027—K101螺杆压缩机干气密封改造研究

张芯

摘要：本篇文章依据027-K101螺杆压缩机的主要特点详细阐述了其存在的问题。基于此，依托于其干气密封的主要结构特点以及材料试验的基础上使用干气密封技术改造了螺杆压缩机。

关键词：螺杆压缩机；干气密封；改造

广西石化将027-K101螺杆压缩机视为是其关键设备之一。不过，此类设备机械在进行密封使用的时候却逐渐凸显出了部分问题，比如其中比较明显的问题就是密封泄漏量大、密封静压检查不合格以及使用寿命短。所以，广西石化的技术人员联合成都一通密封有限公司的技术人员开展了详细的讨论，最后决定对其进行密封改造方案，用双端面干气密封替代原有的双端面机械密封。

1 原双端面环机械密封结构

027-K101螺杆压缩机所用的为双端面机械密封，此类密封需将介质压力大的密封液灌入到密封腔中来进行冷却冲洗密封。如此一来，还是会有一部分的封液进入到工艺流程之中，之后便需要进行油气分离操作，但是如果机封损坏，那么油气分离量则会大幅增加。027-K101螺杆压缩机干气密封主要技术参数如表1所示。

2 原罗螺杆压缩机双端面机械密封存在问题

2.1 辅助系统要求高

螺杆压缩机所进行机械密封的大多是气体，因此密封介质必须是水或者是密封油，再加之螺杆压缩机进行机械密封会产生较大的振动，其中，端面比壓和弹簧比压较大，所以导致摩擦发热量较大，倘若介质温度大于50℃的时候就要立即进行冷却以及润滑。

2.2 介质被密封液污染

机械密封端面是需要持续使用润滑液膜才可以使得密封保持正常运转，但是不管是使用单端面或者是双端面密封结构，要想保证工艺介质不外泄，其密封液压力都需要比介质压力高，否则必然会导致密封液泄漏进介质中，从而对介质纯度产生不利影响。

2.3 环境污染问题

机械密封一定会存在泄漏问题，不管封油更换还是密封装拆都会导致密封油泄露到环境之中的结果，因此会对环境产生较大的不良影响。

2.4 检修频繁

因为螺杆压缩机很容易会产生振动，但是机械密封在接触式运行的过程之中又对振动较敏感。所以很容易造成密封更换检修量大以及工作寿命短的问题[1]。因此在后续维护的工程之中会产生很多费用。

2.5 功率消耗大

端面接触运行需要消耗很多的功率。并且，如果是因为密封系统和机械密封使用故障问题而引发的系统停车以及螺杆压缩机停车问题，那么将会产生难以估计的经济损失。所以，倘若以上这些问题出现在螺杆压缩机机械密封之中，那么为了持续提升螺杆压缩机运行稳定性、可靠性以及安全运行性并使得装置经济效益和运行水平得以提升，成都一通密封有限公司为螺杆压缩机用量身定做了双端面干气密封。

3 干气密封工作原理

3.1 端面槽型选择

被用在螺杆压缩机干气密封之中的弹簧、密封副以及辅助密封圈都是通过动环与静环共同组成的。其最大的特点就是在加工的过程之中，动环密封面上部均匀分布了一些浅槽，这些浅槽的槽深为几微米[2]。其实，干气密封有着众多槽型，其中最为常见的就是单向螺旋槽型以及双向旋转T型槽（见图1a和图1b）。为了保障在稳定的低转速下会产生较强流体动压效应，成都一通公司所使用的为单向螺旋槽。

3.2 干气密封作用原理

图2为存在螺旋槽的密封端面的主要结构。其是通过流槽、密封堰以及密封坝共同组成，一般会在密封环端面直径以及外径中间的部分进行动压效应螺旋槽加工，因此也被称之为流体动压槽。螺旋槽中间的平台是密封堰，其主要作用就是对气体圆周方向流动进行阻止，从而提升升压作用。环内径和槽内径中间部分为密封坝，密封坝的作用就是使得螺旋槽可以产生足量流体动压泄漏。这就意味着，流体动压槽发挥着泵送作用，从而可以形成流体膜并生成流体膜承载能力。密封流体膜所生成的静压以及动压承载能力会对流体圆周泄漏进行阻止，而密封坝流体膜所生成的静压承载能会对流体半径泄漏进行阻止。这就表明，此端面密封是通过承载的轴承部分以及阻漏的密封部分所形成的动压气体端面以及流体静进行机械密封的。密封端面螺旋槽的中有包括对数螺旋线以及阿基米德螺旋线在内的两种槽型线，而在反应釜密封面中所使用的则是对数螺旋线。在进行干气密封旋转的时候，被密封的气体通过环外周渗入到形螺旋槽之中并且沿着槽向内径方向进行流动，直到最后到达密封坝，而密封坝阻碍了气体流向低压侧，随之，气体跟随螺旋槽形状被逐渐压缩，导致局部高压区出现在槽根部并使得气体自身压力得以提升，而此流体动压力则是通过动环旋转而产生的[3]。流体动压力被施加于补偿环之上并且使得动环和静环相分离，其被称之为开启力。而施加于补偿环之上弹簧力以及介质力则是使得动环和静环紧密贴合在一起，其被称之为闭合力。如果开启力等同于闭合力的话，在动静环两个密封面中的流动气体会产生一层大约为3微米的气膜。根据气体动力学显示，如果干气密封两端面间隙为2～3微米，那么此时的间隙气体流动层则是最为稳定的。

