（化学工程专业论文）离心压缩机浮环密封改造及研究.pdf

人连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 流体密封技术在石油化工机械领域中的应用非常广泛，可以说是不可缺少的机械零 部件。它对整台机器设备、整套装置、甚至对整个工厂的安全生产影响都很大。在石油 化工企业中，所处理的流( 气、液) 体大多数具有腐蚀性、可燃性、易爆性及毒性，一 旦密封失效，介质泄漏，后果不堪设想。因此，发展流体密封技术对设备运转可靠、机 组安全平稳、装置连续生产起着相当重要的作用。 浮环密封是一种结构比较特殊的组合式流体动密封，由于其密封性能稳定，能用于 高温、高压及高速旋转流体机械的优点，目前国内输送石油气、氢气等易燃易爆介质的 离心式气体压缩机多采用浮环密封。本文即针对循环氢气离心压缩机浮环密封出现的泄 漏问题，通过对其结构和运行状况的分析，在浮环受力情况的基础上，对浮环密封进行 静力计算，找出密封失效的原因，又经过实际工作试验，得出压力、转速与相对偏心率 之间的关系，并根据这些数据对浮环密封的结构和材质进行了改进。实践证明，此次改 造达到了预期的技术效果和经济指标。 关键词：浮环密封；离心式压缩机；压力；相对偏心率；改造 离心压缩机浮环密封改造与研究 t h ea l t e r a t i o na n dr e s e a r c ho f f l o a t i n g r i n gs e a la b o u tc e n t r i f u g a l c o m p r e s s o r a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o ni nt h ec h e m i c a lm a c h i n e r yf i e l do fp e t r o l e u mo ff u i ds e a li s v e r y e x t e n s i v e ，m e c h a n i c a ls p a r ep a r tw h i c hs a y st ob ei n d i s p e n s a b l e i ti so fg r e a ti m p a c ti nt h e s a f e t yo fp r o d u c t i o nf o rt h er i g h tw h o l em a c h i n e r ye q u i p m e n t ，t h ew h o l es e to fd e v i c e ，e v e n t ot h ew h o l ef a c t o r y i ne n t e r p r i s e so f p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y t h eo n e st h a td e a lw i t hl i q u i d o rg a s e i t ym o s to fb o d yh a v e c o r r o s i v i t y ，f l a m m a b i l i t y ，e x p l o s i v ea n dt o x i c i t y o n c es e a la n d l o s ee 伍c i e n c y ，t h em e d i u mi sl e to u t t h ec o n s e q u e n c ei st o og h a s t l yt o c o n t e m p l a t e s o d e v e l o pf l u i ds e a l e dt e c h n o l o g yt u r nr o u n dt oe q u i p m e n tr e l i a b l e ，t h ea i r c r e wi ss a f ea n d s t e a d y ，t h ed e v i c ep r o d u c e sa n dp l a y saq u i t ei m p o r t a n tr o l ei ns u c c e s s i o n t h ef l o a t i n g r i n gs e a li sm o v e da n di sak i n do fs e c t i o n a lf l u i dw i t hm o r es p e c i a l s t r u c t u r eb e c a u s ei t s s e a l i n gp r o p e r t yi ss t e a d y ，i tc a nb eu s e di nh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g