壓縮機用螺旋槽干氣密封技術(shù)

1、 壓縮機用螺旋槽干氣密封技術(shù) 李鳳芹 王 強 宋遠紅/西華大學機械工程學院摘要：探討了螺旋槽干氣密封技術(shù)，詳細分析了螺旋槽干氣密封技術(shù)的結(jié)構(gòu)、特點及工作原理，探討了密封參數(shù)，并舉例分析了干氣密封系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：干氣密封；螺旋槽；工作原理；密封系統(tǒng)中圖分類號：TH452 文獻標識碼：B文章編號：1006-8155（2008）01-0033-04Technology of Spiral Groove Dry Gas Seal for CompressorsAbstract: The paper discusses technology of spiral groove dry gas seal an

2、d analyzes its structure, characteristics and working principle in detail. The seal parameters are also presented and dry gas seal system is analyzed in example. Key words: dry gas seal; spiral groove; working principle; seal system0 引言隨著科學技術(shù)和石油化工工業(yè)的飛速發(fā)展1，各種離心壓縮機得到了廣泛的應用。由于操作條件的不同，尤其是高壓、易燃、易爆、有毒氣體等苛

3、刻條件，使得密封技術(shù)至關(guān)重要。離心壓縮機常用的軸封方法有迷宮密封、機械密封和浮環(huán)密封等。但迷宮密封因為泄漏只能用在壓力不高的中性介質(zhì)（如空氣和氮氣）壓縮機上。對于工藝氣，例如石油氣、氫氣以及其他易燃和有毒氣體是不能用迷宮密封的，只能用機械密封和浮環(huán)密封。但這兩種方法都必需配備密封油站，而且也必然有少量的密封油泄漏到工藝氣體中，由此帶來很多弊端。這就迫使人們探索一種可靠性高，經(jīng)濟效益好的離心壓縮機軸封方法， 經(jīng)過長期的研究，英國的約翰克蘭公司推出了氣體螺旋槽密封。由于干氣密封屬于非接觸式密封，因此密封摩擦副材料基本不受PV值的限制，特別適合作為高速、高壓設備的軸封，干氣密封的出現(xiàn)是密封技術(shù)的一次

4、革命，氣體密封的難題從此得到解決，而再不會受到密封潤滑油的限制。1 干氣密封的發(fā)展現(xiàn)狀干氣密封是一種新型的非接觸式機械密封。干氣密封的概念是60年代末期從氣體潤滑軸承的基礎上發(fā)展起來的。1968年約翰克蘭公司的伽德納研制并試驗出圓弧面螺旋槽非接觸式機械密封。20世紀90年代初逐漸開始應用在中低速旋轉(zhuǎn)機械如離心泵、攪拌釜中，并取得了良好效果。目前，干氣密封主要用于天然氣管線壓縮機、煉油廠和石油化工廠的透平壓縮機，并已擴展到通風機、鼓風機等旋轉(zhuǎn)設備上。中國的干氣密封發(fā)展起步比較晚，密封產(chǎn)品長期以來主要依賴進口,到90年代初，與進口高速透平壓縮機配套的干氣密封開始進入中國市場。1990年，石油大學顧

5、永泉、王建榮等首先研制和試驗了泵入式圓弧槽氣體端面密封。90年代初，國內(nèi)一些機械密封廠家開始試制干氣密封產(chǎn)品，1994年有天津鼎名密封公司研制的第一臺國產(chǎn)干氣密封。于1996年底在燕山石油化工廠首次應用成功，打破了在該領(lǐng)域內(nèi)中國市場一直被國外所壟斷的局面。目前，石油大學化工機械研究所流體機械及動密封研究室、四川日機密封件有限公司等單位也相繼開展有關(guān)的研究開發(fā)工作，并取得了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果。 2 干氣密封結(jié)構(gòu)特點和槽型用于離心壓縮機的干氣密封，其結(jié)構(gòu)和普通泵用機械密封基本相同2，也有靜環(huán)、動環(huán)、彈簧以及輔助密封圈和軸套組成3。圖1所示為干氣密封旋轉(zhuǎn)環(huán)示意圖。干氣密封在動環(huán)（硬環(huán)）面上刻

