何文丰
（中国石化镇海炼油化工股份有限公司炼油三部 浙江宁波 315207）
摘要 离心压缩机轴端常采用浮环密封结构，本文讲述了浮环密封的基本结构、原理，并通过浮环密封常见的问题进行分析，提出了浮环密封安全稳定运行的条件与注意事项。 关键词 浮环密封 参考气 缓冲气 磨损
1 前言
离心压缩机在炼油化工装置中应用十分广泛，其所输送的介质一般为易燃、易爆气体。压缩机的轴端密封是机组安全运转的关键，目前工业上已成功运用的密封形式有：油膜密封、机械密封、干气密封。油膜密封又主要有：常规油膜密封、TAPER CONE型油膜密封、TBS型油膜密封三种[1]。常规油膜密封（也就是我们常见的浮环密封，以下简称浮环密封）不受密封介质压力限制，已有50多年的使用经验，使用可靠。但在使用中遇到了一些问题，本文对这些问题进行了分析，并介绍了这些问题的处理方法。
2 浮环密封的结构及原理
2.1 浮环密封的结构
浮环密封由内浮环(介质侧密封环，又称高压密封环)、外浮环(大气侧浮环，又称低压密封环)、浮环座、弹簧、防转销等组成，其基本结构参见下图1。
图1 浮环密封的结构示意图
2.2 浮环密封的原理
浮环密封是一种非接触式密封。为了防止气体漏出机外，在高压密封环和低压密封环之间注入稍高于密封气体压力的密封油，其压力一般控制在比被密封气体压力高0.05MPa左右。密封油通过高压密封环和低压密封环与轴之间的间隙，沿轴线方向向两端流出，转子高速运转时，流入浮环间的密封油就在浮环与轴之间形成稳定的油膜，由于油膜充满整个浮环间隙，所以可阻止气体介质的外漏。浮环由锻钢制成，浮环内表面浇铸一层轴承合金，与旋转轴相配合，二者保持较小的间隙。
浮环侧面有防转销（如图1中：20），使浮环只能浮动，不能随轴转动。内浮环与隔座之间还装有弹簧（如图1中：7），将浮环与密封体的侧面压紧，防止高压密封油从侧面泄漏，影响密封效果。
2.3 浮环密封的特点及应用
浮环密封的优点：a)结构简单，使用寿命长；b)密封稳定；c)适用的转速范围大。
浮环密封的缺点：a)要求的制造精度高；b)控制系统复杂；c）辅助系统投资大，运行费用高。
由于浮环与轴承类似，具有自动对正轴心的特性，浮环与轴间的间隙很小，特别适用于大压差条件下的密封，并且在正常工作情况下，轴与浮环间有一层液膜，形成液体摩擦工况，浮环与轴不发生磨损，也很安全，故适用于高速旋转机械的密封。浮环密封常用于压缩有毒、易燃、易爆气体的轴端密封。特别适用高压、高转速的离心压缩机的轴端密封。
3 浮环密封的油路与控制系统
为保证浮环密封的可靠性，浮环密封油路与控制系统的合理设计、维护是至关重要的。典型的浮环密封油路与控制系统参见图2。系统中密封高位油罐顶部气室与浮环密封的油气混合腔相连，此气称为参考气；平衡管内气体简称为平衡气，而为了防止介质外漏污染密封油在平衡气与参考气之间注入较为干净的气体，我们称之为缓冲气。浮环密封油路控制系统2个压差、2个液位稳定控制尤为重要。2个压差是指缓冲气与平衡气、密封油与参考气之间的压差，2密封油个液位是指高位油罐和油气分离器的液位。
3.1 密封油与参考气
密封油的压力一般控制在比参考气压力高0.05MPa，其压差是靠高位油罐的液位来控制的，高位油罐设置在压缩机轴线上方约5～7米，5～7米高的油柱静压就形成了密封油与参考气的压力差。为了保持此压差或者说密封油高位罐的液位稳定，系统中靠控制阀PDCV2.40与LIC2.50联合来控制，LIC2.50为主动调节控制高位油罐的液位，PDCV2.40为被动调节控制密封油返回油箱的流量。
3.2 缓冲气与平衡气