h p r e s s u r ea n dr o t a t et h em e c h a n i c a la d v a n t a g eo ff l u i da tah i g hs p e e d ，t h ec e n t r i f u g a lg a s c o m p m s s o rs e n d i n gf l a m m a b l ea n de x p l o s i v em e d i u m ，s u c ha so i lg a s ，h y d r o g e n s oi ta d o p t t h er i n go ff l o a t i n gt ob es e a l e dm o r ea tp r e s e n t t h i st e x tf l o a tt oc i r c u l a t i o nh y d r o g e na to d d s w i t ht h ec o m m u n i t yo rt h el e a d e r s h i pc o m p r e s s o rr i n gs e a lt h eq u e s t i o no fl e a k i n ga p p e a r e d p r o m p t l y ，a n das e r i e so ft h e o r i e sa r ec a l c u l a t e dt h r o u g ha na n a l y s i so fi t ss t r u c t u r ea n d o p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，f i n do u ta n ds e a lt h ei n v a l i dr e a s o n 。p a s st h ea c t u a lo p e r a t i n gm o d ea n d t e s ta g a i n ，d r a wt h er e l a t i o na m o n gt h ep r e s s u r e ，r o t a t i o n a ls p e e da n dr e l a t i v ee c c e n t r i c i t y ，a n d h a si m p r o v e da c c o r d i n gt ot h e s ed a t as t r u c t u r ea n dm a t e r i a lw i t hs e a l e dr i n gt of l o a t i n g p r a c t i c eh a sp r o v e d ，t h i st r a n s f o r m a t i o nr e a c ht h e a n t i c i p a t e dt e c h n o l o g i c a lr e s u l ta n d e c o n o m i ci n d i c a t o r k e y w o r d s ：f l o a t i n gs e a lr i n g ；c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ；p r e s s u r e ；r e l a t i v er a t eo f p a r t i a l c o r e ；a l t e r a t i o na n dr e s e a r c h i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文 作者签名 大连理工大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理一j ：人学专业学位硕士学位论文 绪论 1 1概述 密封是重要的机械基础件，在国民经济的各个领域都有广泛应用，在设备运行中起 重要作用。随着机械、石油化工、动力、轻工、原子能等工业和宇航技术的发展，密 封技术变得越来越重要。密封性能是评价机械产品质量的一个重要指标，密封学作为 - 1 7 独立的学科在国民经济发展中也占有相当重要的地位。因此，对于密封的设计人 员、生产人员和运行保障人员也提出了更高的要求。 在机械设备中密封的功能是防止泄漏。起密封作用的零部件成为密封件。密封件 是流体机械和动力机械中不可缺少的零部件。机器及设备在使用中大量发生的工作介质 和润滑油的“跑、冒、滴、漏”现象，反映了密封的设计、制造所存在的问题。 密封的种类繁多，大致可归纳成接触型和非接触型两类。几乎全部静密封都属于 接触型密封，动密封既有接触型的，也有非接触型的。接触型动密封又可分为非弹性 体接触( 密封面用金属、石墨等非弹性体材料制成) 和弹性体接触两类。