流体密封技术在工程的作用及进展
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
由此可见，流体密封是一个涉及多学科的边缘性的工程技术学科。
5. 流体密封的主要应用领域
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） 食品 医药 水陆交通（汽车、火车、舰艇、船舶） 航空（发动机、机舱） 航天（液体火箭发动机、飞船）
防止由于O环摩擦使密封卡滞 没有快速减压造成O形环爆裂问题 质保期长 密封圈不象O形环可能被化学侵蚀（抗腐蚀性好）
28XP串联式干气密封
控制系统实物
John Crane Monobloc 集成控制系统
John Crane Timing 不锈钢面板式控制系统
控制系统功能
气体过滤 气体控制 泄漏监控
伪静密封(或微动密封) pseudo-static Sealing / Seals
例如：机械密封或干气密封补 偿环处的副密封（Secondary Sealing）
转化为静密封的动密封 Closed Sealing / Seals
例如：屏蔽泵(Screened Pumps)、磁力传动泵(Magnetic Transmission Pumps)、全封闭
全无油润滑—干气密封（Dry Gas Seals）与磁力轴承（Magnetic
Bearings）相结合。
高速透平机械轴端密封技术的进展 迷宫密封及其发展（第一代密封） 浮环密封及其发展（第二代密封） 机械密封及其发展（第三代密封） 干式气体密封（第四代密封）
迷宫密封及其发展
（1）迷宫密封
（2）直筒密封
工艺气体
过滤器
FO
FI FI
FI FI
隔离气过滤器
PCV
FO 过滤后的氮气
过滤后的工艺气体
工艺气体
PI FO
FI
PI FO FI
工艺气体 去火炬
火炬
典型的干气密封控制系统－二级泄漏放空
外部气体
过滤器
工艺气体
FO FI FI
FI FI
PCV
过滤后的氮气
FO
隔离气过滤器
过滤后的工艺气体
工艺气体
PI FO
10
单纯流体静压
0
1
2
3
4
5 膜厚 (mm)
工作原理
非接触密封的热量平衡
W .9 .8 .7 .6 .5 .4 .3 .2 .1 0
0
密封温度高 于环境温度
密封温度 低于环境 温度
气体膨胀热量散发
气体粘性剪切产生热量
1
2
3
4
5
6 膜厚 mm
CSTEDY / CTRANS 分析软件
干气密封性能预测 采用
控制系统功能
过滤
控制
干气密封
监控
气体控制系统
压力控制
－自力式调节压力控制器 －差压力调节器 －差压控制阀与差压控制器
气体控制系统
流量控制
－孔板/针形阀 －差压调节器 －流量控制阀与流量控制器
泄漏监控系统
泄漏监控
－远距离 传输、转换
－近距离 流量指示器
Βιβλιοθήκη Baidu
外部气体
过滤器
工艺气体
典型的干气密封控制系统
复合运动密封 Complex Moving Sealing /Seals
螺旋运动，例如：闸门的填料 密封等
旋转密封（Rotating Sealing / Seals）
橡胶塑料密封 Rubber /Plastic Sealing /Seals
O形圈（O-Ring）密封 唇形油封（Oil Seals）
直筒密封（Sleeve-Type Seals） （防反扩散） 碳环密封 Carbon Ring Seals
液体动力密封 Liquid Dynamic Sealing /Seals
铁磁流体密封 Ferro-Magnetic Fluid Sealing
/Seals 浮环密封 Floating Bushing Sealing /Seals