缓冲气与平衡气的压差靠控制阀PDCV2.60来控制，一般按照缓冲气比平衡气高0.05～0.1MPa来控制。缓冲气比平衡气压力高的作用：防止密封油混合气窜到压缩机机体中去，隔绝循环氢与密封油的接触，保持密封油油质良好。假如缓冲气与平衡气压差过低或者缓冲气取消，密封油混合气就有可能通过迷宫密封窜入到机体中去，或者机体内气体窜入内回油。实际上不论是润滑油内窜还是工艺气体外窜都非常不利于机组的平稳操作。
图2 密封油路与控制系统典型流程图
4 浮环密封的几个重要参数
4.1 浮环密封的漏油量
浮环密封漏油量与密封油的流动状态有关系，所以要计算浮环密封的漏油量，需首先判断密封油通过浮环间隙的流动状态，流动状态分为层流和紊流。在设计计算中，可改变密封环结构参数和密封油参数，尽量使浮环密封油的流动状态处于稳定的层流状态，以延长浮环的使用寿命。对于层流状态，浮环密封的漏油量为：
浮环密封的漏油量一般控制在内浮环20～40升/天，外浮环20～40升/分钟。
4.2 浮环密封的回油温升
对于内浮环，其轴向压差△P值固定在0.05MPa左右。
对于外浮环，其轴向压差△P值等于介质气体压力与大气压力的差值，也就是说取决于介质的压力，设计工况下△P值符合设计要求，则泄漏量Q也符合设计要求，但是当压缩机远离设计工况在较低压力运行时，△P值偏离设计值也偏小，Q也过小，回油量的减少易造成浮环温度升高，如果温度升高到一定程度就会造成浮环的轴承合金损坏，甚至发生抱轴，造成事故。
浮环密封的回油温升计算如下：
由上面式(1)、(2)可知，浮环密封油的泄漏量与△P、间隙值S成正比。减少间隙S，可以降低泄漏量，但是间隙过小，摩擦热量带不走，容易导致浮环损坏；间隙过大，耗油量大，经济上不合理。浮环间隙一般均在下列范围选取[2]：
内浮环半径间隙S＝(0.0005～0.001)×D
外浮环半径间隙S＝(0.001～0.002)×D
当压缩机入口压力大于7MPa后，外浮环两侧压差较大，可以使用多环结构（如上图1中使用2道外环），以减少每个浮环承受的压差值，并可以减少泄漏量。
5 浮环密封的常见问题分析
5.1 压缩机的最低启动压力
某加氢循环氢压缩机设计压力为1.86MPa，其外浮环间隙为0.26～0.30mm。镇海炼化加氢裂化装置循环氢压缩机C301设计压力达到18.75MPa，为了减少其正常运行时的外回油量，其外浮环存在一定的锥度，小头为0.11～0.13mm，大头为0.19～0.21mm。
由上式（1）及式（2）可知，当压缩机C301在较低压力运行时，其外浮环压差较低，如运行压力为3.0MPa时，外浮环压差仅为正常运行时压差的20％左右，外回油量会比在设计工况下运行时大大减少，以至于有可能无法带走热量。为了避免浮环温升过大，造成浮环过热而失效，高压压缩机在低压运行时要进行外回油温升的核算。
有人曾对镇海炼化加氢裂化BCL406/A进行过核算，结果表明在该压缩机在7000rpm运行时的压力不低于3.2MPa，在6000rpm运行时的最低运行压力不低于2.5MPa[3]。现在对加氢裂化C301的日常操作中要求做到：
（a）装置开工一般在系统压力达到3.5MPa时才开压缩机C301，以确保浮环密封的安全运行；
（b）装置停工降压时，随着系统压力的降低压缩机的转速要也要降低，当系统压降低到3.5MPa时停运机组。
5.2 外回油偏流
2002年加氢裂化装置C301两端外回油温度偏差较大，低压侧外回油温度相对高压侧外回油温度要高30℃。详见下表1。
表1 加氢裂化C301外浮环回油温度记录
时间 | 油箱温度 /℃ | 油箱冷后 温度/℃ | 出口压力/MPa | 转速 /rpm | 缓冲气 温度/℃ | V303压力/MPa | 低压端回油 温度/℃ | 高压端回油 温度/℃ |
