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某公司新建10萬t/a苯乙烯裝置排放氣壓縮機為日本進口的噴液無油潤滑螺桿壓縮機，螺桿直徑542.6mm。該壓縮機的主要作用是將脫氫反應單元中生成的氫氣、二氧化碳、甲烷等不凝氣抽吸出去，以保證整個反應系統始終處于負壓操作。

噴液無油螺桿空壓機軸端密封根據輸送介質的不同通常多采用機械密封、干式浮環密封或迷宮式密封，隨著技術的進步，越來越多的進口壓縮機采用了干氣密封等新技術。但經過大量的實際應用和后續理論分析發現，動壓干氣密封使用效果并不理想，其中機組的轉速對流體動壓型干氣密封的穩定性影響更大。因為無論何種形式的干氣密封均要求其動靜環密封面之間形成滿足密封要求，并具有一定剛度的氣膜，從而確保密封面之間小間隙無接觸運轉。對于流體動壓式密封而言，氣膜是在機組啟動后高速旋轉而形成的，因此對于低轉速機組其啟動期間密封性能下降很大，有些甚至無法正常工作。近年來動壓式干氣密封在高轉速的大型離心機組上得到了非常廣泛的成功應用，但在低轉速機組上，過低的轉速無法形成足夠的氣膜開啟力和剛度，因而難以保證干氣密封的正常運轉，在螺桿壓縮機上使用要求更為苛刻，因此并未廣泛推廣。

該螺桿空壓機創新地使用了靜壓式干氣密封與浮環密封組合應用技術，綜合了干氣密封零泄漏與浮環密封結構簡單易于維護的優點，因此研究其運行機理并對其進行國產化，有著重要意義。

2、螺桿空壓機機組工藝條件

螺桿壓縮機運行參數如下：

密封軸徑：φ220mm

正常轉速：3849r/min

更大轉速：4721r/min

更小轉速：2249r/min

設計入口溫度：常溫

設計出口溫度：100～145℃

設計入口壓力：0.02MPa(A)

設計出口壓力：0.2MPa(A)

密封氣介質：氮氣

尾氣介質及含量：H2：96%;CO：0.01%;CO2：2%另外含有少量的N2和O2

3、靜壓式干氣密封結構簡介

該螺桿空壓機密封由靜壓式干氣密封+前后浮環密封組成。

從工藝側由內而外，第一部分為由兩道浮環密封組成的前置密封，該道密封不通入密封氣，主要用于減小主密封氣串入介質側氣量。中間主密封為靜壓式干氣密封，密封氣為系統管網供給的潔凈氮氣，氮氣經過該密封后，一部分通過前置浮環密封，經減壓后只有很少量的會進入工藝介質中。另外一部分氮氣隨同絕大部分二級密封泄漏氣經一級泄漏出口排向大氣。后部為二級密封，其作用為阻止密封氣沿軸向竄入軸承箱，該密封也由兩道浮環密封組成，隔離密封氣為小壓力大流量的氮氣，此隔離氮氣通過浮環密封后其中一部分經外部碳環進入油箱后放空到大氣，另一部分經過內部碳環進入一級密封排氣口。

4、靜壓式干氣密封的分類及工作原理

干氣密封通常可以分為兩個大類，分別為動壓式干氣密封和靜壓式干氣密封。其中依靠被密封機組的旋轉使壓力上升的叫做動壓式干氣密封，依靠壓力差或外部供給的中間氣體的壓力使壓力上升，機組本身的轉速對氣膜形成幾乎沒有影響的干氣密封叫做靜壓式干氣密封。

另外，靜壓干氣密封又可細分成外加壓式干氣密封和自加壓式干氣密封。顧名思義自加壓式干氣密封不需要外部氣源，由被密封機組本身輸送的介質作為靜壓氣體，其缺點是密封效果容易受到機組介質壓力波動的影響。外加壓式靜壓干氣密封，其所需的靜壓氣體由外部氣源提供，因而性能比較穩定，可靠性高，缺點是增加了額外的氣源設備，造價高，結構更為復雜。