Film Stiffness (MN/m)
100
90
T28 单向螺旋槽
80
改进型
70
双向螺旋槽
Speed = 14,500 rpm 6.625 in O/B Seal
60
50
40 最初双向螺旋槽
30
20
10
0
0
2
4
6
8
10
Min'm Film Thickness (um)
CSTEDY 计算 － 气膜厚度
6. 流体动密封技术的进展
工况要求越来越苛刻（以干气密封为例）
高速
(200m/s)
高压（高真空）
(45MPa)
高温（低温）
(550℃)
大尺寸（微尺寸）
(330mm)
性能要求越来越高（以干气密封为例）
高效（微漏）
(可使航空发动机效率提高2～3％）
长寿命
（石化行业要求3～5年）
高可靠性
低成本
透平机械设备的最新发展方向
机械密封 Mechanical / Face Sealing /Seals
干气密封 Dry (Running) Gas Seals （气体润滑的非接触式机械密封）
离心密封 Centrifugal Seals 螺旋密封 Helical /Screw Seals
迷宫螺旋密封 Labyrinth Helical Seals （双螺旋）
普通型浮环密封FBS
捕集式浮环密封 Trapped Bushing Seals (TBS) 组合式螺旋浮环密封 Combined Screw- FBS 接触式密封（普通型） Contacting Face Seals 非接触式密封（液体润滑的） Non-Contacting Face Seals 以气封气型（压缩机、透平机用）
流体密封技术在工程 中的应用
流体密封在工程中的作用及进展概述 高速透平机械轴端密封技术的进展
流体密封在工程中的作用及进展概述
流体密封的定义 流体密封的作用及重要性 流体密封的分类及典型代表 流体密封涉及的主要学科 流体密封的主要应用领域 流体动密封技术的进展
1. 流体密封（Fluid Sealing/Seals）的定义
正常间隙
FC = FO
FO 开启力
压缩 膨胀
气膜压力分布
工作原理
FC 闭合力
S
P
间隙增大
FC >FO
FO 开启力
弹簧力+流体压力
气膜压力分布
工作原理
FC 闭合力
S
P
间隙减小
FC < FO
FO 开启力
弹簧力+流体压力
气膜压力分布
工作原理
30
非接触密封流体静压与流体动压刚性
刚度(GN/m)
20
静、动压组合刚度
压缩机(Closed Compressors)等
动密封 （Dynamic Sealing / Seals）
往复密封 Reciprocating Sealing / Seals
活塞环（Piston Rings）
橡胶/ 塑料圈（Rubber / Plastic Rings） O形，V形，L形，Y形等 填料（Packing)
Min'm Film Thickness (um)
10 6.625 in 密封直径
8 6 4 2
单向螺旋槽 改进型双向螺旋槽
最初的双向螺旋槽 雷列台阶
0
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Speed (rpm)
工作原理
FC 闭合力
S
P
弹簧力+流体压力
C2
kVL
e D
C1
（3）碳环密封
浮环密封及其发展
（1）浮环密封
（2）TBS 密封
（3） 螺旋浮环密封
高压氢气15.7-17.4MPa(扬子芳烃)
3. 机械密封及其发展
（1） 高速机械密封
（2）油膜螺旋槽密封
干气密封典型结构
静环 (碳石墨) (Cranite 2000)
弹簧座
(410 S.S.)