4 螺杆压缩机干气密封

4.1 总体结构以及优点

双端面干气密封以及串联式干气密封都是螺杆压缩机进行干气密封的比较常用的结构。在分析了以上干气密封的主要结构特点之后，再结合相应的条件，绘制出了如图3所示的结构简图。实现了工艺介质零泄漏之后，使用新型的 “气体阻塞”替代“液体阻塞”（也就是将带压密封液转变为带压密封气）以确保工艺介质完全不会逸出。此外，其 功率消耗实际是比较小的，因此使用寿命更长，再加之整套密封是处于非接触运行的状态，所以不会产生磨损和摩擦。此类密封系统比较简单、方便操作。而且因为密封是处于非接触隐形的状态，所以端面不会有摩擦热，如果介质温度低于200℃则可不用使用冷却润滑系统。因为干气密封不再使用油系统，所以可以完全防止密封油渗入到工艺介质和环境之中，完全不会污染到工艺介质和环境。同时，其抗轴摆动性能良好、运行费用比较低，只需要稳定连续的气源而不需要进行额外的维护。虽然投入成本稍高，但日常运行费用低。

4.2 结构参数优化

干气密封的内部气体在流动的过程之中所经过的气膜为微米级。这就表示如果其中出现了微小的变化，那么很有可能会引起动静密封环中出现大量的的干摩擦以及泄漏，所以为了保证干气密封可以安全地运行下去，就必须要确保气膜的安全稳定性。但是，气体端面密封是否具有可靠性和稳定性将直接取决于其动力学特性。一般而言，不管是将哪种槽型加入到干气密封端面上都有可以引发流体动压效应。根据研究显示，螺旋槽干气密封在工作的过程中会产生极强的流体动压效，因此在这个时候产生的密封端面间气膜刚度也是最大的。因此，我们使用到了螺旋槽干气密封结构。如果想要确保在低速的状态下干气密封也能具备优良的密封性能，那么则需使用到有限元计算程序来优化干气密封端面的全部螺旋槽结构参数[4]。在进行优化的过程之中，优化的最终目标就是使得干气密封获得最佳气膜刚度。同时，计算干气密封刚漏比的步骤也是必不可少的，以确保密封存在较大气膜刚度以使得气体泄漏量较小。

4.3 干气密封材料

一旦确定了干气密封结构之后，就需要将重点放在密封元件材料之上，其实解决密封问题的的关键部分。包括摩擦副材料在内的密封元件的选择都是复杂的。螺杆压缩机的摩擦副材料大多位碳化硅以及浸金属碳石墨配对，前者具有较好的导热性、耐腐蚀性、耐热冲击性，可以说是最佳摩擦副材料之一。而后者具有孔隙率小、热膨胀系数小、较高抗压强度以及导热系数高等优势。

4.4 干气密封系统

在干气密封的整体过程中，控制系统是不可或缺的一个组成部分。其控制系统所发挥的关键作用就是给干气密封中输入干净气体，同时还兼顾着监测干气密封运转的责任，从而保障干气密封可以安全运行下去。控制系统由多个单元组成，具体流程图如图4所示。过滤单元所使用的是过滤精度大约为一微米的高精度过滤器。因此，输入到干净密封中的密封器都是十分干净，所以密封端面可以确保正常安全运行。进行密封气调节的最终目的就是为了使得净化密封气压力要大于密封腔工艺介质压力，从而避免出现密封损坏问题。系统能够配置包括压力开关在内的监控仪表，也能够监控中控室的密封工作状况。要想保证密封正常运行，就必须要将密封泄漏量视为关键指标。不过需要注意的是，干气密封控制介质为气体，所以无法用肉眼观察气体泄漏量，因此必须要借助仪表。

5 试验验证

当设计完干气密封之后，笔者所在公司进行了干性能模拟试验。根据实验结果显示，我们所设计的罗茨风机干气密封的密封性能良好，完全满足现场运转需求。

6 干气密封和机械密封性能的对比

7 结论

根据干气密封的实验室试验结果显示，在计算机技术的基础之上所优化的螺杆压缩机干气密封可以实现密封非接触运行，因此具有稳定可靠的密封性能。并且，所设计出的控制系统在保障简单可靠的同时还可以满足螺杆压缩机长期运行的需要。在将原有密封改造成干气密封后，大大减少了能耗和物料消耗，因此创造出了极好的经济收益。此外，干气密封被成功地应用在螺杆压缩机上，这使得干气密封应用领域进一步扩大，相关的新技术也被逐渐开发出来，共同促进了压缩机干气密封技术的发展。

参考文献：

[1]陈德才，崔德容.机械密封设计制造與使用.机械工业出版社，1993.

[2]王汝美.实用机械密封技术问答（第二版）.中国石化出版社，2004.

[3]顾永泉.机械密封实用技术.机械工业出版社，2002.

[4]丁雪兴，王悦，张伟政，俞树荣，杜兆年.螺旋槽干气密封润滑气膜角向涡动的稳定性分析[J].北京化工大学学报，2008，35（2）：82-86（EI：081511196625）.