（化学工程专业论文）催化裂化装置富气压缩机轴端密封的改进.pdf

摘要 目前，国内外石化行业通常应用透平压缩机来输送大多数危险性工艺气体，这就要 求压缩机的轴端密封具有良好的密封性、安全可靠性、长的使用寿命及较好运行经济性。 密封的形式有很多，不同的密封形式有其自身的特点和适用范围。近年来，干气密封技 术开始在石油化工等行业的高速透平压缩机上得到应用，并以其独特的技术优势显示出 取代传统密封形式的趋势。 中国石油大连石化公司第三催化裂化装置富气压缩机为引进美国d r 公司的透平 压缩机，轴端密封为机械密封，为保证工艺介质不外泄，增设密封油系统，防止工艺气 体泄漏。该密封系统暴露出一些问题如密封漏油、氮气耗量大等一些不尽人意的地方。 通过对螺旋槽干气密封技术的研究，并经过详细论证，应用干气密封形式替代原有进口 密封形式，并于2 0 0 6 年装置停工检修时，对气压机端面密封进行改造，取得了良好的 使用效果。 通过对压缩机轴端密封改造过程的论述和实际已用效果评价，归纳总结出干气密封 相对于传统湿式密封的在技术上的优势，为其进一步推广应用提供了具有重要价值的工 程知识。文章首先简要介绍了目前流体密封技术的基础知识和发展情况，对典型密封形 式及其工作原理进行了阐述；重点介绍了干气密封的工作原理、技术特点及应用干气密 封对原有密封系统进行改造时应重点考虑的问题，指出干气密封突出优点及在石油化工 等行业高速透平压缩机上将越来越广泛被采用，成为工艺气体用高速透平压缩机新机轴 端密封的首选。 关键词：离心压缩机，干气密封，富气，工业应用 i m p r o v e m e n to ns h a f ts e a lo ff c c r i c hg a sc o m p r e s s o r l if a n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gy u i l f a n g & h a om u m i n g a b s t r a c t a tp r e s e n t ，a l lk i n d so f g a s e si nd o m e s t i ca n df o r e i 弘p e t r o c h e m i c a li n d u s t r ya l eu s u a l l y t r a n s p o r t e db yt u r b i n ec o m p r e s s o r , m o s to fw h i c ha r ed a n g e r o u s s oi t i sc a l l e df o rt h e c o m p r e s s o rs h a f ts e a lw i t hg o o dp e r f o r m a n c e ，s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y , l o n gs e r v i c el i f ea n d b e t t e rc o n o m i co p e r a t i o nt oa d o p tt h en e e do f c o m p r e s s o r d i f f e r e n ts e a l e df o r m sh a si t so w n f e a t u r e s a st e c h n o l o g yd e v e l o p i n g d r yg a ss e a li sd e m o n s t r a t i n gi t st e c h n i c a ls u p e r i o r i t y , a n d i th a st h et r e n dt or e p l a c et h et r a d i t i o n a ls e a lf o r m t h er i c hg a sc o m p r e s s o ro ft h et h i r dr f c c up e t r o c h i n ad a l i a np e t r o c h e m i c a li st h e t u r b i n ec o m p r e s s o ri n t r o d u c e df r o md rc o m p a n yo ft h eu n i t e ds t a t e s ，w h i c hs h a f ts e a li s t h em e c h a n i c a ls e a l i no r d e rt og u a r a n t e en 0l e a k a g eo ft e c h n o l o g ym e d i a , a n dw a sa d d e d s e a lo i ls y s t e mt op r e v e n tg a st e c h n o l o g yl e a k a g e s o m eo f t h ei s s u e sw a se x p o s e do f t h es e a l s y s t e ms u c ha ss e a l i n go i ll