迷宫密封

ATLAS离心式压缩机迷宫密封国产化改造
（巴陵石化大成检修安装有限责任公司）
摘要：通过对中国石化股份公司巴陵分公司己内酰胺生产使用的进口多级离心式压缩机轴封状况剖析，结合大修阶段备件库存状况，通过大胆实践，采用国产部件对该压缩机组一、
二、三级轴封实施国产化改造，本文从密封机理，材料选用，工艺状况以及实际运行参数多
方面论证实施国产化改造的可行性与必要性。

关键词：离心式压缩机迷宫密封国产化
1.前言
2006年3月15日，中国石化股份公司巴陵分公司化工片三年一次的大修开始了，检修准备应该是比较充分的，检修前，维修人员对空气压缩机K6601机组的状况进行了详细的了解，由于检修前很短的时间内一级涡壳处曾出现一次漏油并导致局部着火，当时大家在事故分析时就指出：压缩机的迷宫式轴密封可能已经失效，必须进行检查必要时要求更换。

由于时间紧，采购进口备件没有充足的时间，在库存又没有的情况下必须走国产化道路。

大修解体发现迷宫密封间隙严重超标，果断实施了原定改造计划。

2.迷宫密封的工作原理、密封机理与结构
2.1迷宫密封的工作原理
迷宫密封是在转轴周围设若干个依次排列的环行密封齿，齿与齿之间形成一系列截流间隙与膨胀空腔，被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的。

2.2迷宫密封的应用
由于迷宫密封的转子和机壳间存在间隙，无固体接触，毋须润滑，并允许有热膨胀，适应高温、高压、高转速频率的场合，这种密封形式被广泛用于汽轮机、燃汽轮机、压缩机、鼓风机的轴端和的级间的密封，其他的动密封的前置密封。

2.3迷宫密封的密封机理
流体通过迷宫产生阻力并使其流量减少的机能称为“迷宫效应”。

对液体，有流体力学效应，其中包括磨阻效应、流束收缩效应；对气体，
还有热力学效应，即气体在迷宫中因压缩或者膨胀而产生的热转换；此外，还有“透气效应”等。

而迷宫效应则是这些效应的综合反应，所以说，迷宫密封机理是很复杂的。

(1)摩阻效应
泄漏液体在迷宫中流动时，因液体粘性而产生的摩擦，使流速减慢流量（泄漏量）减少。

简单说来，流体沿流道的沿程摩擦和局部磨阻构成了磨阻效应，前者与通道的长度和截面形状有关，后者与迷宫的弯曲数和几何形状有关。

一般是：当流道长、拐弯急、齿顶尖时，阻力大，压差损失显著，泄漏量减小。

(2) 流束收缩效应
由于流体通过迷宫缝口，会因惯性的影响而产生收缩，流束的截面减小。

设孔口面积为A，则收缩后的流束最小面积为 C c·A，此处 C c 是收缩系数。

同时，气体通过孔口后的速度也有变化，设在理想状态下的流速为U,实际流速比U小，令C d为速度系数，则实际流速U1为：U1=C d·U于是，通过孔口的流量Q为：Q=C c C d A U式中C c•C d=α（流量系数）。

迷宫缝口的流量系数，与间隙的形状，齿顶的形状和壁面的粗糙度有关。

对非压缩性流体，还与雷诺数有关；对压缩性流体，还与压力比和马赫数有关。

同时，对缝口前的流动状态也有影响。

因此在复杂型式的迷宫里，不能把一个缝口的流量系数当作所有缝口的流量系数。

根据试验，第一级的流量系数小一些，第二级以后的缝口流量系数大一些，一般流量系数常取1。

但是尖齿的流量系数比1小，约在0.7左右，圆齿的流量系数接近于1，通常取α=1，计算的泄漏量是偏大。

(3)热力学效应
理想的迷宫流道模型，它是由一个个环形齿隙和齿间空腔串联而成的。

气体每通过一个齿隙和齿间空腔的流动可描述如下：在间隙入口处，气体状态为P0，T0和零开始，气体越接近入口，气流越是收缩和加速，在间
隙最小处的后面不远处，气流获得最大的速度；当进入空腔，流速截面突然扩大，并在空腔内形成强烈的旋涡。