以橡胶密封 制品为例，它是弹性体接触密封中应用最广的密封制品。橡胶密封制品一般用于防止 流体介质从机械或仪表中泄露出来，也可以防止外界狄尘、泥沙以及空气( 对真空系 统而言) 进入密封系统内部。 虽然密封在整台机器设备中不是很大的工作原件，但其作用对整台机器设备、整套 装置、甚至对整个工厂的影响都很大，特别实在石油化工企业中，对安全生产、节省 能耗和物料消耗，防止产品和大气污染，发展新技术、新设备，保证设备运转可靠、高 效率，装置连续正常生产具有重大的意义。在石油化工企业中，所处理的介质大多具 有腐蚀性、可燃性、易爆性及毒性，一旦密封失效、介质外漏，不仅污染环境、影响人 体健康和产品质量，而且往往会导致火灾、爆炸和人身伤亡等重大事故。因此，不仅 要注意和避免肉眼可视的液体泄露，还应避免不可视气体逸出。 在日常的机器设备使用和维修中，对于压缩机及泵类设备几乎4 0 - - 5 0 的工作量是 针对轴端各种密封的。因此，为了使机器设备能在高效率下安全可靠的连续运转，必须 在了解各种流体密封的结构原理、分析密封泄漏原因的基础上掌握流体密封技术，以解 决生产中出现的各种问题。 离心斥缩机浮环密封改造与研究 1 2目前化工装置常用的密封形式及发展现状 1 2 1机械密封 机械密封又称端面密封( m e c h a n i c a le n df a c es e a l ) ，是旋转轴用动密封。机械 密封性能可靠，泄漏量小，使用寿命长，功耗低，毋需经常维修，且能适应于生产过程 自动化和高温、低温、高压、真空、高速以及各种强腐蚀性介质、含固体颗粒介质等苛 刻的密封要求他。 1 8 8 5 年英国最早出现第一个机械密封专利。在第二次世界大战期间机械密封用于化 工泵中，以后在美国迅速普及，其他欧洲国家在4 0 5 0 年代丌始广泛使用。中国6 0 年 代初期在兰州炼油化工总厂等最先使用机械密封，后来自行研制机械密封，现在已被广 泛应用于石油、化工、机械、冶金航空和原子能等工业中。 机械密封是靠一对或几对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的 弹力( 或磁力) 作用下保持接合并配以辅助密封而达到的阻漏的轴封装置。 图l 一1机械密封示恿图 f i gl 一1 t h ed i a g r a mo fm e c h a n i c a le n df a c e s e a l 1 2 2 迷宫密封 迷宫密封又称拉别令密封( l a b y r i n t hs e a l ) 。迷宫密封是由一系列梳齿组成的， 故又称梳齿密封。它被做成各种形状曲折通道，用作液体密封时，依靠密封室内产生旋 涡和进入窄入口段造成压力损失来增大缝隙流动阻力，在高雷诺数下很有成效，而在低 雷诺数( r e f 。 实际上，常用时可能出现r f 情况，即流体动力不够。此时密封部位也会出现干 磨擦，为此要用减摩材料制造浮坏，以劬强维持其工作。 浮环密封的油气压差( 密封油与被密封的工艺气之间的压差) 通常控制在5 0k p a 左右，以减小封油的内漏：量。但密判油压与低压侧( 通常为大气压) 的压差很大，甚至 超过了1 0 m p a 。所以介质侧浮环与浮环座之间在油压的作用下产生极大的轴向压紧力， 使浮环的磨擦力极大。为保证浮环克服磨擦力而具有良好的浮动性，在对该密封进行结 构优化时采用了- 种特殊的结构设计，即“液压静力卸荷”方式。详见本文浮环密封的 结构优化部分。 2 2 2 流体力学作用力计算 外浮环已知参数： 浮环长度l ：1 5 8 m m浮环重量g ：6 n初始温度：4 0 直径间隙6 ：动力粘度：4 8 l0 3 p a s 磨擦系数肛：0 1 转速1 1 ：1 0 3 0 0 r m i n压力p 1 ：l8 m p a密度p ：8 8 6 k g m 3 轴径d ：9 5 m m 浮环内径d l ：9 9 7 m m外径d o ：1 0 6 m m 比热：c p = 1 9 0 5 k j k g k 对改造前外浮环进行核算： 浮环受力见图2 1 0 ： 浮环端面正压力f ： f = f1 + t f 3 f 4 式中：f l 一介质证压力 t - 一环内表面磨擦力( n ) f 3 、f 4 右端面承受介质压力( n ) e j ，r ( d 。2 一d 2 = 3 1 2 4 n f 3 ：三r ( d 。- 一- d2 ) ：旦竺量掣：5 7 2 。9 丁：辈(鼻一芝)：_(pj-06p-)trdh：29 同理得f 4 = 1 2 8 1 7 8 n 离心压缩机浮环密封改造与研究 故，由以上各式得f = l3 2 8 0 5 n 浮环端面磨擦力： r = l af = l3 2 8 0 5 n 浮环的浮动阻力： w = r + g = l3 3 4 0 5 n 浮环相对偏心率： 一p1 lj f4 图2 1 0 浮环端面受力简幽 f i g2 - 10 t h ed i a g r a mo ff o r c eo nt h ef l o a t i n g r i n ge n df a c e 由于浮动环的浮力与滑动轴承极为相似i 所不同的是轴承中轴相对于轴瓦浮动，而 浮环密封中是浮动环相对于轴浮动。