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摘 要：丙烯进料泵的机械密封频繁泄漏，是困扰中石化齐鲁石化分公司胜利炼油厂气分车间的老难题，通过分析泄漏产生的根源，对丙烯进料泵进行了干气密封的改造，解决了泄漏的问题，在保证安全性的同时，大大降低了成本，带来了可观的经济效益。
关键词：干气密封 改造 机械密封
一、前言
中石化齐鲁石化分公司胜利炼油厂气分车间，位号为P-506A/B的丙烯进料泵，轴封最初采用单端面波纹管机械密封，但使用效果不好，一直存在机械密封频繁泄漏问题，工艺波动时检修后密封坏的特别频繁，最多时一个月损坏有20套左右，一年下来密封费用、再加上机泵拆装的检维修费用，造成了极大的浪费。通过与成都一通密封有限公司共同研究对丙烯进料泵实施干气密封改造，改造后效果明显，运行稳定，带来了很可观的效益。
二、干气密封的基本原理及特点
1.干气密封概述
干气密封是上个世纪六十年代末期发展起来的一种非接触式密封。与普通机械密封最大的区别在于：干气密封通过在密封端面上开设流体动压槽而实现密封端面的非接触运行，从而极大的提高了密封的使用寿命；简单、可靠的控制系统确保干气密封正常运转以保障设备连续、稳定地运行。
2.干气密封基本原理
干气密封（气膜机械密封）和传统的液相机械密封类似，但气膜机械密封两端面被一稳定的薄气膜分隔开，成为非接触状态。由于气体的黏度很小，需要依靠强有力的流体动压效应来产生分离端面的流体压力，同时气体膜具有足够的刚度以抵抗外界载荷的波动，保持端面的非接触。
干气密封在运转时（见图1），工艺沿流体动压槽进入密封端面，当作用于补偿环上的压紧力与推开力达到平衡，即流体动压槽产生的工艺流体动压力、端面工艺流体静压力、补偿环密封圈与旋转轴的摩擦阻力、弹簧元件压紧力几种力达到平衡时，在动、静环摩擦副之间形成一定厚度的气膜，从而达到密封的目的。
干气密封旋转时，被密封气体由环外周进入收敛形螺旋槽内，沿槽向内径方向流动，最终达到密封坝，密封坝限制气体流向低压侧，气体随着螺旋槽形状的变化被压缩，在槽根部产生局部高压区，提高了气体自身的压力，此压力是动环旋转产生的流体动压力（不同槽形产生的流体动压力的大小不一样）。流体动压力作用于补偿环上，迫使动环与静环密封端面分开，称为开启力Fo。形成开启力的气体压力实际上是进入端面间气体的静压力和旋转形成的气体动压力之和。静压力与端面旋转速度无关，而动压力与端面旋转速度有关。
作用于补偿环上的介质力和弹簧力是使动环与静环紧密贴合的力，称为闭合力Fc。
补偿环与补偿环密封圈的微量轴向运动所产生摩擦阻力也有一定影响（补偿环密封圈的变形量应当设计恰当，如果密封圈摩擦阻力太大，将影响密封端面动压膜形成）。其摩擦阻力的方向取决于补偿环的运动趋势。
端面旋转速度达到一定值，开启力Fo与闭合力Fc相互平衡，流动的气体在动、静环的两个密封面间形成一层很薄的气膜，端面形成非接触状态，正常情况下，端面气体膜厚度在3微米左右。气体动力学表明，当干气密封两端面间的间隙在2～3微米时，通过间隙的气体流动层最为稳定。稳定的气膜既对工作介质起到密封作用，又起到摩擦副的润滑作用。
干气密封在静止状态，当密封腔内存在介质压力的情况下，作用在动、静环上的闭合力是密封流体静压力和弹簧力，保证动、静密封面紧密贴合，防止离心泵处于停车状态时的介质泄漏。
干气密封运转时，摩擦副面受力分析见图2。
由图2可以看出，正常工况条件下，当Fc=Fo时，密封端面形成一层厚度约3微米的稳定气膜；
