流体密封技术的应用与发展

流体密封与流体机械
题目：流体密封技术的应用与发展班级
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2010年12月19日
流体密封技术的应用与发展
摘要：流体密封作为一门新兴的工程技术学科正越来越受到各行业的关注。

本文对流体
密封的定义、作用、重要性、主要应用领域，应用现状以及最新进展和未来展望作一番简单介绍并阐述了一些事例的原理。

关键词：流体密封；迷宫密封;浮环密封；机械密封；干气密封
流体密封的作用及重要性
流体密封是防止或限制流体泄漏的工程技术或零部件。

起密封作用的零部件通常称之为密封件。

放置密封件的部位称为密封腔。

较复杂的密封．特别是带有辅助系统的密封，称为密封装置。

被密封的流体包括气体、液体、以及气体／液体混合物、气体／液体／固体颗粒(particles)混合物。

泄漏(1eakage)是指具有负面作用的质量迁移。

被密封的流体通常以三种形式泄漏：穿漏、渗漏和扩散。

穿漏是在压力差(differential pressure)作用下通过密封间隙引起的质量迁移(包括漏出和漏入)。

渗漏(seepage)是在表面张力(surface tension)作用下通过密封件材料的毛细管的质量迁移。

扩散(diffusion)是在浓度差(differential concentration)作用下通过密封间隙的质量迁移。

流体密封装置(或密封)是流体机械、工艺设备、液压设备、管道和阀门等的重要组成部份。

其主要作用有：维持设备的正常工作条件，如高压、高真空等；保证设备及人身的安全；消除或减轻环境污染；防止或减少物料和能源的消耗．提高设备的效率。

流体密封是机械设备的易损性、关键性和基础性零部件。

密封件虽然不大，但往往能决定机器设备的安全性、可靠性和耐久性。

例如：震惊世界的美国“挑战者”号航天飞机的失事原因就是由橡胶密封圈的失效引起的：改进航空发动机的密封可提高其效率2～3个百分点；在石油化工透平机械上采用干气密封(dry gas seals)．是革命性的进步，大大提高了高速透平机械工作的经济性、可靠性和耐久性
流体密封技术的主要应用领域
流体密封虽然只是机器和设备的一个零部件，但其应用范围极其广泛，几乎囊括了工农业生产和人们日常生活的各个方面，凡是需要将两个流体参数不同的腔体隔离的地方都需要流体密封。

其主要应用领域包括：石油和天然气开采和输送，炼油厂的各种动设备和静设备，石油化工和化工(乙烯、化纤、化肥等)的动、静设备，能源工业(水力、火力和核发电)，矿山和工程机械，轻工(造纸等)，食品，医药，水陆交通(汽车、火车、舰艇、船舶)，航空(发动机、液压系统、机舱)，航天(液体火箭发动机、飞船)等。

流体密封技术的应用实例
全无油润滑技术
传统的透平机械的油系统．包括密封油系统和润滑油系统，不仅结构复杂、占地面积大，也是故障率比较高的一部分。

采用干气密封(Dry Gas Seals)与磁力轴承(Magnetic Bearings)相结合的全无油润滑技术，彻底摒弃了密封油系统，将极大地提高透平机械运行的可靠性和经济性，是透平机械发展的革命性进步。

迷宫密封及其发展
迷宫密封是利用节流降压来减小气体的泄漏量，通过抽气与充气可以密封危险性气体。

其优点是：非接触式．使用寿命长：结构简单．制造成本低．维护方便。

但存在的缺点是：泄漏量大．运行维护费用高：有环境污染的危险。

炼油、化工等行业危险性工艺气体压缩机使用的第一代轴端密封就是迷宫式抽充气密封。

为了克服迷宫密封泄漏量大的缺点．出现了小间隙的碳环密封(如图2所示)。

碳环密封的优点为：密封为干运转状态，不需要润滑剂来润滑：因无旋转组件安装在轴上，因此不会产生附加的轴振动；由于径向间隙很小．其泄漏量与普通的迷宫密封相比要小很多．不到迷宫密封泄漏量的1／10。

碳环密封作为轴端密封．主要用于低压压缩机和风机中。

浮环密封及其发展
浮环密封是压缩危险性工艺气体的透平压缩机轴端密封的传统型式，到目前为止，在各种实际应用的密封型式中仍然占据一定地位，特别是在一些老机组和高压领域内。