从能量观点来看，在间隙前后，气流的压力能转变为动能。

同时，当温度下降（热焓值h减小），气体以高速进入两齿之间的环行腔室时，体积突然膨胀产生剧烈旋涡。

涡流摩擦的结果，使气流的绝大部分动能转变为热能，被腔室中的气流所吸收而升高温度，热焓又恢复到接近进入间隙前的值，只有小部分动能仍以余速进入下一个间隙，如此逐级重复上述过程。

(4)透气效应
在理想迷宫中，认为通过缝口的气流在膨胀室内动能，全部变成热能。

也就是说，假定到下一个缝口时的渐近速度等于零，但这只是在膨胀室特别宽阔和特别长时才成立。

在一般直通迷宫中，由于通过缝口后的气流只能向一侧扩散，在膨胀室内不能充分的进行这种速度能(动能)向热能的能量转换，而靠光滑壁一侧有一部分气体速度不减小或者只略微减小，直接越过各个齿顶流向低压侧，把这种一掠而过的现象称为“透气效应”。

2.4迷宫密封密封函的结构图
该压缩机采用直通型迷宫密封，图一为密封函结构图：
图一密封函结构图
3.直通型迷宫密封的特点
由于在轴表面加工沟槽或各种形状的齿要比孔内加工容易，因此常把孔加工成光滑面，与带槽或带齿的轴组成迷宫，这就是直通型迷宫，因制作方便，所以直通型迷宫应用最广。

但是，直通型迷宫存在着透气现象，其泄漏量大于理想迷宫的泄漏量。

迷宫特性的影响因素：
(1) 齿的影响。

根据国外所进行的试验得出：齿距一定时，齿数越多，泄漏量越少。

齿距改变时，齿距越大，泄漏量会急剧下降，同时还可以减少透气现象的影响。

图二中所示叶轮后轴上整体装配有密封齿套，齿数多达50个以上。

图二叶轮后轴上整体装配的密封齿套图
(2) 膨胀室的影响。

国外对膨胀室深度的影响进行过试验研究，结论是浅的膨胀室对减少泄漏量有利。

根据对膨胀室流动状态的观察，认为浅膨胀室中的旋涡是不稳定的。

由于旋涡能很快地把能量耗尽，所以膨胀室的渐近速度减小，起到减小泄漏的效果。

(3) 副室的影响。

所谓“副室”是指直通型迷宫光滑面上开的附属槽，开槽后迷宫中的流动状态立即发生明显的变化。

试验证明，只要副室的位置恰当，泄漏量的减少率是相当大的。

4.密封国产化必要性与可行性
（1）设备基本情况介绍
该压缩机为德国Atlas Copco公司产品，离心式空气压缩机，采用三级压缩，出口压力为7.36bar，出口温度215℃，驱动为蒸汽透平与膨胀透平相结合的形式，每小时流量22500标准立方，压缩机一、二、三级轴封采用迷宫密封，一级转子单独一根轴，二、三级转子共用一根轴。

二级入口压力2.11 bar，三级入口压力4.17 bar。

密封处压缩机局部三维透视图见图三：
图三密封处压缩机局部三维透视图
（2）轴封基本情况介绍
前面提到，该压缩机轴封采用迷宫式密封，1992年9月投用，1998年曾更换过轴封的密封函部分，2006年3月机组大修时再次发现局部组装间隙超标，必须更换密封函部分。

迷宫式密封的密封齿部分与轴采用过盈配合，材质硬度较高，一般采用含铬合金钢，在检修与使用过程中不易损坏和磨损，而密封函的内表层很薄的一部分，采用软合金复合到密封函上，目的是避免因运转过程中非正常接触造成密封齿的损坏。

本文所涉及的压缩机轴封周向间隙只有0.1～0.13mm，要求制造精度非常高，同时对设备运行稳定可靠要求也极高。

这样的设计和结构具有良好的密封性能；即使产生接触与密封配合面的摩擦阻力小；磨损后在一定程度上能自动补偿，使用寿命长；与环境介质及工
作介质相适应；结构简单，拆装方便。