6、有特殊作用的淺槽，旋轉(zhuǎn)起來密封端面上產(chǎn)生流體動壓，所以也稱為動壓槽。常見的幾種淺槽形式如圖2所示。3 螺旋槽干氣密封干氣密封的首次出現(xiàn)就是螺旋槽形式如圖2所示，又通過近30年的反復研究發(fā)現(xiàn)，螺旋槽的密封性能、氣膜剛度較其它槽型要好得多。3.1 螺旋槽干氣密封的結(jié)構(gòu)和原理 1.動環(huán) 2.靜環(huán) 3.彈簧 （a）螺旋槽 （b）直線槽4、5、8.O型圈 6.軸 7.組裝套 （c） 圓弧槽 (d) T型槽圖1 干氣密封的基本結(jié)構(gòu) 圖2 常見的幾種干氣密封的槽形螺旋槽干氣密封的工作原理，實際上是一種潤滑氣膜流體的動、靜環(huán)結(jié)合型非接觸式機械密封與氣體阻塞密封的有機結(jié)合4。旋轉(zhuǎn)環(huán)表面是精加工出螺旋槽后經(jīng)過研磨

7、、拋光處理的。螺旋槽深2.510m。螺旋槽的型線有對數(shù)螺旋線和阿基米德線兩種，前者為內(nèi)外圓等槽角螺旋線；后者為邊槽角螺旋線，干氣密封的螺旋線通常采用對數(shù)螺旋線， (a) （b） 圖3 螺旋槽干氣密封工作原理干氣密封的工作原理5實際上是利用流體動壓力與流體靜壓力和彈簧元件彈力的合力與閉合力的平衡，在動靜環(huán)摩擦副之間形成一定厚度的氣膜，從而達到密封的目的。靜止狀態(tài)下，在工作壓力下的靜環(huán)受介質(zhì)壓力和彈性元件的彈力，此二力的作用方向是將靜環(huán)緊貼在動環(huán)上，稱為密封端面間的閉合力Fc。該力與動環(huán)是否轉(zhuǎn)動無關(guān)，屬流體靜壓力。當動環(huán)旋轉(zhuǎn)時，氣體介質(zhì)經(jīng)螺旋槽泵吸作用，進入收斂形螺旋槽，氣體介質(zhì)被引向中心（圖3b

8、），在被壓縮的同時因密封堰的阻礙，氣體壓力逐漸增大而試圖推開撓性定位的靜環(huán)，該壓力是動環(huán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的稱為流體動壓。它作用在動靜環(huán)之間，力圖把兩者分開，稱此力為開啟力Fo,(圖4)，在某一轉(zhuǎn)速下開啟力和閉合力相等即Fo=Fc。動靜環(huán)之間保持某一間隙，兩者處于平衡狀態(tài)，并保持足夠的氣膜剛性，實現(xiàn)非接觸式密封。這樣，氣體壓力和彈簧力與開啟力剛好配合好，使氣膜具有良好的彈性，形成穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)并防止密封面相互接觸。在正常運轉(zhuǎn)條件下該密封的閉合力等于開啟力，這是理想的設計工況，若受到外來干擾，間隙減小，則氣體剪切率增大，螺旋槽開啟間隙的效能增加，開啟力大于閉合力，恢復到原間隙；若受到外擾間隙增大，則縫隙內(nèi)膜下

9、降，開啟力小于閉合力，密封面合攏恢復到原間隙，只要在設計考慮的范圍內(nèi)，外擾消失后馬上即可恢復到原來的位置。這種阻止氣膜間隙改變的自我恢復能力叫氣膜剛度，因此，螺旋槽面密封對壓力波動和外來機械干擾是很敏感的。只要密封設計能產(chǎn)生最大的氣膜剛度和很小的平衡間隙的最佳工況，螺旋槽面密封的運轉(zhuǎn)時間間隙變化就不會很顯著，因此，衡量干氣密封穩(wěn)定性的指標就是密封產(chǎn)生氣膜剛度的大小，氣膜剛度越大，表明密封的抗波動能力越強，密封運行就越穩(wěn)定。3.2 影響干氣密封性能的主要參數(shù)干氣密封的性能主要體現(xiàn)在密封運行的穩(wěn)定性（或者說使用壽命）和密封泄漏量的矛盾上面，影響干氣密封泄漏量的直接因素就是干氣密封的氣膜厚度，也就是