当受到外来因素干扰，密封间隙减小、气膜厚度减小，则气体的粘性剪力增大，螺旋槽产生的流体动压效应增强，促使气膜压力增大，开启力随之增大，使Fc 当受到外来因素干扰，密封间隙增大、气膜厚度增大，螺旋槽产生的流体动压效应削弱，气膜压力减小，开启力变小， 使Fc>Fo， 为保持力的平衡，密封恢复到原来的间隙。
只要在设计范围内，当外来干扰消除后，密封总能恢复到设计的工作间隙，使干气密封稳定运行可靠。
气膜刚度（N/mm）是衡量干气密封稳定性的技术指标，气膜刚度是指气膜作用力与气膜厚度之比，气膜刚度越大，表明密封的抗波动、抗外界干扰能力越大，密封运行越稳定。气体密度越大、温度越高、轴转速越高，气膜刚度越大。
干气密封设计，就是以获得最大的气膜刚度为目的。
3.影响干气密封性能的主要参数
3.1动压槽形状、深度的影响
理论研究表明，对数螺旋槽产生的流体动压效应最强，气膜刚度最大，稳定性最好，因此，绝大多数干气密封都以深度为3—10微米的对数螺旋槽作为密封动压槽。
3.2动压槽数量、宽度及长度的影响
干气密封动压槽数量越多，动压效应越强，但当动压槽达到一定数量后，再增加槽数时，对干气密封性能影响已经很小。此外，动压槽的宽度、长度对密封性能都有一定的影响。
3.3操作参数对密封泄漏量的影响
轴径越大，转速、压力越高，干气密封的泄漏量越大。此外，介质温度对密封泄漏量的影响是通过温度对介质粘度影响而形成的，其对密封泄漏量的影响不大。
4.干气密封的主要优点
与传统的接触式机械密封相比，干气密封有以下几个方面的优点：
（1）密封使用寿命长，运行稳定可靠；
（2）密封功耗消耗小，仅为接触式机械密封的5%左右；
（3）与其他非接触式密封相比，干气密封气体泄漏量小；
（4）可实现介质零逸出，是一种环保型密封；
（5）密封辅助系统简单、可靠，使用中不需要维护。 三、干气密封与机械密封优缺点比较
干气密封相对于机械密封具有使用安全性高，高效节能，系统维护简单，使用寿命长，抗抽空、工艺波动的能力较强，使用领域广泛等优点，并且系统操作简单，给现场带来了便利。
四、丙烯泵用干气密封改造
1.丙烯进料泵工况分析
介质特性分析：该泵位号：P506A/B温度： 14～40℃，入/出口压力： 1.6/2.6MPa，转速：2970r/min；介质为丙烯、丙烷、C4、C5等，属于高饱和蒸汽压、介质易挥发、低粘度、低引火点。由于摩擦端面在相互作用的过程中会产生热量，在端面处温度就会升高，从而极易使丙烯液膜汽化，导致密封不能正常稳定的运行。
2.丙烯泵用干气密封改造的结构选型
通过对该离心泵的结构特点及工艺条件分析，结合现场的密封气源的情况，为保证主密封在超量泄漏时介质也不向环境泄漏，按照API682-2004版，选用串联式干气密封方案；干气密封结构为串联式干气密封（2CW-CS）结构，所设计干气密封为集装式结构。密封的冲洗方案选用PLAN11+72+76。
3.串联是干气密封结构说明
串联式干气密封是两级密封串联而成，第一级为机械密封，是主密封，主密封为平衡型机械密封，弹簧旋转式结构，摩擦副采用石墨与碳化硅配对，弹簧选用316L，针对介质特点合理设计主密封参数。配合P11冲洗，适用范围广。同时在静环结构上采用带卡圈结构，很好的防止了泵在抽空的情况下导致静环推出的故障，保证了密封在易抽空的工况下也能正常运行。第二级为干气密封，平衡型，弹簧旋转式结构，摩擦副采用石墨与碳化硅配对，弹簧选用316L，密封介质为氮气。正常情况下，机械密封作为主密封起作用，干气密封为辅助密封。干气密封主要有以下作用：
1）增加主密封背压，减小密封面的磨损，延长主密封的使用寿命；