弹簧
－哈氏合金C
干气密封原理
John Crane 动环槽形
单向螺旋槽
双向螺旋槽
干气密封原理
John Crane Timing 动环槽形
单向螺旋槽
双向螺旋槽
单向螺旋槽 旋向
气体向中心泵送
气体受压，压力升高，产生间隙 密封坝
双向螺旋槽
旋向
气体向中心泵送
密封坝
气体受压，压力升高，产生间隙
气膜刚度 - 单向螺旋槽 v 双向螺旋槽
填料密封 Packing
迷宫密封 Labyrinth
圆周密封 Circumferential
Sealing/Seals
编织纤维填料（Woven Fibre Packing）
柔性石墨填料（Soft Graphite Packing）
梳齿密封（Comb Seals） 蜂窝密封（Honeycomb Seals) 刷式密封（Brush Seals）
在表面张力（Surface Tension）作用下通过毛 细管引起的渗漏（Seepage ）
在浓度差（Differential Concentration）作用下 引起的扩散（Diffusion）
2. 流体密封的作用及重要性
（1）作用
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 防止或减轻环境污染 防止或减少物料和能源的消耗，提高设备的效率
工艺气体
典型的干气密封控制系统－过滤后的气体到密封腔
外部气体 过滤器
经过滤的工艺气体
工艺气体
FI
FI
工艺气体
典型的干气密封控制系统－一级密封泄漏放火炬
外部气体
工艺气体
过滤器
过滤后的工艺气体
FI
FI
工艺气体
PI FO
FI
PI FO FI
工艺气体 去火炬
火炬
典型的干气密封控制系统－中间注入氮气
外部气体
（Static Sealing / Seals）
往复密封 （Reciprocating Sealing / Seals）
动密封
（Dynamic Sealing / Seals）
伪静密封（或微动密封）
（pseudo-static Sealing / Seals）
旋转密封 （Rotating Sealing / Seals）
CSTEDY/CTRANS 自有专用软件 稳态 & 瞬态 气膜模拟 实时干气密封性能 预测
单端面干气密封
双端面干气密封
串联式干气密封
带中间进气的串联式干气密封
单端面＋串联式干气密封
高压干气密封：AT 与XP比较
28 AT
28 XP
介质侧 介质侧
推环
O环
聚合物密封圈
推环
干气密封：AT 与 XP比较
弹簧 (哈氏合金 C)
推环 (410 S.S.)
腔体 (410 S.S.)
动环 (碳化钨) (碳化硅)
轴套 (410 S.S.)
波纹带 (蒙耐尔 K-500)
压紧套 (410 S.S.)
干气密封材料
旋转环
－碳化钨 / 碳化硅
静止环
－碳石墨/ Cranite 2000 （特种材料，克兰专利）
金属件
－410不锈钢 / 316不锈钢 / 哈氏合金 / 其它
防止或限制流体泄漏的工程技术或零部件。
流体（Fluid）
气体（Gas） 液体（Liquid） 液体/气体混合物 液体/气体/固体颗粒（Particles）混合物
泄漏（Leakage） （具有负面作用 的质量迁移）
在压力差（Differential Pressure)作用下通过间 隙引起的穿漏（Leakage）(包括漏出和漏入)
复合运动密封 （Complex Moving Sealing / Seals）
转化为静密封的动密封
（Closed Sealing / Seals）
分类典型举例：
静密封
Static Sealing / Seals
垫片（Gasket）：管道或气缸用 橡胶/ 塑料圈（Rubber / Plastic Rings） 密封胶（Sealing Glue）
FI
PI FO FI
工艺气去火炬
火炬 放空
氮气去大气
干气密封的气体调节单元 －GCU设计
压缩机状态：运行中 正常运行中，气体正向流动
外部气体
过滤器
工艺气体
FI
过滤后的工艺气体
FI
压缩机出口处的工艺气体
压缩过程使工艺气温度超过露点
压缩机状态：停车 停车时，没有密封气流动
（2）重要性
