（化学工程专业论文）火炬气螺杆压缩机干气密封应用研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 处理危险性工艺气体的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。从密封的发展和技术水平来看， 石油、化工和气体工业用压缩机的轴端密封先后经历了以下几个阶段：迷宫密封、浮环 密封、碳环密封、机械( 接触型) 密封、干气密封。干气密封中密封副的密封面互相不接 触，属非接触式机械密封，密封性和稳定性好，磨损小、寿命长、节能，摆脱了对密封 油的依赖，对工艺影响小，是最先进的一代工艺气压缩机轴端密封形式，目前已发展成 为压缩机新机项目与改造项目的首选轴端密封形式。 围绕l g 3 4 4 5 火炬气螺杆压缩机的干气密封改造，开展相关工作。在综合讨论了 回转式压缩机常用轴封方法的基础上，通过分析原有密封金属波纹管组合密封存在的问 题，找出原有密封存在的缺陷，提出针对火炬气螺杆压缩机，将组合式机械密封改成干 气密封的解决方案。 对干气密封的端面基本结构、工作原理及常用的结构型式等进行分析，确定火炬气 压缩机干气密封的型式，选用了单端面干气密封与碳环密封的组合密封型式。综合 l g 3 4 4 5 火炬气螺杆压缩机组合密封的基本结构、材料选择等因素，对影响密封性能 的结构参数进行设计，绘制了影响干气密封性能的曲线，得出压力、膜厚等因素对干气 密封性能的影响规律。 在对l g 3 4 4 5 火炬气螺杆压缩机干气密封控制系统设计的基础上，结合系统的流 程及系统的操作规程，对设计的干气密封进行试验。在试验台上进行试验，干气密封和 碳环密封分别进行静态和动态试验，验证了密封设计的准确性。2 0 0 6 年7 月将干气密封 安装在火炬气压缩机进行应用考核，干气密封一直稳定运转，干气密封系统完全可靠， 运行参数达到设计要求。l g 3 4 4 5 火炬气螺杆压缩机干气密封改造成功，国内第一次 在螺杆压缩机上采用干气密封技术并且获得成功，该项目取得了良好的经济效益和社会 效益，为螺杆压缩机的稳定运行消除了隐患。改造后干气密封的平稳运行，证明了干气 密封可以应用在火炬气压缩机上，也为干气密封技术的应用开辟了新的空间。 关键词：单端面干气密封；组合式干气密封；螺杆压缩机；螺旋槽 火炬气螺杆压缩机干气密封应用研究 r e s e a r c ha n da p p1i c a t i o no ft h ed r yg a ss e a li nt h ef l a r eg a ss c r e w c o m p r e s s o r a b s t r a c t p r o p e rs e a l i n ga ts h a f te n di sn e e d e df o rh a n d l i n gd a n g e r o u sp r o c e s sg a sc o m p r e s s o r , w h i c hm a yp r e v e n tp r o c e s sg a sf r o ml e a k i n go u ta n ds t o p st h es e a l i n gl i q u i df r o mg o i n gi n t o t h ep r o c e s sg a s ，s e c u r i n gh e n c eaz e r oo rat r a c eo fl e a k a g e f r o mt h ep e r s p e c t i v eo f d e v e l o p m e n to fs e a la n di t st e c h n o l o g i c a ls t a n d a r d ，s e a l sa tc o m p r e s s o rs h a f te n du s e di n p e t r o lc h e m i c a la n dg a si n d u s t r i e sh a v em a n yk i n d ss u c ha sl a b y r i n t hs e a l ，f l o a tr i n gs e a l ， c a r b o nr i n gs e a l ，m e c h a n i c a l ( c o n t a c tt y p e ) s e a la n dd r yg a ss e a l t h ed r yg a ss e a li nw h i c h s e a l i n gf a c e s d o n tt o u c he a c ho t h e ri san o n e - c o n t a c tm e c h a n i c a ls e a lw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fl e s sw e a r - a n dt e a r ，g o o da n ds t a b l es e a l ，l o n gs e r v i c el i f e ，e n e r g ys a v i n g ， n o n er e l i a n c eo ns e a l i n go i la n dn e g l i g i b l ee f f e c to np r o c e s s t h ed r yg a ss e a li sv i e w e da st h e s t a t e - o f - a r ts h a f te n ds e a lf o rp r o c e s sg a sc o m p r e s s o ra n dh a sc u r r e n t l yb e c o m et h em o s t p r e f e r a b l es e a lu s e df o rn e wp r o j e c ta n di nu p g r a d i n gt h ef a c i l i t i e s w o r kh a sc o m m e n c e dw i t haf o c u so nu p g r a d i n gt h ed r yg a ss e a lf o rs c r e wc o m p r e s s o r c o n n e c t e dw i t hl g 3 4 4 5 b a s e do nt h ed i s c u s s i o no