10、干氣密封運轉(zhuǎn)時密封面間形成的工作間隙。 3.2.1 密封結(jié)構(gòu)參數(shù)彈簧力介質(zhì)力閉合力FcH=0.003Fo=Fc開啟力Fo氣體壓縮氣體膨脹閉合力=彈簧力+介質(zhì)力正常工作間隙氣膜反力分布圖4 干氣密封受力圖(1) 干氣密封動壓槽深度研究表明：干氣密封流體動壓槽深度與氣膜厚度為同一量級時密封的氣膜剛度最大6。實際應用中，螺旋槽干氣密封的動壓槽深度一般在2.510m。在其余參數(shù)確定的情況下，動壓槽深度有一最佳值。（2）干氣密封動壓槽數(shù)量 理論研究表明：干氣密封動壓槽數(shù)量趨于無限時，動壓效應最強。不過，當動壓槽達到一定數(shù)量后，再增加槽數(shù)時，對干氣密封性能影響已經(jīng)很小。（3）其他結(jié)構(gòu)的影響另研究表明：干氣

11、密封動壓槽寬度、動壓槽長度對性能都有一定的影響。3.2.2 操作參數(shù)對密封泄漏量的影響（1）密封直徑、轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響密封直徑越大，轉(zhuǎn)速越高，密封環(huán)線速度越大，密封的泄漏量就越大。（2）密封介質(zhì)壓力對泄漏量的影響 在密封工作間隙一定的情況下，密封氣壓力越高，氣體泄漏量越大。（3）介質(zhì)溫度、介質(zhì)粘度對泄漏量的影響介質(zhì)溫度對密封泄漏量的影響是由于溫度對介質(zhì)粘度有影響而造成的。介質(zhì)粘度增加，動壓效應增強，氣膜厚度增加，但同時流經(jīng)密封端面間隙的阻力增加。因此其對密封泄漏量的影響不是很大。4 壓縮機用干氣密封測試系統(tǒng)壓縮機用干氣密封測試系統(tǒng)主要有兩個方面的功能：（1）提供干燥、潔凈、穩(wěn)定的氣源；（2）

12、對密封運行狀況進行監(jiān)控，一旦氣源壓力出現(xiàn)異?；蛎芊馐r產(chǎn)生報警。干氣密封系統(tǒng)主要有三大部分組成：過濾器、壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)（差壓控制器和差壓變送器）及密封泄漏量和供氣壓力監(jiān)控單元組成。筆者舉例說明帶迷宮密封的串連密封干氣密封的測控系統(tǒng)如圖5所示。在外密封和迷宮密封之間注入壓力略高于大氣壓的氮氣。氮氣進入后有兩個流向，向右邊的一路經(jīng)外密封后泄漏出來。由于該密封兩側(cè)壓差很小，所以泄漏量也很小。向左邊的一路經(jīng)過迷宮密封減壓后，與內(nèi)密封泄漏的工藝氣混合放火炬燒掉。放火炬線路上有限流孔板、流量計、壓力指示和報警。當內(nèi)密封失效泄漏量增大時背壓增加直至報警。內(nèi)密封的內(nèi)側(cè)注入從壓縮機出口引來的經(jīng)過過濾的清潔的工藝

13、氣，由差壓控制閥來調(diào)節(jié)進氣壓力。啟動時沒有工藝氣用氮氣來代替。過濾器的精度為2m。壓力開關(guān)/報警流量表壓力表N2放空外密封泄漏N2壓力指示/報警火炬流量表內(nèi)密封泄漏迷宮密封流量表放空放空差壓變送器差壓控制閥啟動時用氮氣迷宮密封壓縮機工藝側(cè)來自壓縮機出口氣體工藝氣隔離氣內(nèi)密封泄漏圖5 帶迷宮密封的控制系統(tǒng)5 結(jié)束語近年來，螺旋槽干氣密封技術(shù)迅速發(fā)展，由于工作可靠、使用和維護經(jīng)濟，日益受到人們的重視。隨著干氣密封技術(shù)的進一步發(fā)展和完善，它必將在壓縮機中得到更廣泛的應用。 參 考 文 獻1王汝美.實用機械密封技術(shù)問答M.2版北京：中國石化出版社，2004.2徐祥發(fā),沈兆乾.機械密封手冊M.南京: 東南大學出版社，1990.103陳德才,崔德容.機械密封設計制造與使用M.北京：機械工業(yè)出版社，1993.44顧永泉.流體動密封M.東營：石油大學出版社，19908