e a k a g e , n i t r o g e nc o n s u m p t i o n , a n ds oo n t h r o u g ht h er e s e a r c ho f t h es p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l ，i tw a sp r o p o s e du s i n gd r yg a ss e a lt os u b s t i t u t et h et h eo r i g i n a l f o r ma f t e rd e t a i l e da n a l y s i s t h es h a f ts e a lo fc o m p r e s s o rw a st r a n s f o r m e dd u r i n gt h ed e v i c e s s u s p e n s i o no v e r h a u li n2 0 0 6 ，a n dt h ee f f e c ti sg o o d 。 t h r o u g ht h ee x p o s i t i o no ft h ec o m p r e s s o rs h a f ts e a lo nt h ep r o c e s so ft r a n s f o r m a t i o n a n da c t u a lu s ee v a l u a t i o n , i ti ss u m m a r i z e dt h ea d v a n t a g e so fo r g a ss e a l r e l a t i v et ot h e t r a d i t i o n a lw e ts e a l ，a n di tp r o v i d e sac e r t a i nb a s eo f p r a c t i c et of u r t h e re x t e n s i v ea p p l i c a t i o n o fd r yg a ss e a l t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e sb a s i ck n o w l e d g ea n dd e v e l o p m e n t so ft h ec u r r e n t f l u i ds e a lt e c h n o l o g yb r i e f l y , a n di te l a b o r a t e st h et y p i c a ls e a lf o r ma n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e s d u r i n gv 耐o u ss t a g e s i tf o c l l s e so nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fd r yg a ss e a l ，t e c h n i c a lf e a t u r e s a n dt h ep r o b l e mo f a p p l i c a t i o no f d r yg a ss e a lo nt r a n s f o r m a t i o no f t h eo r i g i n a ls e a l i n gs y s t e m b e c a u s eo ft h ep r o m i n e n ta d v a n t a g e so fd r yg a ss e a l ，s oi ti sw i d e l yu s e di nt h eo i lr e f i n i n g ， c h e m i c a la n do t h e ri n d u s t r i e so nt h eh i g h - s p e e dt u r b i n ec o m p r e s s o r a n dd r yg a ss e a lh a s g r a d u a l l yb e c o m e t h ef i r s tc h o i c eo f h i g h - s p e e dt u r b i n ec o m p r e s s o rs h a rs e a l 。 k e y w o r d s c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ，d r yg a ss e a l ，硒c hg a s ，1 1 1 d u s t t i a la p p l i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 学位论文作者签名：萼扯 日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名；立：堕日期： 指导教师签名：墨乏删 日期： 年月日 年月日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 刖吾 离心式富气压缩机若要获得良好的运行效果，必须在转子和定子间保留一定的间隙， 以避免两者之间的摩擦、磨损以及碰撞、损坏等故障的发生。