从发展历史看，这种密封是替代迷宫式抽充气密封的第二代密封。

浮环密封是采用“以油封气”的原理来实现被密封气体的零泄漏。

从原理上来说，浮环密封是一种液体(油)节流式非接触密封，通过油楔作用使浮环克服自重而与轴或轴套保持一定的间隙，避免固体间的直接接触。

浮环密封有两大主要优点：①属于非接触式密封，寿命长，可靠性高；②适用于高速和各种压力等级，工况范围广。

正是这两点使浮环密封成为危险性工艺气体压缩机轴端密封的传统型式。

然而，浮环密封也有两大缺点：①内泄漏较大，回收处理内泄漏油(污油)的设备比较复杂庞大，包括油气分离器、脱气槽及控制系统。

特别是当内泄漏过大和该系统失灵时便存在密封油污染工艺回路的危险，其结果是降低产品质量．甚至毒化催化剂，直至造成装置停机。

②浮环密封的油气压差很小，控制系统复杂。

浮环密封辅助系统的投资远远高于密封本身的投资。

正是由于上述两大缺点．浮环密封受到了更先进的密封型式的严重挑战。

为了克服普通浮环密封内泄漏量较大的缺点，出现了一种由螺旋密封与浮环密封组合的螺旋浮环密封形式【1-2】，如图3所示。

其基本结构特征为：在内浮环内孔的外侧即靠近轴承的一侧加工出一段起增压作用的螺旋槽，形成具有增压效果的增压段；在靠近被密封气体的内侧加工出一段起反向泵送作用的螺旋槽，形成具有防漏效果的防漏段；两者中间为光滑的浮升段。

图4给出了内浮环上增压段、浮升段和防漏段的压力分布示意图。

可见该密封可以在油气压差为零甚至为一定负值的情况下工作而保持密封能力。

该密封具有可靠性高和内泄漏小的突出优点。

机械密封及其发展
在中低压工艺气体透平压缩机领域．用机械浮环组合密封或双端面机械密封替代传统的浮环密封是国内外密封行业一个重要的技术进步。

这类密封在中低压透平压缩机领域之所以逐步替代传统的浮环密封。

是基于两方面的原因：一是克服了浮环密封内泄漏量过大的缺点；其次，这类密封的油气压差由浮环密封的0．05MP a提高到0．15-0．35MP a。

控制的安全可靠性提高，系统也变得简单一些。

与浮环密封相比，密封本体投资加大，但系统投资减少，设备总投资有所下降，更加安全可靠，运行维护费用降低。

为了彻底解决高速机械密封的内泄漏问题和磨损问题，从20世纪70年代末开始，我们已致力于油膜螺旋槽端面密封的研究开发与推广应用[3]。

目前，油膜螺旋槽端面密封在技术上已经完全成熟。

这类密封的端面线速度可高达100 m／s，内泄漏量接近于零。

该密封及其系统在大量的工业应用中实现了高周速、微泄漏、微磨损、长寿命，其性能全面超过了进口的机械密封产品。

图5为实际应用的单端面油膜螺旋槽密封的典型结构。

干气密封(气体润滑的端面密封)
干气密封是采用“以气封气”、流体动静压结合的非接触式机械密封，是目前世界上最先进的一代高速透平压缩机轴端密封型式。

其密封的结构与普通机械密封相似，所不同的是：动、静环密封端面较宽，在动环或静环的端面上加工出特殊型式的流体动压槽。

槽深一般在3～10μ m之间，通常将槽刻在硬质的旋转环上。

当该环旋转时，在流槽的作用下气体被泵入密封端面，在两密封端面间形成一层厚度为2～5μ m 的气膜，将两密封面隔开，使密封保持非接触运转。

干气密封的膜厚虽然很小，但气膜刚度很大，一旦外界干扰出现使两密封面间隙增大或减小时，它能迅速回复到原来的平衡位置，即具有很强的抗外界干扰的能力。

这类密封有以下突出优点：端面非接触，寿命长，可靠性高；密封功耗低，节约能源；省去了庞大的密封油系统，重量轻，占地面积小；消除了密封油对工艺回路污染的可能性；运行和维护费用低。