它们的浮动力都是液隙中流体动压效应的作用结 果，因此浮动环的浮动力可用流体润滑滑动轴承公式计算： 9 0 = 6 6 7 兰。_ m u 。恬 2 击 式中：p o 浮动力，单位为n ； u 流体动力粘度，单位为p a s ； 1 1 轴的旋转频率，单位r m i n ； 伊一轴径，单位m ； 人连理l ：人专业。侮硕十学何论文 l 单个环节流长度；m ； 6 直径l 日j 隙，m ； 相对偏心。e = ( e 为偏心距) 力 如果环和轴之| 白j 没有偏心，e = 0 ，则浮动力环的重量得不到平衡，环不会浮起，此 时，e 必然要增大；反之，若偏心太大，p o 也随之增大，从而又使e 趋于减小。结果， 浮环必然与轴保持一定的相对偏心而处于平衡状态，即上式是一个平衡状态的方程。由 上式，即可得到相对偏心的公式： 占：! 一：0 5 5 9 占= o 川2 卯剧( 喜) 2 l + 二三一 相对偏心值越大，浮动环的浮动性越好，但随着值增大，泄漏量及磨擦功率也相 应增加。因此，不宜过大，一般推荐 o 5 ， 故认为外浮环浮动力不好。 封油泄漏龟( 密封循环量) ： j 下常情况下，流体通过浮动坏密封间隙的流动处于层状念，由简化后的奈维一斯托克斯 方程得知，问隙中的流体动压力与沿f b j 隙泄漏量的速度有如下关系： a 2 u1a p 一= 一一 a y 2 1 舐 “：去宝小c c ： “= oy 一+ l 1 ，+ l ， 2 卵叙。 。 图2 1 1 为浮动环密封泄漏量计算用图，图中e 为偏心距。根据边界条件： 离心胝缩机浮环密封改造与研究 i y x 图2 11浮动环密封泄漏餐计算 f i g2 11 t h ec a l c u l a t i o no ff l o a t i n g r i n gs e a ll e a k a g e y = ou = o y = ou = o 将这边界条件代入式( 1 ) ，得c z = o 印一拦 再将c l c 2 代入式( 1 ) ，得 “：! 生f ，一型 7 d xi2 2 | 求图3 1 2 中a b 面j ：的平均流速0 ，由上式积分可得 云：一1 虫厅z “= 一。门 12 , ud x 3 2 人近理i ：人学专、旷浮伉硕十学位论文 流体通过i 日j 隙的泄漏肇q f 一 q 2 j ：u h r d a ( 2 ) 由于偏心，沿不同a 角这截面i h j 隙h 是不同的，可由图2 1 2 得到间隙h 与偏心距e 的几何关系。图中的偏心线o o 与任一线o 7 m 之夹角为q ，与轴表面交于n 点， 由图知： o m = o n + h = r + h o m = r 式中r 一轴的半径 r 一浮动环的内半径。 在a 0 0 m 中，应片】余弦定理可得： r 2 = e 2 + ( ，| + 厅) 2 + 2 e ( r + h ) c o s a 解得： + 户+ h ：一p c o s 口r2 一p 2 s i n2 口 上式取j 下号并略去比r 2 项小得多的e 2 s i n 2 a ，则h ：r 一，- 一e c o s 口 赫 图2 1 2间隙hj 偏心距e 之间的) d f i ，i 关系 f i g2 - 12 t h eg e o m e t r yr e l a t i o no fc l e a r a n c eha n de c c e n t r i c i t ye 因= e h ，有 离心jl i 缩机浮环密封改造i j 研究 办= p 、r - r c o s c r e ) = p ( 三一c 。s 口)、)s) 将上式及u 的表达式代入式( 2 ) ，经二次积分后得层流工况泄漏量为： q ：跫竽( 1 “5 ? ) 1 0 ，。 (3)1 2 ，7 ， 、7 上式需满足条件：轴向流动雷诺数r 。 l 。，周向流动诺数r 。亨 4 2 耻罴 式中v 运动粘度，单位为m 2 s d “办 “2 式中l 】一轴的圆周速度，单位为m s 。 公式( 3 ) 表明浮动环与轴的偏心越大，泄漏量也越大。由该式知，泄漏量与间隙 的立方成f 比，所以为减小泄漏最应尽可能减小坏与轴的间隙；泄漏量与节流长度l 成 反比，故压差大时需增加坏数。 由公式( 3 ) ： q ：e r d h a p ( 1 + 1 5 f 2 ) 10 一l 1 069lminl2r l l 7 低压侧摩擦功耗： 封液温升： ：1 7 2 x1 0 5 d 3 n 2 l q ：8 4 6 k j 人连理i 。人学专、业。