干气密封工作原理

干气密封工作原理及结构布置

山东省东营市油田分公司油气集输总厂东营压气站　王玉军

[摘　要]详尽阐述了干气密封的工作原理,端面结构。指出根据现场实际工况及环境保护法要求,可分别采用的三种

典型布置,以及干气密封在使用时的维护,为用户在干气密封选择上提供指导。[关键词]机械密封　干气密封　螺旋槽　零泄漏　零溢出

作为一种非接触式机械密封,干气密封以其使用寿命长、无泄漏、节能、环保、运行维护费用低等一系列技术优势,逐渐在石油、化工以及冶金等工业的大型离心式压缩机和转子泵上得到广泛应用[1-2]。本文主要论述了干气密封,特别是螺旋槽干气密封的工作原理,结构特征以及使用时的维护,可为用户在干气密封选择、使用及维护方面提供借鉴。

1、工作原理

干气密封是基于现代流体动压润滑理论的一种新型非接触式气膜密封。气膜密封动环或静环端面上通常开出微米级流槽,主要依靠端面相对运转产生的流体动压效应在两端面间形成流体动压力来平衡闭合力,实现密封端面非接触运转。工程实际中使用较为广泛的流槽形式有雷列台阶式、斜平面式和螺旋槽面式,

其中尤以螺旋槽面式密封性能最佳。

螺旋槽干气密封工作原理如图1所示。动环端面上开有螺旋槽,整个端面分为槽区、台区和坝区。槽区主要提供必需的流体动压力,坝区主要阻挡气体向内侧流动以实现气体被压缩形成动压效应,增大气膜刚度,还可在密封停车时起密封作用。干气密封工作原理为:当动环按图示逆时针方向旋转时,由于粘性作用气体以速度V 进入螺旋槽;速度V 可分解为垂直于螺旋槽速度和与螺旋槽相切速度,其中主要提供流体动压力,而气流以速度运动到坝区后被压缩体积减小压力升高使密封面打开,从而实现非接触运转。干气密封正常工作时,端面间气膜一方面提供开启力来平衡闭合力,另一方面可起润滑冷却作用,因而省去复杂的封油系统

。图示干气密封为泵入式(气体从上游向下游流动)结构。

理想设计工况下,密封端面气膜开启力等于闭合力(密封介

质压力和弹簧力)。若密封受到外界扰动端面间隙减小,则流体动压效应增强,开启力大于闭合力,密封增大间隙重新恢复原来工作状态;反之,如果在外界干扰下间隙增大,则流体动压效果减弱,开启力小于闭合力,密封减小间隙并恢复到设计工作状态。如果设计合理,密封受到外界扰动可以自行恢复到原来工作状态,可见螺旋槽干气密封对外界扰动不敏感。

2、典型端面

近年来,国内外学者对螺旋槽干气密封端面结构形式作了

大量研究工作,以期能从结构形式改变来改善密封性能,其研究主要集中于如图2所示的螺旋槽及其组合结构形式[3-4]。

图2中黑色部分为螺旋槽。图2a 为外径侧开槽泵入式结构,当密封环逆时针旋转时,外径侧高压阻塞气体被泵入到端面间并形成一层稳定气膜从而使端面分离,阻塞气体既可润滑密封表面,又可防止工艺气体向外径侧泄漏。

图2b 为内径侧开槽泵出式结构,当端面顺时针旋转时,端面螺旋槽像一个个小容积泵一样,可将内径低压流体泵送到外径高压侧,从而实现工艺流体零泄漏或零逸出。

图2c 与图2a 不同之处在于密封坝上设置均匀分布的节流孔。节流孔可以将开槽环背面高压流体引入密封端面间,利用高压流体在密封端面间形成的静压效应提高端面气膜承载能力并增大气膜刚度。

图2d 所示密封环中间开槽,内外径侧均设置密封坝。其特点是可以实现端面双向旋转:当密封环顺时针旋转时就像图2b 所示螺旋槽泵出式结构,而当密封环逆时针旋转时就如图2a 中所示螺旋槽泵入式结构。内外径侧密封坝既可减少工艺气体泄漏,又可增大气膜刚度。

此外,还有Y 形槽和人字形槽等组合结构以及内外径开槽中间设置密封坝等多种结构形式。通常,通过在密封端面设计不同形式流槽以期改善端面流体流动状况,增强气体动压效应,促进端面热循环,保证密封动力学稳定性及挠性安装环具有良好追随性,从而获得性能优越并能适应特殊工况的密封端面结构。

