用简单易懂的方式理解干气密封

从一次事故说起

对于化工生产现场的维修、维护工程师，不需要懂干气密封设计计算，会使用、懂使用即可。但怎么叫会使用，懂使用呢？记得作者刚到公司上班的时候，公司就发生了一起干气密封事故。一台立式液态甲烷泵，使用的是博格曼的干气密封，主密封气是8bar氮气，当主密封气流量高于9标方/小时时，会联锁停泵，项目调试期间就出现了密封气流量高的情况，而当时的调试工程师采取的启动泵的方法是：将密封气的压力调小至流量低于9标方/小时后，启泵，几次调试下来，竟没有出现问题。至此，交到现场机械工程师后，一直延用该方法。结果，在后续的一次启泵过程中，干气密封突然崩了，大量的甲烷泄漏气化出来，操作人员赶紧背上空呼跑到平台上关闭泵出入口阀门，吓得不轻，险些酿成大的安全事故。

没有酿成大的安全事故是好事，但损失却不小，解体查看发现干气密封动静环都碎成了渣渣，完全报废，价值一辆奥迪Q5，更别提对开车延误、甲烷泄放等造成的工艺损失了。

至此，我们得想想这个简单的问题，干气密封的密封气压力可以随便调整吗？密封气泄漏量增大了该怎么办？相信看完文章后你会知晓答案。

干气密封使用场合

我们先说普通机械密封，我们一般用在泵上的普通机械密封主要用于输送液体，这些液体本身可以提供润滑和冷却。但如果这种液体是液化气体，特别容易挥发，或者干脆就是纯的气体，那么就达不到润滑和冷却的效果，再使用普通的机械密封在旋转状态下就会是一种干摩擦状态，密封面和辅助密封圈都会很快超温损坏。为解决这样的问题，于是诞生了干气密封。干气密封是一种非接触式机械密封，机器运转时干气密封的动环和静环密封面之间会形成3-10微米的气膜间隙。也就是说，面和面之间没有直接接触，就像我们的磁悬浮列车一样，那么干摩擦的问题就会得以解决。

干气密封气膜的形成

干气密封为什么能形成气膜呢？那是因为干气密封摩擦副的其中一个环上开了凹槽，这个凹槽的规格根据工况不同而计算设计，深度在2.5-10微米之间，一般用激光刻槽机器制作。这个槽没有完全拉通，余下没有拉通的部分叫密封坝，密封坝的存在可以保证泵或压缩机在静止状态下，干气密封能像普通机械密封一样将流体密封在设备中。

当泵或压缩机旋转时，外围一定压力的主密封气会因为密封环的旋转而进入密封环的凹槽中并被逐渐压缩，压力逐渐增大，而在密封坝区域，密封气向内泄漏（微量），气体膨胀，压力逐渐减小。

密封面上这种密封气的静态压力和旋转产生的动态压力叠加，形成开启力。而弹簧力及工艺介质的压力叠加形成闭合力。

开启力和闭合力经过设计师们的计算设计，处于一种平衡状态。

读到这里，我们可以明确文章一开始提到的事故发生的原因了：调节主密封气压力后，导致了开启力的减小，不能与闭合力达成平衡状态，密封面不能分开形成气膜，造成干摩擦，密封损坏。

再明确一下从现场工程师的角度，干气密封开启力的两个关键要素：主密封气压力和机器转速，知晓这两点至关重要。

而关于主密封气体供应的控制，有流量控制和压差控制两种方式。流量控制方案能更好的保持干气密封气膜所需要的最小流速，同时使用更少的密封气体，但如果供应气源的压力不断变化，流量控制方案的稳健性可能会降低，这时，宜采用压差控制。

气膜的动态自调节

主密封气压力和机器转速互相配合，一起形成了开启力，此时，作者想到了文章开头事故案例中，其实这台甲烷泵是一台变频电机带动的。当时发生事故，原因之一是调小了主密封气压力，另一方面，也许还与启动时并没有100%负荷启动有关，也就是说，与转速有所降低也有关，总之，对于变频电机，干气密封运行的最低转速要求需要特别注意。

另外值得认识到的一点是，运转过程中，气膜的间隙是动态自动调节的。设备本身存在微小的轴向窜动间隙，运转时若导致气膜间隙增大，开启力会因气体体积增大而减小，密封面会被拉回到预定的运行间隙。如果气膜间隙减小，密封气被压缩得更厉害，开启力会因气体体积的减小而增大，密封面被挤开。

理想状况下，气膜间隙越小，气膜的刚度越强，气膜的稳定性越好，同时也越能抵御外界变化，如密封气压力变化，转速变化等。

干气密封可以反转吗

气膜刚度还与密封环上凹槽的槽型有关，单向螺旋槽气膜刚度更好，但是这样的槽型不允许设备反转，这种槽型的干气密封若反转，气体不能顺利进入凹槽内，反而会被甩出，不但不能使动静环间形成气膜，反而会使密封面贴合得更紧密，密封将因干摩擦而损坏。

在设备无法避免反转的情况时，就需要设计为下图这样的半圆槽、燕尾槽、T型槽等对称型结构。

干气密封爱干净

干气密封密封槽的深度以及旋转时形成的气膜间隙只有几微米，这决定了干气密封精密、娇气的特点，若密封气中的粉尘会导致气膜无法形成，所以通常密封气需要经过高精度的过滤器过滤，保证密封气流通经过气膜间隙时，不含有比间隙尺寸大的颗粒。

大部分的干气密封损坏事故是由污染造成的，固体颗粒的污染相对容易理解，容易被引起重视，而实际上，液体污染造成的密封损坏占比更高。这个液体不一定是脏的液体，仅仅密封气中含有的液体成分就可能引发故障，这个液体成分可能会在通过密封面时因膨胀而冷凝成液态，影响气膜的形成，造成摩擦，导致热量集聚。为避免冷凝，API 614 建议，主密封气在干气密封部件上所有点的温度必须高于气体露点至少 20 °C。

以上，就是对干气密封最简单的解释，理解了干气密封的基本原理，就可以举一反三，用好干气密封。如果你也对干气密封感兴趣，可以关注我的公众号，一起交流。