流体密封是机械设备的易损性、关键性和基础性零部件。 例如：
“挑战者”号航天飞机的失事原因：橡胶密封圈的失效； 航天发动机的密封，可提高效率2～3个百分点； 石油化工透平机械：干气密封（Dry Gas Seals），革命性的进步。
3. 流体密封的分类及其典型代表
按运动型式分类：
流体密封
静密封
以气封液型（泵用）
以干气密封为例，含有静止、伪静、旋转
端面 迷宫 密封型式 碳环
转化为静密封的动密封示例—磁力传动泵
4. 流体密封所涉及的主要学科
流体力学（Fluid Mechanics） 固体力学（Solid Mechanics，包括强度和变形） 动力学（Dynamics） 摩擦学（Tribology） 热力学（Thermodynamics) 传热学（Heat Transfer） 传质学（Mass Transfer） 材料学（Materials） 物理学与化学（Physics & Chemistry) 测量与控制（Monitoring ＆ Control） 试验技术（Testing Technology） 工程应用技术（Engineering Application） 可靠性技术（Reliability） 等等
5. 流体密封的主要应用领域
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） 食品 医药 水陆交通（汽车、火车、舰艇、船舶） 航空（发动机、机舱） 航天（液体火箭发动机、飞船）
防止由于O环摩擦使密封卡滞 没有快速减压造成O形环爆裂问题 质保期长 密封圈不象O形环可能被化学侵蚀（抗腐蚀性好）
28XP串联式干气密封
控制系统实物
John Crane Monobloc 集成控制系统
John Crane Timing 不锈钢面板式控制系统
控制系统功能
气体过滤 气体控制 泄漏监控
伪静密封(或微动密封) pseudo-static Sealing / Seals
例如：机械密封或干气密封补 偿环处的副密封（Secondary Sealing）
转化为静密封的动密封 Closed Sealing / Seals
例如：屏蔽泵(Screened Pumps)、磁力传动泵(Magnetic Transmission Pumps)、全封闭
全无油润滑—干气密封（Dry Gas Seals）与磁力轴承（Magnetic
Bearings）相结合。
高速透平机械轴端密封技术的进展 迷宫密封及其发展（第一代密封） 浮环密封及其发展（第二代密封） 机械密封及其发展（第三代密封） 干式气体密封（第四代密封）
迷宫密封及其发展
（1）迷宫密封
（2）直筒密封
工艺气体
过滤器
FO
FI FI
FI FI
隔离气过滤器
PCV
FO 过滤后的氮气
过滤后的工艺气体
工艺气体
PI FO
FI
PI FO FI
工艺气体 去火炬
火炬
典型的干气密封控制系统－二级泄漏放空
外部气体
过滤器
工艺气体
FO FI FI
FI FI
PCV
过滤后的氮气
FO
隔离气过滤器
过滤后的工艺气体
工艺气体
PI FO
10
单纯流体静压
0
1
2
3
4
5 膜厚 (mm)
工作原理
非接触密封的热量平衡
W .9 .8 .7 .6 .5 .4 .3 .2 .1 0
0
密封温度高 于环境温度
密封温度 低于环境 温度
气体膨胀热量散发
气体粘性剪切产生热量
1
2
3
4
5
6 膜厚 mm
CSTEDY / CTRANS 分析软件
干气密封性能预测 采用
控制系统功能
过滤
控制
干气密封
监控
气体控制系统
压力控制
－自力式调节压力控制器 －差压力调节器 －差压控制阀与差压控制器
气体控制系统
流量控制
－孔板/针形阀 －差压调节器 －流量控制阀与流量控制器
泄漏监控系统
泄漏监控
－远距离 传输、转换
－近距离 流量指示器
Βιβλιοθήκη Baidu
外部气体
过滤器
工艺气体
典型的干气密封控制系统
复合运动密封 Complex Moving Sealing /Seals
螺旋运动，例如：闸门的填料 密封等
旋转密封（Rotating Sealing / Seals）