2.27 | 44 | 42 | 17.8 | 8257 | 74 | 15.4 | 87.5 | 58.0 |
2.28 | 42 | 40 | 17.8 | 8259 | 70 | 15.4 | 87.0 | 56.0 |
2.28 | 42 | 40 | 17.8 | 8259 | 70 | 15.4 | 86.5 | 56.0 |
3.1 | 42 | 39 | 17.8 | 8259 | 70 | 15.4 | 87.5 | 56.5 |
3.1 | 42 | 40 | 17.8 | 8259 | 70 | 15.4 | 84.0 | 56.0 |
3.4 | 40 | 39 | 17.8 | 8259 | 69 | 15.4 | 85.5 | 55.5 |
| | | | | | | | |
最初原因分析及采取措施：可能是低压端外浮环间隙过小，采用对平衡管、缓冲气管线及密封油冷却器进行浇淋冷却水的方法，对低压端外回油温度的下降起到了一定的作用，低压端外回油温度降低了约3～4℃。
由于浮环温度一直较高，最高达到了89℃，2002年3月10日对C301进行了停工抢修。检查情况：低压侧2只外浮环情况较好，内浮环巴氏合金有些脱落，并有结焦情况；高压端2只外浮环明显磨损，磨损最大达到＋0.24mm，内浮环结焦较严重，高压端外侧外浮环盒密封面磨损。详见下表2。
表2 加氢裂化C301浮环检修情况
项目 | 前浮环内环 | 前浮环外环 | 后浮环内环 | 后浮环外环 |
直径 | 间隙 | 直径 | 间隙 | 直径 | 间隙 | 直径 | 间隙 |
检修前 | 结焦 | 严重 | 105.41 | 0.42 | 结焦 | 严重 | 105.21 | 0.23 |
检修后 | 105.07 | 0.08 | 105.16 | 0.19 | 105.07 | 0.09 | 105.16 | 0.19 |
标 准 | | 0.07～0.09 | | 0.19～0.21 | | 0.07～0.09 | | 0.19～0.21 |
| | | | | | | | |
由上式（1）可知，检修前的低压端外浮环的间隙为高压端外浮环间隙的2倍，回流量之比将接近8：1，偏流就不可避免，所以会出现温差达到30℃的不正常情况。检修更换全部浮环后两端外浮环回油偏流现象没有出现，运行正常，两端回油温度均保持在80℃左右。
5.3 浮环磨损
5.3.1 外浮环磨损
镇海炼化公司加氢裂化循环氢压缩机C301在2001年5月5日、5月6日、5月7日曾连续发生外浮环磨损。现象为高压端外回油泄漏量增大，回油管线来不及排油，高压端密封油外回油从机体上部冒气管大量冒出，连续3次被迫停机处理进行浮环检修。3次检修都发现外浮环磨损严重，内浮环磨损情况较好，并且封油进油法兰过滤网拆出有块状焦粉。
分析原因认为高位油罐较脏，在高位油液位下降过程中，高位油中的脏物进入浮环中引起浮环磨损，导致外回油漏量增大冒油。决定对密封油罐换油清理，对高位油罐进行退油，高位油罐、参考气管线至压缩机出口管线和吹扫，吹扫完后跑油，5月8日开机正常。
2003年5月C301大修后，对密封油系统进行了吹扫，发现高位油罐、参考气线很脏，吹
扫出来很多颗粒杂质，经过多次吹扫后跑油更换密封油过滤器滤芯，基本上保证了密封油系统的清洁，2003年6月C301开机后没有出现浮环密封异常的情况。
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