同时，由于间隙的存在， 自然会引起级间和轴端的泄漏现象。对于危险介质，泄漏不仅降低了压缩机的工作效率， 而且还将导致环境污染，甚至着火爆炸等事故，严重影响生产装置的长周期安全运行， 因此，外泄漏现象是不允许产生的。 压缩机轴端密封就是在保证转动部件正常工作的前提下，避免压缩机轴端泄漏的有 效措施【”。轴端密封应该根据压缩机的工作温度、压力和气体介质有无公害等条件，选 择适宜的密封结构形式及其辅助系统，减少或杜绝机器内的有压力气体向外泄漏1 2 。 本课题主要研究大连石化公司第三催化裂化装置富气压缩机轴端密封的改进，提高 密封系统运行的安全可靠性，减低运行成本和维护工作量。内容主要包括：透平压缩机 轴端密封的主要形式及技术特点，新型干气密封的工作原理和技术特点，选择干气密封 应考虑的技术问题( 包括选型和参数计算、辅助系统设计、主密封元件的参数校核、制 造试验和现场安装等) ，应用干气密封对原有老式密封进行改造后的运行情况及评价。 通过对各类密封形式的研究对比，通过干气密封与传统湿式密封性能的对比，通过对干 气密封在运行过程中的稳定性、可靠性及经济性进行分析，总结归纳出干气密封在催化 富气压缩机上运行使用的宝贵经验，为干气密封更好的应用于石油、化工等行业提供重 要的实践经验。 第一章绪论 第一章绪论 密封学是一门新学科，是研究密封规律、密封装置设计和使用科学原理的学科。密 封的功能是阻止泄漏。起密封作用的零部件称之为密封件。较复杂的密封特别是带有辅 助系统的，称为密封装置。密封装置是流体动力机械、工艺设备、液压设备、管道和阀 门等的重要部分。 密封装置按结构特点可分为抽气式、迷宫式、浮环式、机械式和螺旋式等5 种形式， 一般有毒、易燃易爆气体，应选用浮环式、机械式、螺旋式以及抽气式等密封装置。 石化行业普遍应用透平压缩机来输送各种气体。为了防止或限制这些气体沿压缩机 旋转轴端部泄漏到大气中去，就必须采用各种轴端密封装置，以便维持主机的正常运转， 降低物料和能源的消耗，防止环境污染和保证人身及设备安全。 根据被密封气体物理化学性质及价值的不同，轴端密封可以有不同的型式。 首先，以空气为介质的压缩机绝大多数采用通过节流来降低泄漏的迷宫式( 梳齿式) 密封，这是因为空气既无任何危险又非常廉价，其泄漏量的大小只是影响主机的效率即 能源的消耗。因此，对迷宫密封的主要研究课题是如何加强节流功能以降低泄漏量。利 用强化节流效应来降低气体泄漏量的蜂窝密封或刷式密封，也可以看作是改进型的迷宫 密封。 其次，压缩氮气、二氧化碳等”中性”气体的压缩机也可以采用迷宫密封，但由于其 价值远较空气为高，也有采用干式气体密封的，其目的是降低物料和能源的消耗。 国内外石化行业应用透平压缩机来输送各种气体，其中大多数是危险性工艺气体， 这就要求压缩机必须采用密封性能良好的密封形式，在工业应用中有诸如浮环密封、机 械浮环组合密封、机械密封、油膜密封、干气密封等。 1 1 流体密封技术概况 1 1 1 流体密封的定义 防止气体、液体等流体型工作介质从机器和设备中泄漏或防止外界杂质侵入机器和 设备内部的一种装置或措施成为流体密封。被密封的流体包括气体、液体、以及气体 液体混合物、气体液体固体颗粒混合物，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。 泄漏是指具有负面作用的质量迁移。造成泄漏的原因主要有两方面：一是密封面上 有间隙；二是密封两侧有压力差或浓度差，因此被密封的流体通常以三种形式泄漏：穿 漏、渗漏和扩散。穿漏是在压力差作用下通过密封间隙引起的质量迁移( 包括漏出和漏 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 入) 。渗漏是在表面张力作用下通过密封件材料的毛细管的质量迁移。扩散是在浓度差 作用下通过密封间隙的质量迁移。 1 1 2 流体密封的作用 流体密封的主要作用有：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。 密封性能是评价机械产品质量的一个重要指标。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大 大提高了机械工作的经济性、可靠性和耐久性，这是一个革命性的进步。 1 1 3 流体密封技术的要求 ( 1 ) 工况要求越来越苛刻 随着现代工业生产的迅速发展，流体动密封的使用环境正在发生深刻的变化，对其 工况要求更加苛刻，操作条件正向高速、高压、高温、低温、高真空、大尺寸、微尺寸 方向发展。以干气密封为例，目前密封端面线速度达到2 0 0 m s ，单级密封压力达到4 5 m p a ，最高温度达到5 5 0 ，密封平衡直径达到3 3 0 r a m 。 ( 2 ) 性能要求越来越高 随着现代社会对环保和可持续发展的日益重视，对流体动密封的性能要求也相应提 高，正向高效( 微泄漏) 、长寿命、高可靠性方向发展。仍以干气密封为例，其微泄漏 的特点可使航空发动机效率提高2 3 ，炼化行业高速透平机械的千气密封可以无故 障运行3 年甚至更长。 ( 3 ) 全无油润滑技术 传统透平机械的油系统，包括密封油系统和润滑油系统，不仅结构复杂、占地面积 大，也是故障率较高的一部分。采用干气密封与磁力轴承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。 1 2 气体密封主要形式 随着石油化工以及能源工业的发展，作为行业心脏部分的离心压缩机的应用日趋广 第一章绪论 泛。这使得对离心压缩机的轴封要求越来越严，随之而来的就是如何解决这些高速运转 设备的轴封问题。处理危险性工艺气体的透平压缩机必须采用密封性能良好的轴端密封 形式，才能实现工艺气体向外界、或密封液向工艺气体的微泄漏或零泄漏。从离心压缩 机轴封的发展过程来看，主要经历了以下几个阶段： ( 1 ) 迷宫密封，( 2 ) 液膜浮环密封，( 3 ) 接触式机械密封，( 4 ) 油膜润滑非接触式机 械密封( 简称“油膜密封”) ，( 5 ) 气膜润滑非接触式机械密封( 简称“干气密封”) 。 迷宫密封泄漏量大，不仅使设备效率下降，而且浪费原料，目前在国内外的离心式 压缩机上已经基本停止使用，只有一些工厂采用迷宫密封加上抽气系统使用在一些旧型 号压缩机上。国内目前使用较多的是浮环密封，以及浮环密封与机械密封组合，或者是 双端面的机械密封，也通称为湿密封系统。湿密封系统主要通过高压润滑油来达到密封 的目的。这种密封有一个很大的缺点，要求有复杂的封油系统，不仅能量损耗大，而且 一旦密封失效，很容易引起封油系统污染，造成机组停车或不能使用。所以，如何有效 地解决离心式压缩机的轴封成为用户和生产厂家共同关心的问题。随着人们对气体润滑 技术的研究开发，在二十世纪六十年代出现了气体润滑的非接触式机械密封，即干气密 封技术。它使用寿命长( 设计寿命四年) ，工作稳定可靠，而且又不需要封油系统，结 构简单，开始逐渐受到重视。下面将对密封发展的各个阶段进行简要介绍。 1 2 1 迷宫密封 迷宫密封是利用流体流经一系列节流间隙与膨胀空腔组成的通道，通过抽气与充气， 使工作介质产生节流效应，以节流降压来减小气体泄漏的非接触式动密封( 典型迷宫密 封如图1 1 所示) 。其优点是：非接触式、无摩擦、功耗少、使用寿命长、结构简单、 制造成本低、维护方便；对高温、高压、高速和大尺寸部位密封效果特别有效。但存在 的缺点是：密封元件加工精度高，装配较为困难，运行维护费用高；设计或组装不良， 易产生较大泄漏，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加抽充气组合密封结构。 为了克服普通迷宫密封泄漏量大的缺点，出现了径向小间隙的碳环密封，即在密封 环内设置碳环或其它合适材料的环，也称为固定环密封。其优点是：密封为干运转状态， 无需润滑；无旋转组件安装在轴上，不会产生附加的轴振动；径向间隙小，其泄漏量不 到普通迷宫密封泄漏量的1 1 0 。环密封主要用于低压压缩机和风机的轴端密封。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 i) n( ) 图1 - 1 典型迷宫密封结构示意图 f 毽l i t h es t r u c t u r eo f t h et y p i c a ll a b y r i n t hs e a l 1 2 2 浮环密封 ( 1 ) 浮环密封的特点 浮环密封是压缩危险性工艺气体的透平压缩机的传统密封形式。该密封属于非接触 式密封，寿命长，可靠性高，适用于高速和各种压力等级，工况范围广。特别是在高压 密封领域仍有广泛用途。但由于其内泄漏较大，回收处理内泄漏油设备较复杂，易对润 滑油造成污染和影响产品质量，氮气消耗量大，运行成本高等缺点，该密封正在被其它 更先进的密封形式所取代。 ( 2 ) 浮环密封的工作原理 如图1 - 2 所示为浮环密封的主要结构，包括密封腔体、内浮环、外浮环、中问体、 外端盖、隔离气封套、弹簧等组成。靠近大气侧的浮环为外浮环，靠近介质侧的浮环为 内浮环。 内、外浮环与旋转轴之间均留有间隙，确保有流体通过时可以产生浮升力。借助弹 簧力及密封流体压力作用，在转子高速旋转时，利用密封油在转子与浮环间楔形间隙产 生的动压效应获得的浮升力，使浮环浮升至工作位置。此时，由于密封油压力和浮环弹 簧压力的联合作用，内、外浮环轴向密封面分别紧贴于密封腔体和中间体的轴向密封面， 从而达到在轴向上密封工艺气的作用。由于防转销的限制，内、外浮环不能产生周向转 动，但可以产生径向浮动。而这种浮动能够部分地补偿转子径向的不同轴度及振动；另 一方面，为了改善润滑效果，带走摩擦热量，通常向内、外浮环之间引入其压力稍高于 被密封气体压力一般o 0 5 m p a + 0 0 1 m p a 的密封油。把对气相介质的气相密封工况转化 为对密封液的液相密封工况。由于密封油压力要比密封气压力高o 0 5 m p a 左右，工艺气 第一章绪论 在浮环内孔也为密封油所封堵阻隔，不能外漏，使浮环密封整体地完成了对工艺气的密 封。 1 密封腔俸2 内浮环3 卦) 孚环中间休 5 隔离气气封套6 外岩盖7 弹簧 图1 - 2 浮环密封结构 f i g l - 2 t h es t r u c t u r eo f f l o a t i n g - r i n gs e a l 浮升性是浮环独具的宝贵特性，流体通过浮环与轴的楔形间隙内时，如同轴承那样 产生流体动压效果而获得浮升力。