润滑油污染干气密封的机理分析及设计优化

2020-03-27张凯陈喆汤忠滨

工程建设与设计 2020年4期

关键词：干气空隙密封圈

张凯，陈喆，汤忠滨

（中国船舶集团有限公司第七〇三研究所，哈尔滨150000）

1 引言

干气密封属于无接触密封的一种，其安装在压缩机的叶轮和轴承之间，起到密封压缩机旋转部件中的气体和液体介质的作用。但干气密封自身易受润滑油的污染，因此，对润滑油污染干气密封的原理进行分析，对于进一步提升干气密封的实用性具有重要意义。

2 干气密封的工作原理

干气密封的结构与普通的机械密封相似，其都有静环和动环2 个部件，具体结构如图1 所示。干气密封中的静环由弹簧驱动，采用碳化硅、氮化硅等质地坚硬的材料组成，起到密封作用。而动环的端面有封堵气体介质的气体槽，当干气密封工作时，气体槽的存在使得封面之间存在一定间隙，当压缩机工作产生的气体流经气体槽时，便会受到气体槽的影响导致流速减慢直至停止流动，起到密封气体的作用。

3 干气密封受润滑油的污染机理

当压缩机正常转动时，其中的润滑油从机器外部的润滑油管被注入轴承内部，起到润滑轴承的作用。而润滑油注入过多时，多余的润滑油便会从轴承的间隙流出，附着在轴承表面。在压缩机和密封装置工作正常时，密封装置会被轴承中飘散的油滴所形成的油雾包裹，不与润滑油直接发生接触，此时的密封装置可以起到阻挡轴承中的油雾的作用，防止其向外扩散。

图1 干气密封结构图

干气密封受润滑油污染的主要原因是当密封的设计或安装失误所致。干气密封受润滑油污染影响较大的主要有以下几部分。

3.1 通道1

润滑油穿过锁紧螺母和轴之间的缝隙进入干气密封，当锁紧螺母安装不牢固时，其与压缩机的转子之间便会形成空隙，润滑油可以沿着此空隙进入干气密封中。当螺母高速旋转时，附着在螺母上的润滑油会在螺纹旋转的作用下被主动送往干气密封，这一过程会加剧润滑油对干气密封的污染。

3.2 通道2

干气密封中的浮动碳环间存在空隙时，润滑油可沿此空隙进入干气密封，虽然正常的运作过程中此部位存在隔离气的吹散作用，可以在一定程度上阻止润滑油从此空隙进入干气密封中，但在实际的过程中，浮动碳环的空隙是干气密封容易受到润滑油污染的关键原因。

1）当回油腔中的油超过浮动碳环间隙的最低点时，润滑油可以从浮动碳环下方的间隙进入干气密封中，而隔离气由上方进入，导致干气密封被润滑油污染。

正常情况下，回油腔中的油位应当始终处于正常状态，油位异常升高的原因主要有：（1）回油管被堵塞或是其承载能力过低，导致润滑油难以顺利回流，聚集在轴承箱内部使得回油腔中的油位升高；（2）当油站内部的气压过高时，高气压会阻止润滑油正常回流，导致油位异常升高，而平衡气压的关键在于油箱中的排烟口，当排烟口疏散能力较弱或排烟风机无法正常工作时，便会导致油站内部的气压异常升高。

2）润滑油从轴承上的传感器的引线孔也可以进入隔离密封中，造成润滑油进入干气密封。部分搭载传感器的压缩机中往往会预留传感器连线的引线口，而这些引线口同压缩机轴承内部连接，当轴承运转时，飘散的润滑油可能从传感器的引线口进入隔离密封中，造成干气密封被污染。

3）当密封与轴承间的距离过近或轴承直径与密封段的直径相差过小时，轴承中飘散的润滑油会在轴承的旋转作用下直接对着密封喷射，极大地增加了润滑油进入密封中的概率。轴承直径与密封段直径相差过小时，可能会导致密封段难以完整地对轴承形成密封作用，加剧润滑油的泄漏，此时的润滑油可以轻易地沿着锁紧螺母进入隔离密封的间隙中。

4 优化以及改进措施

4.1 密封结构优化

4.1.1 增加积油和甩油结构

从积油和甩油结构（见图2）可知，积油结构可以防止润滑油溢出至轴承中，减少轴承中的润滑油进入密封装置的概率。因此，强化积油和结构可以增加压缩机承载润滑油的量，有效减少进入轴承中的油量。而锁紧螺母中的甩油结构可以将堆积在螺母上的润滑油快速甩出，防止润滑油通过螺母进入干气密封中。

4.1.2 O 形圈密封

O 形圈密封的位置如图2 所示，此位置为螺母和轴承之间的间隙，润滑油很容易沿此间隙进入隔离密封装置中，因此，通过改造O 形圈密封，可以进一步防止润滑油进入隔离密封，例如，更换密封性更好的密封圈、增加密封圈大小或是采用双层密封圈进一步锁紧螺母和轴承的间隙等都是不错的方法。

图2 积油和甩油结构

4.2 轴承区域优化

可通过增加轴承和密封圈的直径差的方式强化密封圈的封堵能力，较大的密封圈有助于封堵轴承的外周，防止润滑油沿着轴承的外周进入隔离密封装置中。同时，可以增加锁紧螺母挡油面的直径，防止润滑油通过锁紧螺母进入浮动碳环中。

4.3 隔离气优化设计

对于采用隔离气进行控制的干气密封，隔离气的控制应当采用流量控制，一般来说，隔离气的流速应当不超过10m/L，通过限流阀和限流板对隔离气的流量进行控制。当轴承的直径大于20cm 时，对于隔离气的流通管路还应当加装流量计，以便进一步监控隔离气的流速，在启动轴承时应当首先保证隔离气正常流通后在启动轴承，防止润滑油进入干气密封中。

4.4 现场操作优化

现场操作优化措施包括：（1）确保先供气在供油，使隔离气阻挡润滑油进入干气密封中，对于轴承较粗的大型压缩机，还应当设置流量计保证气体的流量；（2）注意排凝口的漏油状态，在压缩机工作时应当保证排凝口打开，当排凝口有漏油时，应当及时查找漏油的原因；（3）在不影响轴承工作的前提下，可以适当地降低润滑油的压力和进入轴承箱中的润滑油量。