。
（3）密封轉(zhuǎn)速
轉(zhuǎn)速越高，動(dòng)壓效應(yīng)越強(qiáng)、氣膜剛度越大。在理想狀態(tài)下（即不考慮密封加工精度和安裝精度的影響），干氣密封的轉(zhuǎn)速越高、其穩(wěn)定性越好，而不受機(jī)械密封PV值的限制，因此干氣密封特別適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)下使用。
（4）密封端面的直徑大小
在同一轉(zhuǎn)速下，密封直徑越大線速度越高，氣膜剛度越大。
（5）緩沖氣的壓力
緩沖氣壓力對(duì)氣膜剛度的影響較小，一般來(lái)說(shuō)，壓力越高，氣膜剛度略有增大。

　　三、小結(jié)
干氣密封技術(shù)的出現(xiàn)是密封技術(shù)史上一次巨大的進(jìn)步，它不僅使用方便，操作簡(jiǎn)單，而且能夠有效節(jié)約珍貴氣體，防止有害氣體泄漏，也能夠延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低運(yùn)行成本。對(duì)于干氣密封技術(shù)潛力還需業(yè)界進(jìn)一步發(fā)掘，使其在石化、能源行業(yè)發(fā)揮更大作用。