John Crane公司从20世纪6O年代末开始研究气膜润滑端面密封技术，到20世纪80年代初已完全达到实用化的程度。

到20世纪90年代初，与进口高速透平压缩机配套的干气密封开始进入中国市场。

由天津鼎名密封公司发明[4-5]和研制的第一台国产干气密封，于1996年底在巴陵石化鹰山石油化工厂首次应用成功。

此前在该领域内中国市场一直被国外著名公司所垄断。

由于干气密封的优点十分突出。

它在炼油、化工等行业高速透平压缩机上的应用越来越广。

目前干气密封已大量用在石化压缩机上，如炼油行业的富气压缩机、循环氢压缩机、高压加氢压缩机、解吸气压缩机等。

化工行业的循环气压缩机、裂解气压缩机、乙烯压缩机、丙烯压缩机、多元制冷压缩机、二氧化碳压缩机、氨气压缩机、原料气压缩机、合成气压缩机、天然气压缩机等。

由于国内外干气密封产品价格的大幅下降，其性价比远远高于浮环密封和机械密封。

因此不论是国外进口的还是国产的工艺气体用高速透平压缩机新机．都首选干气密封作为其轴端密封装置。

而且一些原来采用浮环密封或机械密封的压缩机也逐步改为干气密封。

图6为干气密封的典型布置方式。

表1是当前干气密封的主要技术指标。

流体密封技术在工程中的应用现状
当前中国工程机械工业已引进了发达国家大量的主机设计和制造技术，逐步采用了国际先进的密封系统设计构思和密封装置的应用技术。

但由于国内密封件工业制造水平的制约，工程机械密封技术的应用水平仍落后于国际先进水平约20－25年。

主机无泄漏正常工作小时仅有400 h左右，不足国际先进水平的1/10。

国产密封件的产品品种及质量仍无法满足引进先进制造技术的工程机械的发展和配套需要。

事实上在中国为工程机械行业服务的橡塑密封件生产企业有近千个，但具有较好生产条件和技术能力的企业只有40余家，其中具有雄厚技术能力、拥有成套先进设备的企业仅有7－8家（从事军品密封制品生产的专业研究所不在其列）。

尽管如此，这些企业生产的密封制品在质量和使用寿命方面仍与国外先进水平存在或多或少的差距。

工程机械及中、高压液压件行业引进了诸如林德、卡特、小松、采埃字、力士乐等世界知名厂商的制造技术之后，国产密封件的产品品种及质量无法满足引进先进制造技术产品的发展和配套需要就是例证。

其次，需求量颇大的自卸式载重卡车的举升装置用小断面U形密封圈（AU），由于国产密封制品质量较差，主机厂及用户均向国外公司采购。

流体密封技术存在的问题
密封件产品的质量及密封系统设计和应用水平有待提高。

密封件产品质量
20年来，经国内科研技术人员的共同努力，建立了完整的与ISO／TC131／SC7接轨的各类密封件安装腔体国家标准体系。

同时也建立了与各类密封件国际标准接轨的密封件尺寸系列、密封件性能指标及密封件外观质量、密封件包装、贮存、运输等密封件国家标准体系。

从而，方便了工程机械和其他中、高压液压机械产品密封系统用密封件的设计和选用。

但实际操作中仍有许多弊病存在。

其原因主要是工业基础过于薄弱、原材料的质量和品种不尽如人意、管理工作不规范等等。

差距尤以液压泵、液压马达和变速箱用旋转油封及液压缸往复动密封的产品质量最甚。

针对ZL50C装载机驱动桥轮边油封的使用寿命，笔者曾做过一次装机对比试验，由国内某单位研制的带副唇内骨架油封，装机后经路面试验，仅50 km即开始泄漏，而同时装机考核的国外某公司BABSL油封，使用近3年仍未发生泄漏。

又如：工程机械液压缸动密封元件的质量，国外水平可满足5 000作小时无泄漏，而国产密封件的使用寿命一般为其1/10，有的甚至不足 100工作小时。

密封系统的设计及应用水平
密封系统的设计和应用水平依赖于密封制品的研制能力，主要表现在3个方面。

（1）旋转动密封系统
目前大量采用的仍是普通标准型油封，对于有压力要求的旋转密封装置只能提供耐压为l－3 MPa的耐压型油封，而国际先进水平为 10 MPa。

动液压回流油封的应用在工程机械旋转密封装置中尚未得到普及。

（2）液压缸往复动密封系统
目前大多数国产工程机械液压缸动密封系统设计仍采用U形密封圈作为主密封。

90年代中期设计生产的工程机械液压缸动密封系统，开始采用同轴密封组件和U形密封圈的复合设计。

当令国际上普遍采用的5组件（或3组件）液压缸活塞用带支承环组合密封组件，制作工艺较复杂，目前国内尚停留在小批量制作的阶段，质量稳定性较差。

（3）静密封系统静密封系统中，虽然取消了石棉及植物纤维密封制品，但高分子材料液态密封垫的使用尚不普及。

目前国内使用的此类产品仍以乐泰公司生产的各类密封胶产品为主。

国产液态密封胶及用于液压系统管系连接的厌氧胶的产品品牌较少，且涂敷工艺和质量性能均存在一定差距。

流体密封技术的展望
随着国际先进科技和制造技术的引进及2000年后国民经济的发展趋势，U引进先进技术为依托的中国工程机械工业将有较大的发展。

工程机械液压系统工作压力和系统的先进性、工作可靠性的提高．必将促进密封系统设计及密封元件制造技术的发展，因此，中国密封技术的科研及密封件制造工业将面对由工程机械及其他中、高压液压机械行业提出的严峻课题。

可以预计，届时的中国密封工业体系将不再是一个高能耗、低效率、结构庞杂的小农经济式的经营模式，而将是一个具有高度集约化、规模化、低能耗、高效率的经营体制。

届时，中国密封件的主要品种将有60％达到国际80年代末90年代初的质量水平，另将有15％的产品品种达到国际密封件产品的当代质量水平。

中国工程机械和中、高压液压机械产品密封系统的设计和应用水平将达到国际90年代中期的技术水准。