nh o wt os e a lt h es h a f ts e a lf o r r e c i p r o c a lc o m p r e s s o ra n dv i at h ea n a l y s i so ft h ep r o b l e m sf o u n d 谢t ht h ee x i s t i n gs e a l i n g m e t a lb e l l o w s ，d e f e c t so ns e a lw a sd e t e c t e da n dad r yg a ss e a li st h e r e f o r es u g g e s t e dt o r e p l a c et h ec o m b i n e dm e c h a n i c a ls e a l t h ep a p e rd e s c r i b e sb a s i c a l l yt h es e c t i o n a ls t r u c t u r eo fd r yg a ss e a lt o g e t h e r 、析mi t s p h i l o s o p h ya n dt y p eo fs t r u c t u r e st h a ta r en o r m a l l yu s e da n dd e t e r m i n e st h a tas e a ls y s t e mt o c o m b i n es i n g l ef a c ed r yg a ss e a l 、杭t hc a r b o nr i n gs e a li sr e c o m m e n d e df o rl g 一3 4 4 5 c o m p r e s s o r h a v i n ga n a l y z e dt h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h ec o m b i n e ds e a lu s e df o rl g - 3 4 4 5 s c r e wc o m p r e s s o r ，u s eo fm a t e r i a l sa n dc a l c u l a t i o no fs e a l i n gp e r f o r m a n c e s ，ac u r v ea f f e c t i n g d r y g a sp e r f o r m a n c e si st h u sp r o d u c e da n ds u c hf a c t o r sa sp r e s s u r e ，d i a p h r a g mt h i c k n e s s w h i c hm a yi n f l u e n c ed r yg a ss e a lp e r f o r m a n c e sa r ea l s od e t a i l e d t h ep a p e rd e a l sw i t ht h ep r o c e s sa n do p e r a t i o no ft h es y s t e mt h r o u g ht h ed r yg a ss e a l c o n t r o ls y s t e md e s i g n e df o rl g 一3 4 4 5 s c r e wc o m p r e s s o r w h e nt h ec o m b i n e dd r yg a si s f a b r i c a t e da n dt e s t e d ，a c c u r a c yo ft h ed e s i g n e ds e a lc a r lb es e c u r e db yar e s p e c t i v es t a t i ca n d d y n a m i ct e s to nd r yg a ss e a la n d c a r b o nr i n gs e a l t h i sd r yg a ss e a ls y s t e mw a sf i x e do nt ot h e s c r e wc o m p r e s s o ra n dt e s t e ds u b s e q u e n t l yi nj u l y 2 0 0 6a n dh a sb e e ni ng o o do p e r a t i o nw i t h d r yg a ss e a lb e i n gr e l i a b l ea n dp a r a m e t e r sf u l f i l l i n gt h ed e s i g n t h er e v a m po fd r yg a ss e a l i i 大连理工大学专业学位硕十学位论文 s y s t e mf o rl g - 3 4 4 5s c r e wc o m p r e s s o ri ss u c c e s s f u l ，t h ev e r yf i r s tt i m ei nu s i n gd r yg a ss e a l t e c h n o l o g yf o rs c r e wc o m p r e s s o ri n c h i n a t h i sp r o j e c th a sp r o d u c e d s i g n i f i c a n t l y e c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i t sa n de l i m i n a t e st h ep o t e n t i a ld a n g e ri nas t a b l eo p e r a t i o no ft h e c o m p r e s s o r as m o o t ho p e r a t i o no ft h ed r yg a ss e a la f t e rr e n o v a t i o ns h o w s t h a tt h ed r yg a s s e a lc a nb eu s e df o rl g 3 4 4 5c o m p r e s s o ra n dm a yc r e a t ean e wo p e ns p a c ef o rt h e u t i l i z a t i o no fa r yg a ss e a lt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：d r yg a ss e a la ts i n g l es e c t i o n a le n d ；c o m b i n e dd r y g a ss e a l ；s c r e wc o m p r e s s o r ； s c r e ws l o t i 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。 