一、引言

干气密封作为一种新型的密封技术，因其具有密封性能好、维护成本低、使用寿命长等优点，在汽轮机等领域得到了广泛应用。然而，在实际运行过程中，干气密封也会出现各种失效模式，严重影响汽轮机的正常运行。因此，对干气密封的失效模式及原因进行深入研究，对于提高汽轮机的运行效率和安全性具有重要意义。

二、干气密封的工作原理及结构特点

所谓干气密封技术是一种以极薄的气体膜将两个密封面隔离开来从而做到高效密封的技术，特别对汽轮机等高速旋转的装置，由于它既能在减少磨损的同时，又使密封性能得到提高，因此得到了广泛的运用。从技术上讲，它适用于一切要求密封的高速旋转设备。

干气密封的工作原理基于气体动力学原理，即从密封面之间引入密封气体，使之在它们之间形成一个稳定的气膜，从而对被密封的介质起到隔离作用，使之不易泄漏到环境中去，同时对密封面起到防护作用，以延长设备的寿命。在汽轮机的运行过程中，为了保证气膜的稳定性和连续性，对密封气体的压力和流量进行精确的控制。

干气密封的结构设计包括关键部分，如动环，静环，密封腔体，以及密封气体控制系统。动环和静环是密封系统的核心部件，为了保证高速旋转条件下的耐用性，通常采用碳化硅或陶瓷等耐磨性材料制成。旋转轴上安装动环，密封腔内固定静环。两环间的缝隙十分精准，保证了气膜的成型。密封腔体是气膜形成和稳定所必需的容纳动环和静环的空间。密封腔体的设计为了使气膜的分布和厚度得到优化，通常会考虑到气体动力学的特点。

对气体压力和进入密封腔的流量进行控制的是密封气体控制系统。该系统包括确保气体清洁和稳定供应的气源、过滤器、流量计和调压器等部件。滤清器是为了防止污染物对气膜的稳定性造成影响，用来清除气体中的杂质和水分。测流仪和调压仪保证精确控制气体流量和压力。此外，干气密封系统可能还包括用于改善密封性能和可靠性的辅助系统，如冷却系统、隔离系统和监控系统等。冷却系统能使密封区域温度降低，隔离系统能防止工艺介质进入密封腔，而监控系统则能对密封性能进行实时监控，对潜在故障进行预测，并及时提供检修信息。

随着技术的发展，为适应更广泛的应用需求和更苛刻的工况条件，干式密封的设计和材质也在不断优化。这些优化包括改进密封环的材料，提高密封腔几何设计精度，以及为确保在汽轮机等设备中干气密封提供更高效可靠的密封效果而研制出更先进的控制系统。

三、干气密封在汽轮机应用中的失效模式

1.干磨烧损失效

干气密封失效的一个常见原因是干磨烧损，通常由于密封动环和静环之间失去气膜的保护，导致金属面直接接触而引起。可能的原因有气体供应中断压力过低动环和静环之间的间隙不适当或密封面材料不匹配。当动环和静环直接接触时，由于摩擦产生的热量可以迅速升高，造成密封面磨损或烧损，如果密封面的材料硬度不够或耐磨性差，那么磨损的速度会加快，最终导致密封性能下降直至完全失效。除了操作失误之外，干磨烧损也会导致密封失效。如操作不当，在启动或停止过程中，由于密封面间的气体压力或流量出现突然变化，从而有可能造成气膜稳定性的破坏，并由此引发干磨现象的出现。

2.密封泄漏失效：

密封漏气失效是另一种常见的干气密封失效方式。这主要是因为气膜在密封面之间不稳定，或者受到外界的干扰，造成了气膜之间的不稳定。在理想的情况下，气膜应该是稳定的、连续的、极薄的一层，但在实际操作过程中，气膜可能会因为各种因素(如密封面的加工精度、气体压力、温度等)的影响而变得不稳定，甚至遭到破坏。介质(如蒸汽、水等)有可能在气膜不稳定或被破坏的情况下，通过密封面间的空隙渗漏而造成密封失效。漏雨的大小要视多方面的因素而定。一是密封面的处理精度直接影响漏气。密封面如果加工精度不够高，就会造成缝隙过大，漏洞量就会增大。其次，泄漏量也会受到气压和气温的影响。气膜的稳定性会受到气体压力或温度变化的影响，从而可能导致漏气增多。