轴封结构示意图见图四所示
图四轴封结构示意图
（3）轴封国产化的必要性
首先，我国石化行业大量采用进口设备，而备件的及时供应仍是制约设备完好的重要因素，过多的依赖进口只会制约我们的连续生产，能合理实施国产化改造或代用是非常必要的，在时间上和经济上都是非常利的。

其二，设备投用多年，结构特殊，国外原供应商已经很少对该设备批量生产备件，供应的备件也是按需加工，不会有库存备件。

其三，公司备件库存已经是零库存。

由于发现问题时间较近，没有充足的时间去采购进口备件，此时合理实施国产化改造或代用是非常必要的
（4）轴封国产化的可行性
首先，随着国家改革开放，经济发展，我们国家目前已经有较高的机械加工能力与技术水平。

金属材料领域的发展也是非常迅速的，各种合金的加工厂家与研究单位越来越多。

其二，我们对该类型密封结构、材料与密封原理已经非常清楚，在拥有结构图的情况下，加工类似的部件完全可行。

其三，国产化有类似的经验：我们在压缩机滑动轴承的代用，干气密封的代用，合成氨压缩机密封的改造中已多次使用巴比特合金(巴氏合金)。

其四，巴氏合金是最广为人知的轴承材料，其应用可以追溯到工业革命时代。

巴氏合金是唯一适合相对于低硬度轴转动的材料，与其它轴承材料相比，具有更好的适应性和压入性，广泛用于大型船用柴油机、涡轮机、交流发电机，以及其它大型旋转机械。

5.国产化迷宫密封的设计与选型
5.1理想迷宫的泄漏计算
给定下列几个条件：
(1) 泄漏气体是理想气体，不考虑焦尔-汤姆逊效应，即气体的焓只与温度有关；
(2) 假设迷宫是连续的多缝口组成的一个系列，两缝口之间的膨胀室足够大；
(3) 通过缝口的流动作绝热循环膨胀，在这里引用一个流量系数α；
(4) 通过缝口之后的流动速度能量在膨胀室内因受等压支配而完全作恒温恢复，所以在每一个缝口之前的速度渐近为0，即不发生透气现象。

5.2迷宫式气体密封的间隙
除特殊情况外，一般气轮机、燃气轮机等叶轮机械都采用迷宫式气体密封。

其径向间隙应根据以下因素选取：轴承间隙，制造公差与装配误差，部件的变形（如铸件收缩和失圆），转子的挠度，以及通过临界旋转频率时的振幅，热膨胀以及由此引起的变形等。

在多种情况下，热膨胀的影响最突出。

因此，对启动与停车时单个部件尺寸的变化，以及部件的相对位移必须预先估算。

可用静态和动态有限元算法出随时间变化的热膨胀规律。

该机组压缩机轴密封间隙要求为0.1～0.13mm。

5.3迷宫密封设计的注意点
总结迷宫密封设计中积累的经验，归纳起来有下列要点：
(1)尽量使气流的动能转化为热能，而不使余速进入下一个间隙。

齿与齿之间应保持适当的距离，或用高-低齿强制改变气流方向。

齿间距一般为5～9mm。

(2)密封齿要做得尽量薄,并带锐角。

齿尖厚度应小于0.5mm，运行中偶尔与轴的相碰时，齿尖先磨损而脱离接触，不致因摩擦出现轴的局部过热而造成事故。

(3)由于迷宫密封泄漏量大，因此在密封易燃、易爆或有毒气体时，要注意防止污染环境。

采用充气式迷宫密封，间隙内引入惰性气体，其压力稍大于被密封气体压力；如果介质不允许混入空气，则可采用抽气式迷宫密封。

5.4密封材料的性能要求
密封材料的性能是保证有效密封的重要因素，选择密封材料，主要是根据密封元件的工作环境，如使用温度、工作压力、所使用的工作介质以及运动方式等。

对密封材料的基本要求如下：
（1）具有一定的力学性能，如拉伸强度、伸长率等；
（2）弹性和硬度适当，压缩永久变形小；
（3）耐高温和低温，高温下不分解、软化，低温下不硬化；
（4）与工作介质相适应，不产生溶胀、分解、硬化等；
（5）耐氧性和耐老化性好，经久耐用；
（6）耐磨损，不腐蚀金属；
（7）易于成形加工，价格低廉；
5.5密封设计及选用的基本要求
机械设备的泄漏，涉及到密封件的设计、生产、使用以及机械本身结构各个环节，如配偶件的设计结构，产品加工、装配质量等，因此需要运用系统分析的观点进行综合分析，找出影响密封的各种因素。