乎位硕1 _ 学位论文 ，：n , + q a p ：5 4 c | p q 一般情况下相对偏心率大于o 5 ，贝0 浮升效果不好，由以上计算可知相对偏心率已大 于0 5 ，因而可知，外浮环的浮升性不好，使用时浮升能力差，再加上浮环盒长期使用表面有 低，使封液内泄量增大导致环浮升力迅速下降，加速磨损，最终密封失效，氢气从呼吸阀泄 漏，十分危险。 内浮环的浮升性校核： 轴径d ：9 5 m m浮环内径：d l ：9 8 m m 外径：d o ：1 0 2 m m d 2 ：1 0 7 2 m m 浮坏长度l ：1 5 7 m m浮环重量度g ：6 n 初始温度：4 0 根据经验，内浮环的i r j f t 隙： 6 = ( 0 0 0 0 5 - 0 0 0 1 ) d 1 = ( 0 0 0 0 5 - 0 0 0 1 ) 9 8 = 0 0 4 9 - 0 0 9 8 m m 可取6 = o ，0 9 5 当偏心率e = 0 5 时，浮环的浮升力为p o 。由下式： 尼= 6 6 = 6 6 7 7 丝6 0 。侣) 2 击i 万 l s 4 8 1 0 3 10 3 0 0 = 2 5 7 3 n 6 0 8 o 7 ( 等) 2 羔 通常0 型圈密封的接触宽度b 约为0 5 - - 2 r a m ，可取b = 0 5 m m ，所以可以求得接触面 积s 。即： d = ( d o + d 2 ) 2 = ( 1 0 2 + 10 7 2 ) = 10 4 6 s = 万陟+ o 5 ) 2 一( d 7 0 5 ) 2i 4 = 1 6 4 2 m m 2 在密封接触面上，油胝产尘的轴向力为f 汕 氏2 瓯h - - 1 8 0 5 1 0 。1 6 4 2 1 0 。4 = 2 9 6 4 n 油膜反弹力： = k f = 2 9 6 = 7 4 1 n 式中l ，_ 油膜反压系数，根据经验k = i 4 3 5 离一削f i 缩机浮王4 ：密封改造j j 研究 忽略密封油和密封气对内浮环作用力之差，所以可求内浮环的轴向力f z 疋2 i i 一= 2 9 6 4 7 4 l = 2 2 2 3 n o 形圈与钢的摩擦系数墩0 2 则i ，t 求摩擦jr r = f f z = 0 2 x2 2 2 3 。4 4 4 6 根据力的平衡关系 p = g + r = 6 + 4 4 4 6 = 4 5 0 6 n 代入式： 1 一i 冈 l 只j = 。一二_ = 0 16 3 1 + f2 0 91 l 4 5 0 6 i 内浮环的偏一心率符合e - - 0 5 ， 乎环的浮升性设计合理，轴套与浮环内径的问隙也合适。 故结构尺寸不变，只对其进行址1 j 优化，进一步提高浮环的对中性能。 2 2 3 浮环的改造 经过一系计算，并埘氧循j ；f ：离心压缩机浮环密封进行不同参数的比较计算，根据 计算选出最优改造方案进行实际工况试验。 由相对偏心率e 的计算公式可知，影响e 因素有压力、转速、浮环密封面尺寸以及 密封油粘度等。实际工况中密封油粘度变化不大，对的影响不大可以忽略，浮环密封 面尺寸决定浮环受力情况，是一个相对独立的影响因素( 对e 的影响比较明显，而且容 易着手改造) 。压力和转速在分析时单独考虑，改造中综合考虑。 1 转速与相对偏心牢的关系 人选珲1 人学专业。学位硕十学位论文 0 。8 5 o 8 0 o 7 5 0 。7 0 蠢o 6 s 00 6 0 堡0 3 5 毹 霹0 。5 0 o 4 5 o i o o 3 3 o 3 0 o 。2 5 o 2 0 1 8 黼p a 1 6 鞠p a 1 2 m p a 1 0 m p a 8 m p a 6 1 d p a 4 0 0 06 0 0 07 6 1 38 0 0 09 0 0 01 0 0 0 01 0 3 0 01 2 0 0 01 3 9 5 8 蚓2 1 3 转速与相对偏心率的关系图 f i g2 13 t h er e l a t i o nc u r v eo ft h er o t a t i o nr a t ea n dr e l a t i v er a t eo f p a r t i a lc o r e 由图2 1 3 得出一定爪力条件下满足相对偏心率小于o 5 的最低转速，从而在实际操 作中保证对应压力下最小操作转速，确保机组在启动状念下浮环的相对偏心率小于0 5 使得机组在开车最初浮厨：就能浮动( 这对紧急停车后的再次开车尤为重要，而这台压缩机 紧急停车十分频繁) 。 2 压力与相对偏心牢的关系 由图2 1 4 得出一定转速条件卜满足相对偏心率小于0 5 的最小压力压力与相对偏 心率的关系曲线主要为我们提供在实际操作工况( 压力) 给定条件下的转速选择，k 2 0 1 机 组为循环压缩机它的入口压力随工艺情况波动变化，单独对其进行分析，为实际操作提供 离心压缩机汀环密封改造j 0 研究 借鉴转速，以便实际工况f 进行凋速操作，以满足机组正常运转。 