3.控制系统故障失效

保证干气密封正常运转的控制系统是重点部分之一，它包含了多个环节的过滤作用和控制效果两个方面。任何一个环节出现故障都有可能影响到密封效果从而最终引起密封失效。具体地说就是由于密封气的过滤系统失效造成气体中含有杂质或水分子等物质从而破坏气膜的稳定性并形成沉积物；由于控制密封气体流量或隔离气体压力控制部分出现故障造成气压或流量不稳定进而使气膜稳定性下降从而出现密封失效的情况。所以为了保证干气密封的正常运行，对于任何一个可能出现的环节都要引起足够的重视。同时对于控制系统的维护和保养也是关键中的关键。

四、干气密封失效的原因分析

1.安装不当

安装干式密封是一个精细的过程，任何偏差都有可能造成性能下降，也有可能出现早期失效的情况。安装时一定要在几微米内控制动环和静环的对中精度。包括工具不精确、安装人员缺乏经验或环境条件不佳等多种因素都可能导致安装不当。例如，对工业汽轮机的一项干式气封失效分析表明，主要原因之一就是安装不当造成的气封失效。保持密封面间的均匀性气膜，正确的安装预载力是必不可少的，预载力不当会造成密封面磨损过度或气膜失效。而密封面在安装时出现的划痕或凹陷等微小损伤，也有可能是故障的起始点。所以安装人员必须经过激光对中仪、表面粗糙度测量仪等高精度测量工具的专业培训，才能保证安装质量。同时安装环境要对温度、湿度进行控制，避免密封组部件因环境变化而出现大小不稳的情况。

2.操作失误

操作失误往往与控制系统的不当操作联系在一起。操作失误的主要原因是操作者不熟悉干气密封的工作原理，不熟悉控制系统。如气膜厚度不均匀或不稳定可能会因密封气体流量控制不当而造成密封失效。操作者需要根据工作条件的变化，对气压和流量进行适时的调整，使气膜保持稳定。控制系统的复杂程度要求操作者有一定的技术背景，也需要有一定的从业经验。所以，除了常规的训练之外，用户友好的操作界面也应该开发出来，详细的说明书也应该提供出来，这样才能减少操作出错的可能。另外，控制系统应具有能够指导操作者正确操作的自我诊断功能，并提供明确的错误信息和发现异常时的解决办法。

3.气体质量不合格

密封气体的质量直接影响干气密封的性能和寿命。气体中的固体颗粒、水分和油分是导致密封面损坏的主要原因。例如，实验室测试表明，含有0.1微米及以上颗粒的气体在运行100小时后，密封面的磨损率显著增加。因此，必须在密封气体进入密封腔之前，通过多级过滤系统去除固体颗粒，并通过干燥系统去除水分。此外，定期对过滤和干燥系统进行检查和更换，以保持其高效性。同时，应采用高质量的气体源，并在气体供应系统中安装在线监测设备，实时监控气体质量，确保气体质量始终符合标准。

4.控制系统故障

控制系统对干气密封的稳定性有直接的影响，因此它的可靠性是重点考虑因素之一。引起控制系统故障的原因很多，既有硬件的老化问题也有软件上的缺陷以及传感器的漂移等，因此为了保证系统的可靠性，控制系统设计要充分考虑冗余和容错机制。另外，定期的诊断测试和预防性维护能够对潜在的问题进行及时的发现和修复或更换。另外，为了便于快速诊断和更换故障部件，模块化的设计也是必不可少的。另外，为了保证控制系统的软件能够及时更新，要适应新的操作要求和技术标准。同时，定期更新系统软件。也是保持控制系统能够适应新的技术需要的有效途径。