橡胶塑料密封 Rubber /Plastic Sealing /Seals
O形圈（O-Ring）密封 唇形油封（Oil Seals）
直筒密封（Sleeve-Type Seals） （防反扩散） 碳环密封 Carbon Ring Seals
液体动力密封 Liquid Dynamic Sealing /Seals
铁磁流体密封 Ferro-Magnetic Fluid Sealing
/Seals 浮环密封 Floating Bushing Sealing /Seals
Film Stiffness (MN/m)
100
90
T28 单向螺旋槽
80
改进型
70
双向螺旋槽
Speed = 14,500 rpm 6.625 in O/B Seal
60
50
40 最初双向螺旋槽
30
20
10
0
0
2
4
6
8
10
Min'm Film Thickness (um)
CSTEDY 计算 － 气膜厚度
6. 流体动密封技术的进展
工况要求越来越苛刻（以干气密封为例）
高速
(200m/s)
高压（高真空）
(45MPa)
高温（低温）
(550℃)
大尺寸（微尺寸）
(330mm)
性能要求越来越高（以干气密封为例）
高效（微漏）
(可使航空发动机效率提高2～3％）
长寿命
（石化行业要求3～5年）
高可靠性
低成本
透平机械设备的最新发展方向
机械密封 Mechanical / Face Sealing /Seals
干气密封 Dry (Running) Gas Seals （气体润滑的非接触式机械密封）
离心密封 Centrifugal Seals 螺旋密封 Helical /Screw Seals
迷宫螺旋密封 Labyrinth Helical Seals （双螺旋）
普通型浮环密封FBS
捕集式浮环密封 Trapped Bushing Seals (TBS) 组合式螺旋浮环密封 Combined Screw- FBS 接触式密封（普通型） Contacting Face Seals 非接触式密封（液体润滑的） Non-Contacting Face Seals 以气封气型（压缩机、透平机用）
流体密封技术在工程 中的应用
流体密封在工程中的作用及进展概述 高速透平机械轴端密封技术的进展
流体密封在工程中的作用及进展概述
流体密封的定义 流体密封的作用及重要性 流体密封的分类及典型代表 流体密封涉及的主要学科 流体密封的主要应用领域 流体动密封技术的进展
1. 流体密封（Fluid Sealing/Seals）的定义
正常间隙
FC = FO
FO 开启力
压缩 膨胀
气膜压力分布
工作原理
FC 闭合力
S
P
间隙增大
FC >FO
FO 开启力
弹簧力+流体压力
气膜压力分布
工作原理
FC 闭合力
S
P
间隙减小
FC < FO
FO 开启力
弹簧力+流体压力
气膜压力分布
工作原理
30
非接触密封流体静压与流体动压刚性
刚度(GN/m)
20
静、动压组合刚度
压缩机(Closed Compressors)等
动密封 （Dynamic Sealing / Seals）
往复密封 Reciprocating Sealing / Seals
活塞环（Piston Rings）
橡胶/ 塑料圈（Rubber / Plastic Rings） O形，V形，L形，Y形等 填料（Packing)
Min'm Film Thickness (um)
10 6.625 in 密封直径
8 6 4 2
单向螺旋槽 改进型双向螺旋槽
最初的双向螺旋槽 雷列台阶
0
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Speed (rpm)
工作原理
FC 闭合力
S
P
弹簧力+流体压力
C2
kVL
e D
C1
（3）碳环密封
浮环密封及其发展
（1）浮环密封
（2）TBS 密封
（3） 螺旋浮环密封
高压氢气15.7-17.4MPa(扬子芳烃)
3. 机械密封及其发展
（1） 高速机械密封
（2）油膜螺旋槽密封
干气密封典型结构
静环 (碳石墨) (Cranite 2000)
弹簧座
(410 S.S.)