o 8 0 o 7 5 o 。? o u 0 6 5 锵0 6 0 翼o 。5 5 麓0 5 0 霹0 。，l 0 哇o o 3 5 o 3 0 o 。2 5 o 。2 0 哇68 l o1 21 4 霖j j p m p a 4 0 0 0 r r a i n 7 61 3 r m i n 1 0 3 0 0 r m n 1 3 9 5 8 1 h i n 幽扩1 4乐力与相对偏心率的笑系幽 f i g2 14 t h er e l a t i o nc h a r to ft h ep r e s s u r ea n dr e l a t i v er a t eo fp a r t i a lc o r e 3 综合影响关系 表3 一l 转速、爪力与相剥。偏心率的关系表 t a b3 1t h er e l a t i o n7 f a bo t t h ep r e s s u r ea n dr e l a t i v er a t eo fp a r t i a lc o r e 压力p 1 ( m p a ) 第一缴承担负荷轴转述相对偏心e - 3 8 4 0 5 0 4 6 0 0 5 2 0 0 5 7 5 0 6 3 0 0 6 8 7 0 7 4 5 0 8 0 5 0 8 6 0 0 9 2 0 0 9 7 8 0 1 0 3 0 0 0 4 9 9 0 5 0 0 0 4 9 9 0 5 0 0 0 5 0 0 0 5 0 0 0 5 0 0 0 4 9 0 5 0 0 0 4 9 9 0 4 9 9 0 4 9 9 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 一班n眈眦m限限限限限叭一 一 一 7 8 9 m n坦培m巧m培 大连理1 二人学专业学位硕士学位论文 第一级承担负荷为鼎名公司提供的经验值。 4 浮环密封面尺寸与结构优化 对浮环密封的结构要求有以下几方面： 1 ) 尽可能减少封液通过高压侧浮环的内泄漏量( 减少漏向机内封液的泄漏量) 。 为此，在允许的条件下，高压侧浮环的密封间隙及液气压差应尽量小些。高压浮环可采 用螺旋面槽浮环或锥形轴套等措施来减小泄漏量。 2 ) 有效地排除封液在高压、高速下产生的摩擦热及节流热，主要是散除高压侧浮 环的热量。为改善高压侧浮环的工作条件，可以采取浮环开孔、冷却液先通过高压侧浮 环等措施。 3 ) 在刚度、强度允许的条件下，尽量取较薄的环载面，即环的内、外径之比不宜 太小。 4 ) 提高浮环寿命，延长使用期。浮环材料的膨胀系数要比轴大，以免高温下产生 抱轴的危险性。 5 ) 液气混合腔要有一定容积；机内平衡室要合理连通，为防止封液窜入气缸内， 要控制通过迷宫密封封液的流速【l 引。 由核算结果对外浮环尺寸进行修改，将外浮环内径由巾9 8 m m 改为由9 8 2 m m ，这样 相当于增大了轴套与浮环内径的间隙，虽然从降低封油漏损、提高密封效果看，浮环间隙 应尽量减小但间隙太小会导致浮环工作条件的恶化，在机组低速启动浮升力没有达到平 衡时容易与轴套磨损，甚至浮环抱轴故障的发生；而浮环间隙过大，又会导致卸油量增加 改造前，外浮环直径间隙为o 16 m m ；改造后，外浮环直径间隙为0 3 6 r a m 。在规定的取值范 围内。 外浮坏改造前后结构见图2 1 5 图2 1 6 。 离心压缩机浮环密封改造与研究 图2 1 5 外浮环原结构图 f i g2 - 15 t h eo r i g i n a lc o n s t r u c t i o nd i a g r a mo fo u t e rf l o a t i n g - r i n g 而浮环密封自定中心不足、摩擦增大或端面接头打开、产生自激或强制振动均会导 致浮环密封发生故障失效。所以为了提高浮环密封的工作能力，应进行一系列的结构改 进措施，主要是为了提高浮环对中力、减少端面接头摩擦力。 由于轴与浮环之间缝隙入口有局部阻力产生流体力学作用力，在某些场合不足以使 浮坏自定中心。改善对中性可以采取提高流体静压作用力和流体动压作用力的方法。最 简单的减小摩擦力的方法是端面接头的液压静力卸荷。 人连理：j ：大学专业学位硕十学位论文 图2 1 6 外浮环改造后结构图 f i g2 - 15 t h el a t e rs t r u c t u r a ld i a g r a mo fo u t e r f l o a t i n g r i n g “液压静力卸荷”结构的原理是为保证浮环克服摩擦力而具有良好的浮动性，在对 该密封进行结构优化时采用了一种特殊的结构设计，即“液压静力卸荷”方式。“液压 静力卸荷”是解决流体动力不够的一种有效方法。这种方法是利用具有一定厚度和“刚 度”的液膜将大气侧浮环与浮环座分开，使其产生摩擦力大幅减d x 1 5 】。