五、改进措施

1.提高安装精度

安装精度对干气密封的运行效果和寿命有直接的影响，一项针对工业应用中干气密封失效的案例研究显示，超过60%的早期失效是由安装不当造成的，因此制定一套完善的安装流程是十分必要的，明确每一步安装要求及标准，从源头上杜绝安装错误的可能性。另外，在安装前对安装人员进行专业培训也必不可少，培训内容应涵盖密封组件的构造特性安装步骤及注意事项等方面的知识，保证安装人员熟练掌握安装技能。在安装过程中，为了进一步提高安装精度，可结合现代测量技术加以运用。例如，利用激光对中仪可精确地测量和调整设备同轴度，利用光学坐标测量系统可保证动环和静环的精确位置，在考虑环境因素对安装精度影响的同时，采取相应补偿措施来消除这些影响，在安装完成后进行综合检查，对各部件按制造商规定的技术参数进行检测，对密封面的平行度和平整度进行非接触式测量，确保密封面之间没有任何微小的间隙或凸起，从而使密封效果达到最佳状态。

2.加强操作培训

提高干气密封性能的有效途径是做好操作培训，培训内容应包括干气密封的工作原理和结构特点，控制系统的操作程序以及故障诊断和排除方法等方面的知识，通过案例分析的方式使参训人员对密封失效的原因及预防措施有深入的了解和认识，通过引入模拟操作软件使参训人员在实践中得到锻炼和提高。另外，建立持续的学习机制，对参训人员进行经常性的知识和技能的更新和培训，使参训人员适应日新月异的技术发展和变化。提高参训人员的业务水平，对因操作失误导致的密封失效风险将起到很大的降低作用。

3.保证气体质量

保证干气密封的稳定性和可靠性，对密封气体的质量有很重要的影响。所以要建立一套完善的气体质量控制流程。第一，对进入密封系统的气体进行严格的过滤和干燥处理，去除其中的固体颗粒液体杂质和水分等污染物，使气体的质量达到标准要求。其次，对过滤和干燥系统进行定期的检查和维护，保证其持续有效地工作，包括对过滤器进行清洗，对干燥剂进行更换，对管道连接进行检查等，从而做到及时发现问题并加以解决，保证气体质量始终保持在标准要求的范围内，从而保证干气密封的稳定性和可靠性。另外，还应采取在线气体分析仪对气体中的污染物含量进行实时监测，以便及时发现气体质量的变化并采取相应措施加以解决，通过保证气体质量，进而避免污染物对密封效果造成的影响，并提高干气密封的稳定性和可靠性，做到心中有数。

4.加强控制系统维护

保证干气密封的正常运转，控制系统的维护必不可少。因此，建立一套定期的检查和维护计划，以强化这方面的维护显得尤为重要。第一，对控制系统中的各个部件进行定期的检验，对压力传感器有流量控制器有压力调节器有电气元件等。对各部件的工作状态和数据输出情况，做到心中有数。其次，为达到预测性维护的目的，对系统的运行状态和性能数据进行监测与分析，从而对潜在的故障做到心中有数并提前进行维修与更换，以使控制系统的寿命和可靠性得到提高。执行预测性维护战略，可以使故障发生的几率大大降低，从而使停机时间有所缩短。

此外，还应对控制系统软件作定期更新及维护的工作。因为随着技术日新月异的发展及变化。控制系统的软体也必须跟着不断更新才能符合新的运行的要求及技术标准的日益提升。定期更新软件并加以解决潜在的安全隐患与瑕疵能够提高控制系统的安全与稳定性的改善工作进行有效开展。

维护中，为了保证控制系统的正常运转及可靠性，应该用高品质的替换部件；另外对于有专业技能及知识的维护人员进行专门的训练，做到准确诊断及处理问题；同时对于整个控制系统进行有效的维护及管理工作，使干气密封的运转正常并延长它的寿命。从总体上讲，通过强化控制系统的维护管理来保证干气密封的运转正常及延长它的寿命是行之有效的办法。

六、结论

干气密封作为一种先进的密封技术，其前景无疑是广阔的，对汽轮机的应用有很大的实际意义。能够有效地提高汽轮机的运行效率和安全性，通过深入研究和分析干气密封的失效模式和原因，并采取相应的改进措施。干气密封未来将在更多领域发挥重要作用，技术不断进步，应用不断扩大。

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