2） 当主密封失效时，干气密封可以在短时间内起到备用密封的作用，防止意外事故的发生；
3）防止主密封泄漏出的微量危险介质，直接排放到大气，起到安全、环保的作用。
4.改造后试运行过程中出现的问题及原因分析
4.1改造后试运行过程中出现的问题
2013年11月丙烯进料泵干气密封改造后试运行，密封安装上去后密封发热，密封磨损较快，说明密封仍有需要改进的地方。
4.2密封发热和泄漏的原因分析
中石化齐鲁石化分公司与成都一通密封有限公司的技术人员对泄漏原因从以下方面进行了分析：P11冲洗流量不够，密封端面因高速旋转产生的热量无法被带走导致密封端面温升过高。丙烯介质特性：低沸点、高饱和蒸汽压，丙烯进料泵，密封腔压力接近入口压力。当密封腔内介质温升超过一定值时，介质处于极易汽化的状态。
4.3干气密封进一步改进措施
4.3.1在介质侧增加节流环节流，使自冲洗介质节流环与一级密封之间形成的腔体中憋压，增大介质气化的饱和裕量，防止介质在密封腔内过早气化。
4.3.2从设计参数上进行改进：调整一级密封的端面比压、减小端面宽度，降低密封端面发热量，尽量防止介质气化。
4.3.3从机械密封冲洗系统改进：冲洗系统管线通径扩大到10mm，加大了冲洗流量使冲洗流量完全可以满足密封要求的安全流量要求，端面产生的热量可以完全由冲洗液带走，因此密封可以在液相工作环境下稳定运行。
五、干气密封控制系统
干气密封控制系统（图4）是干气密封的重要组成部分，它主要由密封气过滤单元和密封气泄漏监测单元组成。干净的密封气保证密封面不受颗粒杂质的损坏，干气密封是以微量的气体泄漏为代价换取其长周期的使用寿命，泄漏量是否稳定直接反映了干气密封运行的状态，因此，对干气密封的泄漏进行监控为设备的安全运行提供了保障。
当外部氮气管网氮气进入控制系统，经过滤器，减压阀后，为干气密封提供稳定、干燥、清洁的密封气；当主密封泄漏过大或氮气压力过低，单向阀起到防止工艺介质反串入氮气管网的作用；丙烯为易挥发介质，泄漏的丙烯汇同密封氮气通过节流孔板排向火炬燃烧，由此消除安全隐患和避免对环境造成污染；当主密封机械密封泄漏过大时，由于限流孔板的作用，密封腔压力上升，泄漏管线上的压力表指示上升表明密封失效。
要保证串联式干气密封的稳定运行，需要保证其配套的控制系统良好状态，保证低压连续稳定的氮气进入二级密封腔，将一级密封泄漏的微量介质带入火炬燃烧，保证现场的安全和环保。在使用过程中要定期检查过滤器的状态，当过滤器使用一段时间，由于杂质堵塞滤芯，过滤器两端压降增大超过一定值时应及时更换滤芯。停泵后气源不能停，必须照常供气。泵检修时先排净泵内介质，再停气。
六、结论
1.改造后实践证明，改造此泵用干气密封效果十分明显，从改造至今长周期运行一直很稳定（从2003年11月一次开车顺利到2007年5月大检修密封连续运转4年，后面更换的密封也基本维持在3年以上），保障了工艺需求。对于易气化、易挥发、危险性大的丙烯泵轴封采用干气密封完全可行。
2.造成泵用串联式干气密封失效的因素之一即是介质侧端面温度过高，导致介质在端面出现汽化现象，严重影响密封运行的稳定性。通过减小摩擦端面宽度和增大冲洗流量的方案改进，改善了的润滑状况，保证了密封良好的运行环境，延长了密封使用寿命，并达到了改进的目的和效果。
3.采用了泵用干气密封系统，系统简单，操作方便，为该该丙烯泵的运转性能提供了保障。
4.干气密封具有低能耗等特点，符合当今环保节能的要求。
参考文献
[1]Godse A G.Hydrocarbon Proc.[J]，2000，79（2）.