其作法是： a 利用外部的有压液体从大气侧浮环端面间流过； b 适当选择浮环端面的接触宽度和大气侧浮环作用在浮环座上轴向压力，使被密封 液从其间流过( 这种方法只适用液体密封) 。 在很理想的卸荷状态下，浮环端面上出现液膜，摩擦系数变得很小( 只有0 0 0 5 - - 4 ) 0 3 ) 端面磨擦力也就变得很小，不大的径向力( 密封间隙中的流体动力) 也足以使环自由浮动， 该结构在实际运转过程中达到了良好的使用效果。 但是应当注意温度引起的变形，同时应保持密封油的洁净。温度过高要考虑冷却， 油不洁净进行过滤或更换新油。 由于封油的泄漏量与浮环间隙的三次方成正比，而该密封的封油压力极高，所以控 制浮环的轴向及径向间隙非常重要。介质侧浮环间隙过大，会引起封油内漏量增加，增 加油气分离器负荷的同时还可能对工艺气造成污染。大气侧浮环间隙过大，会引起外泄 漏量的大幅增加，如超过循环油量，可能会造成所需油气压差的无法建立，但过小的浮 环间隙则容易造成的浮坏的抱轴现象，引起浮坏及轴套的严重拉伤。通常，密封经过一 至两年的使用后，浮环与轴套之间的间隙可能因为磨损而增加，此时检修使换下的密封 应准确检查间隙的变化，如超过设计允许值必须经过修复才可再次使用。 iil|fl；割1|； 。翟 离心乐缩机浮环密封改造与研究 一般为了在结构上液力卸荷，可以在轴上设置一台肩或将它装在轴套上，这种方 法可以完全消除端面接触并保证接头有液体膜层。 考虑到应在尽可能少的改造项目基础上保证使用性能，故未采用轴上台肩的端面接 头，而采用减小浮环密封端面的接触面积，这样可以做到部分卸荷，可以保证端面缝 隙内压力提高。而且从浮环浮力计算公式也同样得出，减小浮环密封面宽度有利于浮环 的浮升。 因为外浮环内径为中9 8 5 m m ，浮环密封面内径不能小于此值，故浮环密封面内径d 1 由巾9 9 7 m m 改为巾9 9 0 m m ；另外，考虑到加工难易程度和端面j 下压力，通过代入不同端面 外径值进行优化计算，最终选定外径d o 由巾1 0 6 m m 改为巾1 0 3 5 m m 。 其余尺寸不变，对浮环的长度基本不做改动，因为长度过长可能会导致间隙内的封 液温升剧烈，使工作条件变得恶劣。而且也可以对密封腔不做任何改动，不必更换浮环 盒，只需重新加工浮环，可以保证工期，降低难度，又可保证机器的原有结构尺寸不变。 按新尺寸重新加工改造，浮环结构如图3 1 7 所示。修改后按上述步骤重新计算相 对偏心率，得6 0 = o 4 9 9 7 0 x1 0 5 p a 时可作合金结构钢如4 0 n i c r m o 作轴套，其配合过盈量也取大些( 1 5 2 ) o d 轴套材料也可用3 8 c r m o a l 作表面氮化处理等【1 7 j 。 对于浮环，还可以采用锡青铜、青铜或铸铁。 为了提高密封的耐磨件和抗摩性，应进行氮化、渗碳、渗磷或摩擦表面液火到 h r c 5 4 6 4 硬度。在摩擦表面上敷铬、钨、钼或氧化铝耐磨层。 封液为水时，为防止水对密封元件的应力腐蚀而破坏，浮环可用青铜s n p b 2 5 ，沉 淀硬化不锈钢1 7 4 p h ，合金结构钢3 8 c r m o a l 表面氮化，不锈钢堆焊钴铬钨等。轴套用 镀铬碳钢或不锈钢等。从提高浮环疲劳寿命来看，由于青铜、不锈钢材料的屈服强度偏 低，对延长浮环的疲劳寿命是不利的。 对于在腐蚀性介质中工作的摩擦剂，推荐使用抗腐蚀铬钢并作表面增强处理【1 8 】。 大连理_ 下大学专业学位硕士学位论文 综合以上分析，考虑到浮环重量尽可能轻，且必须耐高温、高压、耐磨、耐腐蚀。 故在本次内、外浮环加工选材时，提出径向浮环采用复合镶嵌结构，采用复合材质浮环 乃是考试到开停车时期，浮环浮升力图小，与对偶零件有瞬间固相磨擦。在内外层具体 材质的选择上有两种方案。一种是外层为3 1 6 不锈钢，内层为浸树脂石墨，采用过盈加 胶镶接；另一种则采用外层4 5 号钢，内层浇注巴氏合金c h s n s b l l - 6 ( 图2 1 7 ) 。浮环 内孔精磨，端精研，并需进行表面氮化处理，硬度达到h r c 6 2 以上。 根据实际使用条件和必须达到的要求，采用两种材质各做了一套，希望在实践中进 一步得到检验，也为我们提供第一手的资料，为将来进行同类改造工作提供借鉴。 离心压缩机浮环密封改造与研究 实际安装及使用效果 3 1效果 本次检修换上改造后的浮环，组装后的最终间隙为：外浮环与轴套间隙为0 1 8 m m 、 内浮环与轴套间隙为o 0 7 m m 。自2 0 0 2 年7 月开工至今，经过十余次的联锁停车和重启 动，运转平稳，未发生泄漏现象。改造后的浮环径向完全浮动，浮环的同轴度不敏感， 未引起轴的附加振动，使机组保持良好的工作状态。 因此可断定我们的改造是可行的、有效的、可靠的。 