3、结构布置

螺旋槽干气密封结构布置主要取决于密封工况条件(包括被密封气体组分、压力、温度,轴的转速等)、安全性以及环保要

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求等。典型的结构布置有单端面、双端面及串级结构。

3.1单端面干气密封

单端面干气密封是最基本的密封结构形式,主要用于被密封气体压力较低且允许少量气体泄漏到大气侧的场合,因此要求工艺气体对环境无污染,如空气、二氧化碳或蒸汽等

。

图3为典型单端面干气密封,其中阻塞气体压力一般比工艺气体高0.2M Pa 左右,既可阻止工艺气体泄漏,

又可使螺旋槽密封端面实现非接触干运转。梳齿密封在工艺气体和螺旋槽干气密封间建立了一个缓冲区。

3.2双端面干气密封

双端面干气密封主要用于不允许工艺气体向大气侧泄漏的场合,因此适用于密封有毒、有害或易造成环境污染的介质。双端面干气密封两静环共用一个动环,并且引入压力比工艺气体压力高的惰性气体作为阻塞气体。由于阻塞气体压力较高,一方面阻塞气体向工艺气体侧泄漏,另一方面向大气侧泄漏。图4为典型双端面干气密封,阻塞气体压力一般高于工艺气体0.2-0.3M Pa ,允许少量阻塞气体泄漏到工艺气体中,因此要求阻塞气体为惰性气体。

3.3串级式干气密封

当被密封气体压力超过单端面密封使用范围时,可以考虑使用串级式密封结构。串级式密封普遍应用于压缩机轴封,是可靠性较高的一种结构形式。串级式密封一般同时使用两套单端面密封,一套作为主密封,承受全部工作压力载荷,另一套作为辅助密封,主密封和辅助密封间通入阻塞气体,防止工艺介质向外界泄漏。如果被密封介质压力非常高,则可使用三级结构,前两级分别承受工作压力,第三级则作为辅助密封。图5为典型两级式干气密封,主密封为一接触式机械密封,干气密封作为辅助密封。

4、干气密封使用时的维护

干气密封设计的适用范围较宽,正常情况下不需要维护。一般应每天观察密封泄漏量。泄漏量如有增加的趋势,可能预示着密封有失效的可能。通常应注意以下几点:

①螺旋槽干气密封是单向旋转的,因此一定避免反向旋转。同时应避免在小于5m s 的低速下长时间运转。这两种情况均有可能损坏密封端面。

②确保阻塞或缓冲气体的流量及压力稳定。维持密封气源的稳定性和不间断性是干气密封正常运行的基本条件。

③避免密封的负压操作,双端面密封如出现负压在静压条件下能导致泄漏量的大幅增加,而在动压条件下能导致密封端面的损坏。串联式密封则可能引起密封被未净化的工艺气污染而很快失效。

④随时监控密封泄漏量的变化情况。泄漏量的变化直接反映出干气密封的运行状态。引起泄漏量变化的因素很多,如工艺气的波动、轴窜、喘振、压力、温度和速度的变化等。只要不持续上升,则认为密封运行正常;但如泄漏量出现不断上升的趋势,则预示着干气密封出现了故障。

⑤过滤器压差达到报警值时应及时切换过滤器,并更换滤芯。

⑥机组停车时,必须等待机组完全停止运行并在滑油系统停止后10分钟以上才能关闭干气密封控制系统。

5、结语

在大型机组关键设备如离心式压缩机或输送有毒、有害、易气化介质的离心泵上采用不同型式的干气密封,可以实现工艺介质零泄漏,甚至零溢出,完全满足环境保护法对该类介质日益苛刻的泄漏排放要求,同时实现机组长周期、低能耗、安全、可靠运转。

参考文献

[1]顾永泉.机械密封实用技术.北京:机械工业出版社,2001年:1-3

[2]Gab riel R P .Fundam en tals of Sp iral Grooved N oncon 2

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.L ub r .Eng .,1994(3):215～224.[3]刘雨川,徐万孚等.端面气膜密封的高性能端面结构.航空学报,2000;21(2):187-190

[4]李涛子,张秋翔等.T 型槽干气密封稳态特性的有限元分析.北京化工大学学报,2002;30(2):58-62

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