[2]顾永泉，机械密封实用技术；机械工业出版社，2001.
[3]王汝美 编，实用机械密封技术问答（第二版），中国石化出版社，2004.
关键词：干气密封 改造 机械密封
一、前言
中石化齐鲁石化分公司胜利炼油厂气分车间，位号为P-506A/B的丙烯进料泵，轴封最初采用单端面波纹管机械密封，但使用效果不好，一直存在机械密封频繁泄漏问题，工艺波动时检修后密封坏的特别频繁，最多时一个月损坏有20套左右，一年下来密封费用、再加上机泵拆装的检维修费用，造成了极大的浪费。通过与成都一通密封有限公司共同研究对丙烯进料泵实施干气密封改造，改造后效果明显，运行稳定，带来了很可观的效益。
二、干气密封的基本原理及特点
1.干气密封概述
干气密封是上个世纪六十年代末期发展起来的一种非接触式密封。与普通机械密封最大的区别在于：干气密封通过在密封端面上开设流体动压槽而实现密封端面的非接触运行，从而极大的提高了密封的使用寿命；简单、可靠的控制系统确保干气密封正常运转以保障设备连续、稳定地运行。
2.干气密封基本原理
干气密封（气膜机械密封）和传统的液相机械密封类似，但气膜机械密封两端面被一稳定的薄气膜分隔开，成为非接触状态。由于气体的黏度很小，需要依靠强有力的流体动压效应来产生分离端面的流体压力，同时气体膜具有足够的刚度以抵抗外界载荷的波动，保持端面的非接触。
干气密封在运转时（见图1），工艺沿流体动压槽进入密封端面，当作用于补偿环上的压紧力与推开力达到平衡，即流体动压槽产生的工艺流体动压力、端面工艺流体静压力、补偿环密封圈与旋转轴的摩擦阻力、弹簧元件压紧力几种力达到平衡时，在动、静环摩擦副之间形成一定厚度的气膜，从而达到密封的目的。
干气密封旋转时，被密封气体由环外周进入收敛形螺旋槽内，沿槽向内径方向流动，最终达到密封坝，密封坝限制气体流向低压侧，气体随着螺旋槽形状的变化被压缩，在槽根部产生局部高压区，提高了气体自身的压力，此压力是动环旋转产生的流体动压力（不同槽形产生的流体动压力的大小不一样）。流体动压力作用于补偿环上，迫使动环与静环密封端面分开，称为开启力Fo。形成开启力的气体压力实际上是进入端面间气体的静压力和旋转形成的气体动压力之和。静压力与端面旋转速度无关，而动压力与端面旋转速度有关。
作用于补偿环上的介质力和弹簧力是使动环与静环紧密贴合的力，称为闭合力Fc。
补偿环与补偿环密封圈的微量轴向运动所产生摩擦阻力也有一定影响（补偿环密封圈的变形量应当设计恰当，如果密封圈摩擦阻力太大，将影响密封端面动压膜形成）。其摩擦阻力的方向取决于补偿环的运动趋势。
端面旋转速度达到一定值，开启力Fo与闭合力Fc相互平衡，流动的气体在动、静环的两个密封面间形成一层很薄的气膜，端面形成非接触状态，正常情况下，端面气体膜厚度在3微米左右。气体动力学表明，当干气密封两端面间的间隙在2～3微米时，通过间隙的气体流动层最为稳定。稳定的气膜既对工作介质起到密封作用，又起到摩擦副的润滑作用。
干气密封在静止状态，当密封腔内存在介质压力的情况下，作用在动、静环上的闭合力是密封流体静压力和弹簧力，保证动、静密封面紧密贴合，防止离心泵处于停车状态时的介质泄漏。
干气密封运转时，摩擦副面受力分析见图2。
由图2可以看出，正常工况条件下，当Fc=Fo时，密封端面形成一层厚度约3微米的稳定气膜；
当受到外来因素干扰，密封间隙减小、气膜厚度减小，则气体的粘性剪力增大，螺旋槽产生的流体动压效应增强，促使气膜压力增大，开启力随之增大，使Fc