对密封设计或选用的基本要求有：
（1）在一定的压力和温度范围内具有良好的密封性能；
（2）与密封配合面的摩擦阻力小，摩擦系数稳定；
（3）磨损小，磨损后在一定程度上能自动补偿，使用寿命长；
（4）与环境介质及工作介质相适应；
（5）结构简单，拆装方便，价格低廉。

5.6密封设计常用的结构措施
（1）均压使密封部位内外侧的压力差均衡，如设置适当的通气窗，在介质通道中加设小型泵送元件，使动密封的接触压力分布均匀等；
（2）疏导在零部件上开设回油槽、孔，开设档油板等，将泄漏的流体引流回油池；
（3）增加流动阻力如加长泄漏通道或流动路程以增加油液流动阻力；（4）封堵应用密封技术封堵界面泄漏通道，例如使用密封件、涂密封胶、塞绕密封带进行密封，或将不动接合部位的表面焊合、铆合、压合、折边等封死泄漏通道；
（5）液膜阻隔用提高设备动密封配合面间的精度及控制间隙等类方法，使其中保持有一层适当的润滑膜，阻止或减少泄漏并润滑表面；
（6）回流抛甩采用回流结构密封，或在零件上增设螺旋槽等回流措施以及使用甩油环、甩油槽等将泄漏的油液抛甩回油池；
（7）消振防腐消除密封部位的振动、冲击；防止产生腐蚀；
（8）改用润滑脂或固体润滑剂等润滑。

5.7正确选择密封件的材质与品种依据
（1）工作条件如压力、速度、温度、对泄漏率的限制、密封件的工作寿命、与润滑剂的相容性、环境介质（气温、气压、有无灰尘等）、摩擦状况、磨损限制等。

（2）配偶件要求如轴与配合件的几何尺寸、表面粗糙度、空间尺寸、间隙、偏心量、运动类型、润滑膜状况等。

（3）价格要求和经济性同时要进行配偶件的相应设计，如安装密封件的
沟槽尺寸与精度、表面粗糙度、轴偏心量、密封件的压缩率等。

（4）密封件是通用的基础元件，大多数类型产品的尺寸系列、公差、材质以及安装沟槽尺寸与公差及其设计计算准则均已标准化，在选用时可根据相应的国家或行业标准选择。

在密封国产化阶段，我们采用高锡巴氏合金代替密封函内复合层，原复合层材料为德国银，巴氏合金可简单地分为三种：高锡合金、高铅合金和中间合金(合金中锡和铅均占有重要比例)。

在所有这些合金系中，锑和铜均作为重要的合金化元素和硬化元素，而且其结构是由硬的、弥散于软基质中的金属间化合物组成。

典型工业巴氏合金成分见表一：
表一典型工业巴氏合金成分表
6.密封国产化前后工况对比
为了充分了解轴封国产化前后状况，查阅了2005年5月同期运行资料，对比2006年5月运行工况资料，平均工况参数见表二：
从表中看来，改后的工艺状况明显好于去年同期，特别是轴封后的轴承温度明显下降在5度左右，可以说，改造是非常成功的。

7.结论
通过对巴陵石化己内酰胺生产使用的进口多级离心式压缩机轴封状况剖析，结合大修阶段备件库存状况，通过大胆实践，采用国产部件对该压缩机组一、二、三级轴封实施国产化改造，本文从密封机理、密封材料选用、迷宫式气体密封的间隙、密封设计及选用的基本要求、密封国产化必要性与可行性、工艺状况对比多方面论证实施国产化改造的可行性与必要性。

科学要有实践试验来证明，对该密封的国产化改造，我们只是走了第一步，要在设备管理与维修技术方面上台阶，还需要严肃认真的工作态度和有效的过程控制。

参考文献
（1）ATLAS离心式空气压缩机组说明书
（2）徐灏. 密封. 北京: 冶金工业出版社，1998
（3）H休戈布赫特. 工业密封技术. 北京: 化学工业出版社，1988。