弹簧
－哈氏合金C
干气密封原理
John Crane 动环槽形
单向螺旋槽
双向螺旋槽
干气密封原理
John Crane Timing 动环槽形
单向螺旋槽
双向螺旋槽
单向螺旋槽 旋向
气体向中心泵送
气体受压，压力升高，产生间隙 密封坝
双向螺旋槽
旋向
气体向中心泵送
密封坝
气体受压，压力升高，产生间隙
气膜刚度 - 单向螺旋槽 v 双向螺旋槽
填料密封 Packing
迷宫密封 Labyrinth
圆周密封 Circumferential
Sealing/Seals
编织纤维填料（Woven Fibre Packing）
柔性石墨填料（Soft Graphite Packing）
梳齿密封（Comb Seals） 蜂窝密封（Honeycomb Seals) 刷式密封（Brush Seals）
在表面张力（Surface Tension）作用下通过毛 细管引起的渗漏（Seepage ）
在浓度差（Differential Concentration）作用下 引起的扩散（Diffusion）
2. 流体密封的作用及重要性
（1）作用
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 防止或减轻环境污染 防止或减少物料和能源的消耗，提高设备的效率
工艺气体
典型的干气密封控制系统－过滤后的气体到密封腔
外部气体 过滤器
经过滤的工艺气体
工艺气体
FI
FI
工艺气体
典型的干气密封控制系统－一级密封泄漏放火炬
外部气体
工艺气体
过滤器
过滤后的工艺气体
FI
FI
工艺气体
PI FO
FI
PI FO FI
工艺气体 去火炬
火炬
典型的干气密封控制系统－中间注入氮气
外部气体
（Static Sealing / Seals）
往复密封 （Reciprocating Sealing / Seals）
动密封
（Dynamic Sealing / Seals）
伪静密封（或微动密封）
（pseudo-static Sealing / Seals）
旋转密封 （Rotating Sealing / Seals）
CSTEDY/CTRANS 自有专用软件 稳态 & 瞬态 气膜模拟 实时干气密封性能 预测
单端面干气密封
双端面干气密封
串联式干气密封
带中间进气的串联式干气密封
单端面＋串联式干气密封
高压干气密封：AT 与XP比较
28 AT
28 XP
介质侧 介质侧
推环
O环
聚合物密封圈
推环
干气密封：AT 与 XP比较
弹簧 (哈氏合金 C)
推环 (410 S.S.)
腔体 (410 S.S.)
动环 (碳化钨) (碳化硅)
轴套 (410 S.S.)
波纹带 (蒙耐尔 K-500)
压紧套 (410 S.S.)
干气密封材料
旋转环
－碳化钨 / 碳化硅
静止环
－碳石墨/ Cranite 2000 （特种材料，克兰专利）
金属件
－410不锈钢 / 316不锈钢 / 哈氏合金 / 其它
防止或限制流体泄漏的工程技术或零部件。
流体（Fluid）
气体（Gas） 液体（Liquid） 液体/气体混合物 液体/气体/固体颗粒（Particles）混合物
泄漏（Leakage） （具有负面作用 的质量迁移）
在压力差（Differential Pressure)作用下通过间 隙引起的穿漏（Leakage）(包括漏出和漏入)
复合运动密封 （Complex Moving Sealing / Seals）
转化为静密封的动密封
（Closed Sealing / Seals）
分类典型举例：
静密封
Static Sealing / Seals
垫片（Gasket）：管道或气缸用 橡胶/ 塑料圈（Rubber / Plastic Rings） 密封胶（Sealing Glue）
FI
PI FO FI
工艺气去火炬
火炬 放空
氮气去大气
干气密封的气体调节单元 －GCU设计
压缩机状态：运行中 正常运行中，气体正向流动
外部气体
过滤器
工艺气体
FI
过滤后的工艺气体
FI
压缩机出口处的工艺气体
压缩过程使工艺气温度超过露点
压缩机状态：停车 停车时，没有密封气流动
（2）重要性
流体密封是机械设备的易损性、关键性和基础性零部件。 例如：
“挑战者”号航天飞机的失事原因：橡胶密封圈的失效； 航天发动机的密封，可提高效率2～3个百分点； 石油化工透平机械：干气密封（Dry Gas Seals），革命性的进步。
3. 流体密封的分类及其典型代表
按运动型式分类：
流体密封
静密封
以气封液型（泵用）
以干气密封为例，含有静止、伪静、旋转
端面 迷宫 密封型式 碳环
转化为静密封的动密封示例—磁力传动泵
4. 流体密封所涉及的主要学科
流体力学（Fluid Mechanics） 固体力学（Solid Mechanics，包括强度和变形） 动力学（Dynamics） 摩擦学（Tribology） 热力学（Thermodynamics) 传热学（Heat Transfer） 传质学（Mass Transfer） 材料学（Materials） 物理学与化学（Physics & Chemistry) 测量与控制（Monitoring ＆ Control） 试验技术（Testing Technology） 工程应用技术（Engineering Application） 可靠性技术（Reliability） 等等