只要在设计范围内，当外来干扰消除后，密封总能恢复到设计的工作间隙，使干气密封稳定运行可靠。
气膜刚度（N/mm）是衡量干气密封稳定性的技术指标，气膜刚度是指气膜作用力与气膜厚度之比，气膜刚度越大，表明密封的抗波动、抗外界干扰能力越大，密封运行越稳定。气体密度越大、温度越高、轴转速越高，气膜刚度越大。
干气密封设计，就是以获得最大的气膜刚度为目的。
3.影响干气密封性能的主要参数
3.1动压槽形状、深度的影响
理论研究表明，对数螺旋槽产生的流体动压效应最强，气膜刚度最大，稳定性最好，因此，绝大多数干气密封都以深度为3—10微米的对数螺旋槽作为密封动压槽。
3.2动压槽数量、宽度及长度的影响
干气密封动压槽数量越多，动压效应越强，但当动压槽达到一定数量后，再增加槽数时，对干气密封性能影响已经很小。此外，动压槽的宽度、长度对密封性能都有一定的影响。
3.3操作参数对密封泄漏量的影响
轴径越大，转速、压力越高，干气密封的泄漏量越大。此外，介质温度对密封泄漏量的影响是通过温度对介质粘度影响而形成的，其对密封泄漏量的影响不大。
4.干气密封的主要优点
与传统的接触式机械密封相比，干气密封有以下几个方面的优点：
（1）密封使用寿命长，运行稳定可靠；
（2）密封功耗消耗小，仅为接触式机械密封的5%左右；
（3）与其他非接触式密封相比，干气密封气体泄漏量小；
（4）可实现介质零逸出，是一种环保型密封；
（5）密封辅助系统简单、可靠，使用中不需要维护。 三、干气密封与机械密封优缺点比较
干气密封相对于机械密封具有使用安全性高，高效节能，系统维护简单，使用寿命长，抗抽空、工艺波动的能力较强，使用领域广泛等优点，并且系统操作简单，给现场带来了便利。
四、丙烯泵用干气密封改造
1.丙烯进料泵工况分析
介质特性分析：该泵位号：P506A/B温度： 14～40℃，入/出口压力： 1.6/2.6MPa，转速：2970r/min；介质为丙烯、丙烷、C4、C5等，属于高饱和蒸汽压、介质易挥发、低粘度、低引火点。由于摩擦端面在相互作用的过程中会产生热量，在端面处温度就会升高，从而极易使丙烯液膜汽化，导致密封不能正常稳定的运行。
2.丙烯泵用干气密封改造的结构选型
通过对该离心泵的结构特点及工艺条件分析，结合现场的密封气源的情况，为保证主密封在超量泄漏时介质也不向环境泄漏，按照API682-2004版，选用串联式干气密封方案；干气密封结构为串联式干气密封（2CW-CS）结构，所设计干气密封为集装式结构。密封的冲洗方案选用PLAN11+72+76。
3.串联是干气密封结构说明
串联式干气密封是两级密封串联而成，第一级为机械密封，是主密封，主密封为平衡型机械密封，弹簧旋转式结构，摩擦副采用石墨与碳化硅配对，弹簧选用316L，针对介质特点合理设计主密封参数。配合P11冲洗，适用范围广。同时在静环结构上采用带卡圈结构，很好的防止了泵在抽空的情况下导致静环推出的故障，保证了密封在易抽空的工况下也能正常运行。第二级为干气密封，平衡型，弹簧旋转式结构，摩擦副采用石墨与碳化硅配对，弹簧选用316L，密封介质为氮气。正常情况下，机械密封作为主密封起作用，干气密封为辅助密封。干气密封主要有以下作用：
1）增加主密封背压，减小密封面的磨损，延长主密封的使用寿命；
2） 当主密封失效时，干气密封可以在短时间内起到备用密封的作用，防止意外事故的发生；
3）防止主密封泄漏出的微量危险介质，直接排放到大气，起到安全、环保的作用。
4.改造后试运行过程中出现的问题及原因分析