靜壓式干氣密封的主要工作原理是利用氣體靜壓作用，在主機起動以前就在密封的動、靜環端面間形成具有一定剛度的氣膜，如圖1所示。密封端面的環形內開有8個淺的補償槽，如圖2所示，其作用是為了實現密封動、靜環之間能夠形成一個穩定的靜壓力，從而提高密封效果和穩定性;在每個補償槽中間開設置一個節流孔，密封氣體通過密封環后部的氣體通道后穿過節流孔進入密封端面之間，形成穩定的氣體靜壓力。

5、靜壓式干氣密封的特點

5.1 靜壓式干氣密封主要優點

(1)靜壓式干氣密封無論機組轉速的高、低，均能穩定正常地運轉，其密封端面的泄漏率、開啟力、氣膜剛度及厚度與被密封機組的轉速關系不大;

(2)可以形成具有較好剛度的氣膜，通過供氣和節流裝置后理論上氣膜剛度可以無限大;

(3)密封端面摩擦系數很低，設備起動前已經形成氣膜，完全消除了動靜環之間的靜摩擦力;

(4)密封氣由外部氣源提供，密封性能基本不受設備本身輸送的介質壓力的影響，即使工藝操作波動大，密封仍能保持較好的密封性。

6、靜壓式干氣密封國產化設計及優化

對于該壓縮機國產化靜壓干氣密封的設計，其整體結構布置、內部裝配尺寸、外形尺寸均可以參考原密封設計，并進行重新核算后確定。密封國產化能夠成功的設計重點在于密封件材質的選擇及靜密封環節流孔氣體流量的計算。

6.1 靜密封環節流孔氣體流量的計算

靜壓式干氣密封靜環節流孔的尺寸是影響密封氣體流量的直接因素，而密封氣體流量及壓力的大小又直接影響氣膜剛度、密封端面開啟力和氣體泄漏率等重要密封性能，因而平衡好密封氣體流量與靜環端面節流孔大小之間的關系非常重要，也是該密封國產化的難點所在。

靜壓氣體潤滑軸承理論是靜壓式干氣密封理論基礎的主要來源。近年來，靜壓氣體潤滑軸承理論和技術不斷的深入以及大量研究氣體靜壓軸承的文獻不斷涌現，其中氣體靜壓止推軸承理論可以應用在靜壓干氣密封技術的研究中。根據靜壓氣體潤滑中節流孔控制方程的推導，可計算出靜壓式干氣密封的節流孔流量。

6.2 密封主要零件的材質選擇

靜壓式干氣密封動靜環、O環等零部件的材質直接影響密封的整體使用性能及更終壽命，因密封零部件的材質是密封設計的一個重要組成部分。

針對本次國產化改造，在對壓縮機的運行工況、輸送介質特性等作了詳細分析后，更終確定了靜壓干氣密封重要零部件的材質。

干氣密封的動環采用0Cr18Ni9噴涂Cr203，該材料具有表面硬度高(HRC50-70)耐磨性好、熱傳導系數大、比重小等優點，是目前更好的一種摩擦副材料。密封靜環采用浸銻碳石墨材料，該材料具有強度高、自潤滑性好、耐高溫(300～500℃)等特點。對于密封圈的材質選用，與工藝氣體接觸部分采用進口FFKM，其他采用進口FKM密封圈?；w材料及緊固件選用SUS304材質。

7、結論

經過研究人員的不懈努力，國產化靜壓式干氣密封成功研制，并順利通過了在線使用考核。該螺桿壓縮機靜壓式干氣密封國產化的成功，既滿足了裝置的使用需求，又節省了備件費用，更為國產靜壓式干氣密封在不同領域的應用，進行了有意義的探索。另外靜壓式干氣密封也可應用在高危介質泵、攪拌器等低轉速的設備上，應用前景十分廣闊。

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