3 2 操作中的注意事项 由于转速对浮环浮力至关重要，故组装后向装置提供了转速、封油压力和相对偏心 率之间的关系见表1 ，按此表参数运行，才能保证浮环有足够的浮力。同时考虑升速时 最初压力的影响，提出改进的升速曲线( 如图4 1 ) 。这条升速曲线的最初值有严格要 求，即：4 0 0 0 r p m 时要保证压力不大于4 m p a 。这样才能确保设备运转初期相对偏心率 小于0 5 则浮升效果好，因而使得外浮环浮起，浮环不发生磨损，同样，紧停车后启动压缩机， 与正常启动一样保证在4 0 0 0 r p m 下压力不大于4 m p a 。这一步很关键，原来紧急停车后 的操作为：尽量将系统压力保在较高点，不降压，按升速曲线调速 1 9 】。从图3 1 3 可看 出，在4 0 0 0 r p m 条件下，压力越高相对偏心率越大，浮环的浮动能力越差，使得浮环在 启动状态下就发生浮力不足而磨损汇漏。 控制密封油高位槽的液位，保证密封环两侧的正常压差。 控制密封油的工作温度。上油温度不超过4 0 ，密封油应干净无水分及其它杂质。 保证密封油正常供应，不会因密封油中断而造成浮环磨损。 在压缩机冲转前，要检查污油收集器液位，如液位上涨太快，应及时关闭低压缸收 集器排气阀。 在密封油高位油槽建立液位时，要检查液位连通阀是否堵塞，并结合仪表液位压信 号来判断液位，防止液位指示失真造成满液，油溢入压缩机中。 每次大修时，除对密封组件进行仔细检查外，还要对密封油、气系统管线和部件进 行清洗、检查和疏通。 大连理工大学专业学位硕十学位论文 1 4 0 60 12 0 0 0 名1 0 0 0 0 一 之s0 00 ，槲 端6 0o0 4 0 0 0 2 0 0 0 o 对闻l t i n 图4 1 压缩机升速曲线 f i g4 1 t h ec u r v eo fr a i s i n gs p e e d 3 3 经济效益分析 本次改造不但为消化吸收引进进口技术做出了贡献，而且有着显著的经济效益。 在费用上，花费配件费用3 万元和少量人工费；而请专业单位分析出方案，约需1 5 万元，改造费用( 包括油站，转子，密封腔，浮环部分等) 约需1 0 0 万元人民币。 由于浮环盒密封端面粗糙度增大，造成浮动阻力增大，需更换浮环盒，由于其表面 为精密球面，无法自行加工，需从国外厂家订购( 整套定购) ，预计需8 3 力元人民币。 因此，此次浮环密封改造共节约费用1 1 2 万元。 本次改造后，浮环密封的使用寿命延长，保证了装置的平稳运行以及备件的国产化 后所产生的经济效益则是不能用会钱来衡量的。 离心压缩机浮环密封改造与研究 4 结论 本次浮环结构改造在理论上是合理的，并且在实际使用上是可行的。改造后的浮环 使机组保持较平稳的运行，达到了预期的工业应用效果，总结起来有以下几个方面的结 论： 1 通过对压缩机浮环密封结构的分析，找出了影响密封可靠性的几个关键因素。 2 在对压缩机浮环密封零部件国产化研究的过程中，对原有不合理的地方进行了 改进设计，使其更加完善。 3 完善了该压缩机密封各个部件的图纸。 4 改造后使压缩机密封的浮环国产化，可以节省备件的费用； 5 通过改造积累了浮环密封技术在高压离心压缩机上的工业应用经验，创造了良 好的生产经济效益，改造取了初步的成功。 6 延长了压缩机密封运转周期，能够满足石化企业大修周期需要。 通过文中的分析及计算，笔者认为，在浮环密封技术方面有许多值得我们学习借鉴 的地方。在设计、选型、购置、改造过程中，能够多借鉴一下别人的确切经验，并结合 现场的实际情况，取长补短、为我所用，摸索出压缩机浮环密封国产化改造的成功经验， 以保证设备能够更好地为石化企业服务，创造更大的经济效益和社会效益。 大连理t 大学专业学位硕十学位论文 参考文献 1 顾永泉著，流体动密封。北京。高等教育出版社，1 9 9 1 。 2 顾永泉著，机械密封实用技术。北京。机械。t ：业出版社，2 0 0 2 。 3 ( 德) 海因茨k 。米勒等著，流体密封技术一原理与应用。北京。机械工业出版社，2 0 0 2 。 4 何丽娟。浮环密封火效原冈分析及处理措施。应用科技，2 0 0 3 ，3 0 ( 3 ) ：9 1 1 。 5 高慎琴著。化t 机器。北京。化学t 业出版社，1 9 9 2 。 6 西安交通大学编。离心压缩机原理，北京。机械t 业出版社，1 9 9 4 。 7 五海庆。浮环密封失效原冈及预防措施。风机技术，2 0 0 0 ，2 ：5 0 - 5 1 。 8 i 天鹏。合成气压缩机浮环密封漏油分析。大氮肥，2 0 0 3 ，2 6 ( 6 ) ：3 8 8 - 3 9 1 。 9 谢贞文。2 m c l 5 2 7 气压机组轴封系统技术改造。万方数据学位论文，2 0 0 1 ，5 。 1 0 徐灏编著。密封。北京。冶金= 业出版社，2 0 0 2 。 1 1 机械设计手册。化学工业出版社，1 9 8 73 3 7 4 4 2 6 1 7 6 3 2 。 1 2 麻启承。金属材料