轴不转动时，由于浮环自身的重力作用，环内壁贴在 轴上，并形成一偏心间隙。当轴转动时，轴表面的封液牵连带入偏心的楔形间隙内。在 楔形间隙内产生流体动压效应，使浮环浮升，浮环内壁与轴脱离，变为非接触状态。 浮升性使浮环具有自动对中性能，能适应轴的偏摆，以避免浮环与轴之间发生固相 摩擦。浮升性还可使轴与浮环的间隙尽量减小，以增强节流效果，减少泄漏量。引入浮 环的密封液少部分通过内浮环泄漏并与气相介质混合，引出压需进行气液分离，再循环 使用。大部分封液通过外浮环泄漏，引回油箱继续循环使用。 ( 3 ) 浮环密封失效过程 由于压缩机浮环密封设计参数与现场实际运行参数有较大差别，浮环与转子间隙常 处于不合理状态，由此造成了浮环工作中产生：过热一内孔磨损、密封端面磨损一过热 的恶性循环过程，最终导致浮环密封彻底失效。 ( 4 ) 浮环密封失效后果 浮环密封失效带来的经济损失是相当巨大的。当浮环发生磨损时，密封油会大量泄 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 漏，此时，工艺气可能会窜至密封油箱甚至润滑油箱，导致密封油润滑油粘度下降、酸 性增强，从而不得不频繁换油，造成用油量的增加。 当泄漏量增加时，密封油也可能窜进工艺气系统中，形成对催化荆的毒害，造成更 大的损失。因更换密封而造成的系统停机损失，检修费用损失等。 1 2 3 机械密封 机械密封亦称端面密封【3 1 ，它是依靠静止密封环( 静环) 和旋转密封环( 动环) 端 面的相互贴合并相对滑动而形成密封的，动环和静环之间的动密封面上的比压是靠机器 内流体的压力及弹簧力所产生的。机械密封具有密封性能好、性能稳定、泄漏量少、摩 擦功耗低、使用周期长、对轴磨损很小等优点，能满足多种工况要求；但其结构复杂、 制造精度高、价格较贵、维修不便。大连石化公司三催化装置的气压机在改造前采用机 械密封，为了减小动静环之间的摩擦，同时带走摩擦热，需要注入密封油，但密封油要 与工艺气体相接触，会使工艺气串入或吸附到密封油中。虽然密封油回油要进行脱气后 进入油箱，但仍有部分吸附气会带入油箱，长期积累会造成润滑油的污染。污染的润滑 油会使其主要指标发生改变，严重影响气压机运行的安全性和可靠性，也会造成在轴瓦 等部位的积炭，影响气压机运行时的机械状态i l 】。 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 域正逐步替代传统的浮环密封，主要有两方面原因：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 0 5 m p a 提高到0 1 5 0 3 5 m p a ，控 制的安全可靠性提高，系统较简单。与浮环密封相比，密封本体投资加大，但系统投资 减少，总投资下降，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，国内从2 0 世纪7 0 年代开始 致力于油膜螺旋槽端面密封的研究开发与推广应用。目前，油膜螺旋槽端面密封在技术 上己经完全成熟，端面线速度可达l o o m s ，内泄漏量接近于零。该密封系统在大量的工 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i ：1 的机械密封 产品。 图l 一3 所示为典型机械密封结构示意图。构成机械密封的基本元件有：端面密封副 ( 静环1 和动环2 ) 、弹性元件( 如弹簧4 ) 、辅助密封( 如0 形圈8 和9 ) 、传动件( 如 传动销3 和传动螺钉7 ) 、防转件( 如防转销1 0 ) 和紧固件( 如弹簧座5 、推环1 2 、压 盖l l 、紧定螺钉6 与轴套1 3 ) 等。 第一章绪论 图1 - 3 典型机械密封结构示意图 f 蟾1 - 3t h e s t r u c t u r e o f o f a t y p i c a l m e c h a n i c a ls e a l 1 2 4 油膜密封 ( 1 ) 油膜密封的技术特点 “油膜螺旋槽端面密封”作为一种流体动压非接触式机械密封，适用于石油化工如 天然气管线、炼油、乙烯、化纤、化肥等行业。它与进口压缩机的机械密封相比，极限 转速更高，由1 0 0 m s 提高到1 2 0m s ：泄漏量更低，由1 0 0 5 0 0 0 m l h 降至1m l h 以下 ( 几乎没有泄漏) ，不仅减少了密封油的消耗量，而且也大大降低了密封油对工艺回路 污染的危险性，其可靠性更高，寿命更长。 油膜密封与普通的平端面机械密封在结构上几乎没有什么区别，都是由旋转环( 动 环) 、静止环( 静环) 、弹簧、0 形圈、防转销、轴套、腔体等组成，如图1 - 4 所示。其 中弹簧是静止的，静止环是补偿环，这是高速机械密封在设计上所要遵循的共同原则。 但两者的根本区别在于油膜密封在旋转环的端面上加工有一组特殊螺旋槽。正是这种螺 旋槽使油膜密封成为流体动压非接触式密封。 油膜密封是一种非接触式机械密封，具有摩擦系数低、功耗小、端面磨损甚微、寿 命长、运行维护费用低等优点；而且，作为纯流体动压型密封，密封的螺旋兼有防止泄 漏的作用，可以在超高速工况下实现零泄漏，这是其它类型的流体动压密封所无法比拟 的。