朱妙凡*

（惠生工程（中國）有限公司）

0 引言

干氣密封是離心壓縮機常見的密封形式，目前普遍遵循的標準是API 692-2018《軸向、離心式和旋轉(zhuǎn)螺桿壓縮機和膨脹機用干氣密封系統(tǒng)》。

如工作介質(zhì)為有毒有害氣體，通常采用該標準中的雙端面密封（低壓場合）或帶級間密封的串聯(lián)式密封（中高壓場合）。需要注意的是，API 692-2018 標準僅涵蓋干氣密封的最低技術(shù)要求，并沒有針對工作介質(zhì)是高度或者極度危害的有毒氣體，提出進一步的要求或者方案。下面以比較常見的雙端面干氣密封為例分析其安全性，并提出了相應(yīng)的改進方案。

1 安全性分析

API 692-2018 標準中的雙端面干氣密封原理如圖1 所示。主密封和輔助密封對向布置，均含動靜密封環(huán)。主輔密封之間注入壓力高于工藝密封氣。緩沖氣隔離開工藝氣和主密封。運轉(zhuǎn)時一部分密封氣通過主密封動靜環(huán)之間的間隙和緩沖氣一起漏到壓縮機的工藝側(cè)。剩余部分密封氣通過輔助密封動靜環(huán)之間的間隙放空到外部環(huán)境。隔離氣隔離開干氣密封和軸承側(cè)的潤滑油系統(tǒng)。主密封氣和緩沖氣之間配有壓差表P，如壓差降低到一定數(shù)值，則表明密封失效。

圖1 雙端面干氣密封原理圖

工作介質(zhì)為高度或極度危害的有毒氣體時，雙端面密封雖然有一定的安全性（配有輔助密封），但仍存在以下不足。

（1）無法判定密封失效位置

無論主密封或輔助密封失效，甚至二者均失效，密封氣都會大量進入到工藝側(cè)或者大氣中，壓力無法維持，壓差表將顯示壓差降低，無法從壓差表的讀數(shù)判定密封失效位置，從而觸發(fā)連鎖停機。

（2）主密封失效造成有毒氣體泄漏

如主密封失效，輔助密封只是控制泄漏，但不能完全阻止工藝氣進入到大氣中或者潤滑油系統(tǒng)中。如果主副密封都失效，則會有大量有毒工藝氣泄漏。

（3）輔助密封失效造成主密封損壞

如輔助密封失效，密封氣壓力會降低，主密封前后無法建立足夠的壓差，旋轉(zhuǎn)時動靜環(huán)之間因無法形成氣膜而直接接觸產(chǎn)生干摩擦，導(dǎo)致主密封面損壞。

（4）密封氣中斷導(dǎo)致干氣密封損壞或氣體泄漏

如密封氣中斷，密封的動靜環(huán)之間無法形成氣膜，壓縮機連鎖停機。壓縮機連鎖停機到完全停止這段時間（惰轉(zhuǎn)時間）內(nèi)，由于慣性，軸和葉輪仍然持續(xù)轉(zhuǎn)動，整個過程需要持續(xù)幾分鐘。這段時間內(nèi)動靜環(huán)之間的密封面因無氣膜而造成損壞。停機后因無密封氣，壓縮機內(nèi)殘存的有毒工藝氣會通過損壞的干氣密封面向外泄漏。

（5）隔離氣中斷導(dǎo)致干氣密封污染

如隔離氣中斷，壓縮機連鎖跳車，在惰轉(zhuǎn)時間內(nèi)，潤滑油泵仍然在運轉(zhuǎn)，帶壓的潤滑油會進入到干氣密封處污染甚至損壞密封面。

2 改進方案

2.1 方案一、增加帶碳環(huán)的安全腔

在輔助密封和放空口之間增加一安全腔，安全腔和放空口之間用碳環(huán)隔離開，詳見圖2 部件18（安全腔）和部件19（碳環(huán)）。碳環(huán)由置于外徑上的彈簧抱住，內(nèi)徑處與軸套之間存在微小間隙，通?？刂圃?.02 mm 左右。工作時由輔助密封泄漏出的氣體先進入安全腔，然后在碳環(huán)與軸套之間形成氣膜,產(chǎn)生壓差節(jié)流, 從而阻止氣體流向外界。在此腔上配置壓力監(jiān)控P1。

圖2 帶安全腔監(jiān)控的雙端面干氣密封原理圖 (依據(jù)API692改進)

該方案在以下幾個方面提高了安全性：

（1）判定密封失效位置

準確判定失效位置有助于制定相應(yīng)的安全措施和維修方案。如輔助密封處失效，密封氣會先漏到該安全腔中，相應(yīng)壓力指示P1 會升高。結(jié)合P1 和P顯示的數(shù)值，將能判定出密封失效是在主密封處還是輔助密封處，詳見表1。