4.1改造后试运行过程中出现的问题
2013年11月丙烯进料泵干气密封改造后试运行，密封安装上去后密封发热，密封磨损较快，说明密封仍有需要改进的地方。
4.2密封发热和泄漏的原因分析
中石化齐鲁石化分公司与成都一通密封有限公司的技术人员对泄漏原因从以下方面进行了分析：P11冲洗流量不够，密封端面因高速旋转产生的热量无法被带走导致密封端面温升过高。丙烯介质特性：低沸点、高饱和蒸汽压，丙烯进料泵，密封腔压力接近入口压力。当密封腔内介质温升超过一定值时，介质处于极易汽化的状态。
4.3干气密封进一步改进措施
4.3.1在介质侧增加节流环节流，使自冲洗介质节流环与一级密封之间形成的腔体中憋压，增大介质气化的饱和裕量，防止介质在密封腔内过早气化。
4.3.2从设计参数上进行改进：调整一级密封的端面比压、减小端面宽度，降低密封端面发热量，尽量防止介质气化。
4.3.3从机械密封冲洗系统改进：冲洗系统管线通径扩大到10mm，加大了冲洗流量使冲洗流量完全可以满足密封要求的安全流量要求，端面产生的热量可以完全由冲洗液带走，因此密封可以在液相工作环境下稳定运行。
五、干气密封控制系统
干气密封控制系统（图4）是干气密封的重要组成部分，它主要由密封气过滤单元和密封气泄漏监测单元组成。干净的密封气保证密封面不受颗粒杂质的损坏，干气密封是以微量的气体泄漏为代价换取其长周期的使用寿命，泄漏量是否稳定直接反映了干气密封运行的状态，因此，对干气密封的泄漏进行监控为设备的安全运行提供了保障。
当外部氮气管网氮气进入控制系统，经过滤器，减压阀后，为干气密封提供稳定、干燥、清洁的密封气；当主密封泄漏过大或氮气压力过低，单向阀起到防止工艺介质反串入氮气管网的作用；丙烯为易挥发介质，泄漏的丙烯汇同密封氮气通过节流孔板排向火炬燃烧，由此消除安全隐患和避免对环境造成污染；当主密封机械密封泄漏过大时，由于限流孔板的作用，密封腔压力上升，泄漏管线上的压力表指示上升表明密封失效。
要保证串联式干气密封的稳定运行，需要保证其配套的控制系统良好状态，保证低压连续稳定的氮气进入二级密封腔，将一级密封泄漏的微量介质带入火炬燃烧，保证现场的安全和环保。在使用过程中要定期检查过滤器的状态，当过滤器使用一段时间，由于杂质堵塞滤芯，过滤器两端压降增大超过一定值时应及时更换滤芯。停泵后气源不能停，必须照常供气。泵检修时先排净泵内介质，再停气。
六、结论
1.改造后实践证明，改造此泵用干气密封效果十分明显，从改造至今长周期运行一直很稳定（从2003年11月一次开车顺利到2007年5月大检修密封连续运转4年，后面更换的密封也基本维持在3年以上），保障了工艺需求。对于易气化、易挥发、危险性大的丙烯泵轴封采用干气密封完全可行。
2.造成泵用串联式干气密封失效的因素之一即是介质侧端面温度过高，导致介质在端面出现汽化现象，严重影响密封运行的稳定性。通过减小摩擦端面宽度和增大冲洗流量的方案改进，改善了的润滑状况，保证了密封良好的运行环境，延长了密封使用寿命，并达到了改进的目的和效果。
3.采用了泵用干气密封系统，系统简单，操作方便，为该该丙烯泵的运转性能提供了保障。
4.干气密封具有低能耗等特点，符合当今环保节能的要求。
参考文献
[1]Godse A G.Hydrocarbon Proc.[J]，2000，79（2）.
[2]顾永泉，机械密封实用技术；机械工业出版社，2001.
[3]王汝美 编，实用机械密封技术问答（第二版），中国石化出版社，2004.