从理论上说，油膜密封可以实现无磨损和零泄漏。而在实践上，通过优化设计也是 可以接近这种理想状态的，确保实现微泄漏和微磨损。因此，这种密封特别适用于转速 高、对使用寿命和可靠性要求高的透平压缩机。 ( 2 ) 油膜密封的原理 油膜密封是螺旋槽端面密封的一种形式，其基本特征是在摩擦副的一个端面上刻有 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 特殊螺旋槽，一般开在由硬质材料制成的非补偿环上，且通常是旋转环。当该环随轴一 起旋转时，螺旋槽对密封流体起泵汲作用，在端面间形成一定的开启力，并与作用在补 偿环背面的流体闭合力和弹簧闭合力相平衡，形成一定厚度的流体膜，使两个相对滑动 的密封端面脱离，从而实现对工艺气的密封。 另外，在隔离气( 氮气) 系统上采用梳齿密封+ 直筒式密封显著地提高了阻止反扩 散的效率，从而大幅度降低了隔离气体的使用量，通过音速孑l 板控制氮气流量，使工艺 操作变得更为简单。 盔。一猿一 缕遂 。羹 l 巅 蠢 一一霹：47 1b 图l - 4 油膜密封结构示意图 f i g l - 4 t h es t r u c t u r eo f t h ef i l ms e a l 由此可见，螺旋槽端面密封理论和反扩散理论的应用，使得油膜密封具有了内泄漏 为零、氮气消耗量低、密封效果好、操作简便的特点。 1 2 5 干气密封 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，即千运转的自 动气体润滑机械密封，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( 通 常是硬质的旋转环) 的端面上加工出特殊型式的流体动压槽，槽深一般在3 l o u m 之间。 当环旋转时，在流槽的作用下气体被泵入密封端面，在密封端面问形成一层厚度为2 5 u m 的气膜，将两密封面隔开，使密封保持非接触运转。干气密封的气膜厚度虽然很薄， 但刚度很大，一旦出现外界干扰使密封面间隙变化时，它能迅速回复到原来的平衡位置， 具有很强的抗外界干扰的能力。 9 、。， 厂j 第一章绪论 1 3 干气密封技术 1 3 1 千气密封的由来及发展 干气密封的概念是二十世纪六十年代末从气体润滑轴承的基础上发展起来的，其中 典型代表是螺旋槽密封【4 】( 其典型结构如图1 - 5 所示) 。经过数年的理论研究与实践，二 十世纪七十年代中期商用干气密封在美国成功地应用于达到2 7 6 m p a 的压差和1 2 0 m s 的线速度的设备上，其气体泄漏量仅为0 0 0 1 0 0 0 2 m 3 s 。随后，约翰克兰公司针对气 体润滑的瑞利台阶型和螺旋槽型外接触密封进行了研究，并开发了系列产品。新墨西哥 大学的a o l e b e c k 教授对端面带坡度的气体润滑机械密封进行了分析计算，认为其具 有泄漏量少、寿命长、性能稳定等特点。日本e a g l e 公司对气体静压外接触式干气密 封进行了试验研究。德国伯格曼公司对双向螺旋槽和t 型密封进行了研究，使用效果很 好。 j o h nc r a n e 公司从2 0 世纪6 0 年代中开始研究气膜润滑端面密封技术，到2 0 世纪 8 0 年代初己完全达到实用化的程度。从2 0 世纪9 0 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。由于优点突出，它在炼油、化工等行业高速透平压缩机 上的应用越来越广，己逐步成为工艺气体用高速透平压缩机新机轴端密封的首选。我国 在9 0 年代后期，开始逐步引进国外干气密封技术应用于大型离心压缩机，国内外干气 密封产品价格也开始逐步下降，其性价比远远高于浮环密封和机械密封。因此原来一些 采用浮环密封或机械密封的压缩机，不论是国外进口的还是国产的，也逐步改为干气密 封。 随着干气密封技术的不断发展，我国在9 0 年代后期，开始逐步引进国外干气密封技 术，应用于大型离心压缩机。通过实践证明，干气密封具有非常明显的优势。同时，国 内有关的研究机构也相继对干气密封进行了一些研究。中国石油大学在顾永泉教授等人 的带领下，发表了一些关于干气密封原理和设计理论的研究。四川密封技术研究所的彭 建、北京化工大学机电工程学院的林培峰等人，也对螺旋槽干气密封的优化设计发表了 研究论文。 在干气密封技术的应用方面，伯格曼公司和克兰公司也相继在国内一些大型的压缩 机上使用了他们的产品，取得了很好的效果。但由于其价格偏高，给干气密封在国内企 业的应用带来一些困难。天津鼎名密封公司在1 9 9 9 年末，使用自行设计的干气密封装 置应用于在国内一些离心式压缩机上，取得了成功，为我国干气密封技术国产化做出了 一些贡献。 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 图1 - 5 典型干气密封结构示意图 f i g l - $ t h es t r u c t u r eo f o f at y p i c a ld r yg a ss e a l 由于干气密封具有浮环密封等无法比拟的优点，目前国内的一些企业也把离心式压 缩机轴封的重点放在干气密封上。