表1 密封失效處判定

（2）減少密封失效情況下氣體的泄漏

如主密封失效或主輔密封均失效，安全腔處的碳環(huán)能起到一定的密封作用，阻止工藝氣體泄漏。

（3）保護主密封

如輔助密封失效，由有安全腔處碳環(huán)具有節(jié)流作用，密封氣不會大量泄漏到外界，仍會在主密封處保持一定的壓力來維持動靜環(huán)之間的氣膜，從而起到保護主密封的作用。

（4）阻止?jié)櫥瓦M入密封

增加的碳環(huán)在因隔離氣中斷而造成壓縮機停機的惰轉(zhuǎn)時間內(nèi)，對軸承側(cè)帶壓的潤滑油起到阻止和緩沖的作用，防止或減輕其進入干氣密封造成污染。

2.2 方案二、配備應(yīng)急密封氣及隔離氣

API 692-2018 標準中，備用氣只通過一個手閥和止回閥連接到密封氣供給管線上。如密封氣中斷，備用密封氣不能立即自動送到密封氣輔助系統(tǒng)干氣密封會因此失效，如圖3 所示。

圖3 雙端面密封之密封氣供給 (API692)

具體改進方案如下：配備應(yīng)急密封氣的儲罐，壓縮機正常運行時儲罐充滿氣，罐出口管路上配雙電磁閥。設(shè)計雙電磁閥的目的是為了提高閥門的可靠性。如果密封氣中斷，則會觸發(fā)連鎖并開啟電磁閥，使儲罐內(nèi)的密封氣持續(xù)地注入干氣密封中，如圖4 所示。

圖4 雙端面密封的密封氣和應(yīng)急密封氣供給 (依據(jù)API692改進)

氣罐的容積根據(jù)密封氣的消耗量（數(shù)據(jù)由干氣密封廠家提出）和停機后所需密封氣的持續(xù)時間進行計算，在這里不做陳述。如計算后所需氣罐容積過大，可用20 MPa、50 L 的移動式氣瓶組代替。同樣隔離氣供給也可配備應(yīng)急儲氣罐，或和密封氣共用一個儲氣罐。

該方案在以下方面提高了安全性：

（1）保護干氣密封

一旦供氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障，密封氣和緩沖氣之間的壓差下降到一定數(shù)值時，應(yīng)急氣能立即啟用，維持住動靜環(huán)密封面之間的氣膜，同時阻止?jié)櫥瓦M入，起到保護干氣密封的作用。

（2）防止有毒氣體外漏

當供氣中斷后，壓縮機連鎖停機，應(yīng)急氣啟用并能保持一段時間（如1 h）。該段時間內(nèi)操作人員能用氮氣對壓縮機內(nèi)部進行吹掃置換，防止工藝氣通過干氣密封泄漏。

2.3 方案三、增加安全報警信號

API 692—2018 標準第三部分第10 節(jié)中表8 列出了保護雙端面密封所需報警的最低要求，基于此表和上述的改進方案，將報警信號進行更新，如表2 所示。低低報和高高報用于連鎖停機。

表2 改進后的雙端面密封安全報警信號

表2中增加的安全腔壓力的高報、低報信號能提示密封的失效位置（可見表1），增加的密封氣、隔離氣壓力低報信號能提示應(yīng)急氣系統(tǒng)不在正常工作狀態(tài)。任一報警信號出現(xiàn)，都應(yīng)采取相應(yīng)措施（檢查系統(tǒng)、調(diào)整參數(shù)、及時維修等）。改進后的報警信號進一步提高了整個干氣密封系統(tǒng)的安全性。

3 結(jié)語

干氣密封系統(tǒng)標準API 692-2018 沒有說明在安全設(shè)計需考慮的具體方案和要求。如照搬標準里推薦的內(nèi)容來設(shè)計用于高度或者極度危害氣體的干氣密封系統(tǒng)，則安全性堪憂。

本文基于密封失效和密封氣、隔離氣中斷的情況下，分析了常規(guī)API 692-2018 中的雙端面干氣密封應(yīng)用于高度或者極度危害氣體時的不足之處。提出了增加帶碳環(huán)的安全腔以及備用密封隔離氣的改進方案，并推薦了相關(guān)報警信號。串聯(lián)式的干氣密封安全性的改進也可采用類似方案。其適用于化工、石化、醫(yī)藥、半導(dǎo)體等含有毒有害氣體的離心、螺桿壓縮機和膨脹機干氣密封系統(tǒng)的設(shè)計或改造，以及其他安全性高于API 692—2018 標準的應(yīng)用。上述方案在實際的工程項目中已經(jīng)得到了實施和驗證，并取得良好效果。目前國內(nèi)對工作介質(zhì)為高毒性氣體的壓縮機設(shè)計和應(yīng)用經(jīng)驗較少，其干氣密封設(shè)計普對于安全性的要求缺乏考慮。希此文要為相關(guān)工程設(shè)計人員在干氣密封安全性設(shè)計提供參考。