些新型离心式压缩机的轴封都采用干气密封形式， 同时一些原来为浮环密封的压缩机组也逐渐改造为干气密封形式，而且改造后的使用效 果很好。因此，干气密封技术的发展已成为一种趋势。国内一些企业研制的干气密封已 经形成了自己的系列产品，应用范围越来越大。 由于干气密封技术的发展，也有一些机构在研制和使用液体润滑的螺旋槽端面密 封，应用于运行条件比较苛刻的泵和透平压缩机上，密封效果也非常理想。同时，针对 不同操作条件的干气密封结构也在研究和使用当中，使干气密封技术的使用范围不断扩 大，密封技术越来越成熟，应用越来越广，效果越来越明显。实践证明，干气密封具有 非常明显的优势，是最先进的一代透平压缩机轴端密封形式，已发展成为目前大机组新 机项目和改造项目的首选轴端密封型式。 1 3 2 干气密封在实际中的应用现状 随着干气密封技术和产品的发展和广泛应用，国内有关研究机构也相继对干气密封 进行了研究。中国石油大学对干气密封原理和设计理论进行了研究；四川密封技术研究 所、北京化工大学也对螺旋槽千气密封的优化设计发表了相关研究论文，这对干气密封 技术在国内的应用具有十分重要的指导意义。 目前对干气密封技术的探索性研究集中在以下儿方面。 ( 1 ) 关于气膜流态的研究 密封面间的气膜，在推导各种方程时都假设为层流，但在高速时流动状态可能发生 变化，可以是过渡状态的流动或超音速流等。 有文献报道，窄问隙亚音速层流时密封面的稳定性最好：大间隙时会不稳定，易引 起由层流向紊流流动的转变，且在出口产生音速的流动，从而产生振动，使密封面遭到 1 1 第一章绪论 有文献报道，窄间隙亚音速层流时密封面的稳定性最好：大间隙时会不稳定，易引 起由层流向紊流流动的转变，且在出口产生音速的流动，从而产生振动，使密封面遭到 破坏。 ( 2 ) 关于工作状态及稳定性的研究 由于轴承的稳定性要求与机械密封一致，所以基本上以轴承稳定性研究得到的结论 作为设计气体螺旋槽干气密封的依据。 对工作状态的研究主要有以下几个方面：偏心对密封性能的影响；密封面倾斜的影 响；密封面变形的影响。目前，对这三者的研究主要以试验为主，尚未建立数学模型来 讨论这些工作状态下密封性能的变化规律。试验证明：偏心、密封面倾斜及热变形都对 密封工作特性有很大的影响，为减小这三者的影响，主要采取提高安装精度、采用自对 中原理和设计来设计密封的措施。 ( 3 ) 保证气膜稳定性的自调机构 最理想的气膜状态要求静环与动环始终保持平行，但实际上总有各种角度产生。通 常压力变形导致密封端面外侧可能接触，而热变形导致密封端面内侧可能接触，前者产 生发散气膜、后者产生收敛气膜。 密封面上压力分布的变化可重新调节密封面，以保持气膜的稳定。也就是说，一旦 通过设计确定了运行间隙并实际校准了，螺旋槽就能在其应用条件下，对可接受的正常 移动情况保持气膜稳定性，但不能超出其运行极限。 ( 4 ) 绝热设计 由于气体导热系数小，摩擦面产生的热不能及时散出，使气膜与密封面间产生热传 导，从而使密封面产生热变形，影响表面间的压力分布。试验证明，磨损主要出现在槽 台区，而密封坝区无磨损。这是由于气膜压降主要出现在密封坝区，气体在该区膨胀并 带走大量的热，从而使密封坝处的温度低、变形小，这样易造成密封面倾斜、承载能力 及刚度降低。为克服这一缺点，通常采用“增加密封坝的宽度、使气体温度从t l 升到 t 2 所需热量等于密封面相对运动时对气体的剪切热”的绝热设计。 1 3 3 干气密封的优点 干气密封是近年来发展起来的新型非接触轴密封技术，实现了既可以密封气体又能 进行干运转操作【5 1 。 干气密封装置与传统的机械密封相类似。主要的不同点是；( 1 ) 在旋转环的密封端面 上刻有许多沟槽，起密封堰作用；( 2 ) 密封面具有自动闭合的功能，使旋转中的密封面间 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 保持微小的间隙( 3 5um ) ；( 3 ) 密封气体一般采用压缩机排放的气体。 干气密封用于离心式压缩机的旋转轴上，具有以下突出优点：( 1 ) 由于密封端面不接 触，因而运行可靠性高，使用寿命长，理论上没有寿命的限制：( 2 ) 与其它密封类型相比， 具有密封气泄漏量小的特点；( 3 ) 由于取消了庞大的密封油供给及测控系统，消除了密封 油对工艺回路污染的可能性；( 4 ) 2 1 2 艺气亦不污染润滑油系统；( 5 ) 占地面积小，重量轻， 运行维护费用低，被密封的流体不受油污染嘲；( 6 ) 密封功耗低，节约能源：( 7 ) 密封只消 耗少量空分装置分离出的n 2 ，无环境污染，即节能又环保；( 8 ) 减d , t 计划外维修费用 和生产停车。目前，在工业上已获得广泛应用。 1 3 4 干气密封的研究方向 干气密封技术虽然己经被广泛，成功地解决了原来湿密封系统复杂的油路问题，并 达到了很高的寿命，但对于气密封理论的研究和认识还有待于进一步的加深； ( 1 ) 泄漏量大，不能达到零泄漏。如何减小泄漏量是干气密封的一个研究方向。 ( 2 ) 液体污染物进入螺旋槽后，经逐渐积累，会造成气膜承载力的下降，有发生端 面接触的危险。如何清除和防止螺旋槽中液体杂质污染需进一步研究。 ( 3 ) 影响干气密封运转性能的因素很多，一般分为工艺参数和密封的结构参数。 ( 4 ) 针对具体密封结构的研究和理论较欠缺，而且理论又缺乏统一性，有待于今后 不断加强与提高。 1 4 本文的研究内容 本文对流体密封技术的发展进行简要介绍，同时重点介绍了干气密封的研究现状及 发展趋势及其广阔的工业应用前景；并根据干气密封的特点及典型结构，对螺旋槽干气 密封的结构和基本理论进行研究。详细阐述中国石油大连石化公司第三催化裂化装置富 气压缩机轴端密封的干气密封改造，并通过对实际运行效果的监控，分析了提高富气压 缩机密封系统运行的安全可靠性的有效途径。主要内容如下： 干气密封改造的工艺原理及工艺流程，干气密封选型依据，动环的强度计算，降低 密封旋转部件振动的措施，干气密封主要部件材质的选择，及其在实际运行过程中稳定 性及可靠性分析；对比干气密封与传统湿式密封在技术特点上差异，阐明了干气密封优 势所在；通过对其改造后运行运行状况和运行经济性的分析，对今后的工作进行展望， 为干气密封在石化行业的进一步推广应用，提供了一个成功的改进范例，指出进行旧密 封改造是应考虑的技术问题及要点，并提出了合理的意见和建议。 第二章干气密封工作原理及技术特点 第二章干气密封工作原理及技术特点 干气密封是一种新型非接触端面密封技术，由于其既可以密封气体又能进行干运转操 作，在实际中得到越来越广泛的应用。 2 1 干气密封工作原理 干气密封是世纪六十年代开始研究的气膜润滑端面密封，八十年代达到实用化。干气 密封是种“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 代高速透平离心压缩机轴端密封。其主要应用于天然气管线、炼油、石油化工、化工等行 业的透平压缩机，用于密封各种危险性工艺流程气体、以便维持主要设备的正常运转，降 低物料和能源的消耗、防止环境污染，保证人身及设备安全。 2 1 1 千气密封典型结构 与液体相比，气体具有粘度小、导热系数小、可压缩等特点，干气密封运行时产生的 动压效应比较弱。因此，干气密封首要问题是如何获得较大的气膜刚度以及气膜承载力， 从而实现气体润滑及非接触运行。 根据气膜产生原理，可将其分为：静压型、动压型、动静压结合型。严格说，密封运转 时无绝对的纯静压效应，也没有绝对的纯动压效应，而只有动静压混合效应，只不过从其 结构原理上分析，动静压产生的效应是否占主要作用。 ( 1 ) 静压型：流体静压型密封典型结构如图2 1 所示。 圆囹 勿闲 囫图 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 2 ) 动压型：流体动压型密封典型结构如图2 - 2 所示。 臆腻感 祗li z 嫩l 奠途 险，氐& o 醪 第二章干气密封工作原理及技术特点 弹簧和弹簧座( 腔体) 等。静环位于不锈钢弹簧座内，用副密封o 形圈密封。弹簧在密封 无负荷状态下使静环与固定在轴上的旋转环动环组件配合，如图2 - 4 所示。 环面带注孔螺旋槽型 汤圃 一 、，趱毽氢淫多罗 雾簧塞 z = 鲁嘲) 黻 推环 _ 不 铜) 唠圈 缸旺) 题啤 锁摹套 ( p t f e )( 币馨钶) 图2 4 干气密封结构 f l 醇- 4t h es t r u c t u r eo f d r yg a s 螂j 2 1 3 泵送原理 随着动环的转动，气体被向内泵送到螺旋槽的根部，根部以外的一段无槽区称为密封 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 坝。密封坝对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。该密封坝的内侧还有一系列的反 向螺旋槽，这些反向螺旋槽起着反向泵送、改善配合表面压力分布的作用，从而加大开启 静环与动环组件的能力。反向螺旋槽的内侧还有一段密封坝，对气体流动产生阻力作用， 增加气体膜压力，如图2 - 5 所示。配合表面间的压力使静环表面与动环组件脱离，保持一 个很小的间隙，一般为3um 左右。当由气体压力和弹簧力产生的闭合力与气体膜的开启 力相等时，便建立了稳定的平衡间隙。 动虾转冉 图2 - 5 泵送原理示意图 f i 9 2 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo f p u m p i n g 2 1 2 螺旋槽于气密封工作原理 干气密封最早是由螺旋槽气体轴承转化而来的，与其它机械密封相比，其主要区别是 在旋转环或静止环端面上( 或者同时在这两个端面上) 刻有浅槽，当密封运转时，在密封 端面间形成气膜，使之脱离接触，因此端面几乎无磨损。 产生流体动压作用的最有效方法是在密封端面上加工出螺旋槽，如图2 - 6 所示。当然， 许多其他槽型，如阶梯槽、r a y l e i g h 台阶槽等也可以产生流体动压作用，但是在理论上， 螺旋槽比较成熟，刻有螺旋槽的密封可以产生比较大的气膜刚度，而且膜压分布均匀。 1 7 第二章干气密封工作原理及技术特点 冉串心 图2 6 螺旋槽密封的作用原理 f i 9 2 6 t h ef u n c t i o n a lp r i n c i p l eo f t h es p i r a lg r o o v es e a l 密封面开槽既可在动环上也可以在静环