学位论文题目：丛炬氢蠼盘压缱扭王氢窒塾座用珏究 作者签名： 占查) 蚕 日期：兰! 12 年月- 三乏日 大连理工大学硕士研究生学位论文 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。 作者签名： 导师签名： 日期：塑仁年互月毕日 日期：年月日 大连理工人学专业学位硕十学位论文 1绪论 螺杆式压缩机属容积式压缩机，是压缩和输送气体的一种回转式压缩机。随着石油、 化工行业的迅猛发展，螺杆式压缩机的用量大大增加。螺杆压缩机作为火炬气回收装置 的主要机组，在全国火炬回收装置中得到了广泛应用。其作用原理是通过一对阳转子( 有 螺旋型齿) 、阴转子的相互啮合( 有螺旋型槽) 、在密闭机壳内作相反方向的旋转，达 到对火炬气提高压力的目的。由于火炬气主要化学成分有多种，多数成分属于易燃、易 爆、有毒气体，化学活性较高。如果泄漏到大气中，既污染环境，又会造成安全隐患， 严重时会发生着火爆炸，所以火炬气螺杆压缩机的轴封必须保证安全可靠。 1 1回转式压缩机常用轴封型式简介 回转式压缩机常采用的旋转轴密封主要有：迷宫密封、碳环密封、浮环密封、机械 密封、以及干气密封( 非接触式机械密封) ，或者是这些类型的组合【l 。8 j 。如迷宫密封、 碳环密封通常是与机械密封、或与干气密封组合使用。干气密封是在针对机械密封、浮 环密封存在的问题基础上发展起来的。 1 1 1迷宫密封 迷宫密封是回转轴密封中最简单的密封形式。密封段的梳齿组可以设计在轴上，也 可以设计在壳体上。其结构见图1 1 。在密封腔体上加工依次排列的环形密封齿，齿与 轴之间形成一系列节流间隙与膨胀空间，被密封介质通过曲折迷宫的间隙时产生节流效 应而达到阻封目的。齿距一定时，齿数越多、泄漏量越少。 图1 1 迷宫密封结构简图 f i g 1 1l a b y r i n t hs t r u c t u r es k e t c hd r a w i n g 火炬气螺杆压缩机干气密封应用研究 1 1 2 碳环密封 碳环密封是一种改进型的迷宫密封，用于密封气体、灰尘和蒸汽。密封环安装在密 封腔体上，实现与轴的径向密封。密封工作时，受防转销的限制，碳环只能径向移动、 不能转动，其内表面与旋转轴间保持一个非常小的工作间隙。碳环从结构上分为分瓣式 和整体式两种结构。分瓣式碳环，沿周向分成多瓣( 一般为3 瓣) ，由一镯形弹簧箍紧； 整体式碳环，碳环不分瓣，碳环外衬一个金属箍以提高其强度。结构见图1 2 。 图1 2 碳环密封结构简图 f i g i 2t h es k e t c hd r a w i n go f t h ec a r b o nr i n gs e a l 1 1 3 浮环密封 图1 3 为浮环密封结构简图。浮环密封属于流阻型的非接触式动密封，浮环密封一 般由内浮环和外浮环组成。在内、外浮环之间引入其压力稍高于被密封气体压力( 一般 为0 0 5 m p a ) 的密封油。所以浮环密封是采用“以油封气”的原理来实现被密封气体的 零泄漏。从原理上来说，浮环密封是一种液体( 油) 节流式非接触密封，通过油楔作用 使浮环克服自重而与轴或轴套保持一定的间隙，避免固体间的直接接触。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 浮环：2 固定环；3 注油孔；4 大气侧；5 密封腔；6 销钉； 7 ，8 浮环；9 - 轴套；l o 挡油板；1 1 甩油环；1 2 回油孔 图1 3 浮环密封结构简图 f i g 1 3t h ed r a w i n go ft h ef l o a tr i n gs e a l 1 1 4 机械密封 压缩机用机械密封( 图1 4 ) 属于接触式机械密封。接触式机械密封指的是旋转密 封面和静止密封面任何情况保持紧密贴合的密封。这种密封的泄漏量较低，比以上动密 封的泄漏小，但由于密封端面的接触、并有相对旋转滑动，会产生摩擦、发热，必然引 起密封端面磨损。密封介质压力越高、轴径越大、转速越高，密封端面的摩擦、发热与 磨损越严重，使密封的使用压力、转速受到限制。对于被密封介质为易燃、易爆、有毒 等气体场合，为了改善密封端面的润滑条件，及时移走端面摩擦热，同时阻止密封介质 的泄漏到大气，通常采用双端面等密封结构加密封油( 阻封油) 系统，同时必须保持密 封油压力始终比被密封介质压力高。对于压缩机用机械密封，密封油压力必须比被密封 气压力高，以保证压缩机内气体不外漏，这个压差可以通过高位油槽或差压调节阀来实 施。 火炬气螺杆压缩机干气密封应用研究 目14 压缩机取端面机械密封 f 1 8 】4 c o m p r c s s o r d o u b l e - w a ye n d f a c e m e c h a n i cs e a l 11 5 干气密封 干气密封依靠介质静压、弹簧力和流体动力在动、静密封面之间产生并维持一定厚 度的气膜。生成的这层膜的厚度小于迷宫密封间隙和浮环密封的油膜厚度，但大于接触 密封的液膜厚度。它最显著的特点就是运转时摩擦副不直接接触，发热量小，没有固体 直接摩擦与磨损，使用寿命长。特别适用于高速、高压和高温环境下的气体密封。干气 密封以端面密封为主。螺旋槽干气密封是千气密封中的一种典型结构型式。典型结构如 图i5 。 圈i5 干气密封示意图 f i 9 15 t h es k e t c h d r a w l “8o f 恤e d g a ss e a l 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 2 回转式压缩机常用轴封型式比较 通过以上对回转式压缩机轴封型式结构及原理的介绍，对几种常用轴封型式的优缺 点列表比较如下： 表1 1 回转式压缩机轴封型式优缺点对比 t a b l e1 1c o n t r a s t so ft h ee x c e l l e n c ea n ds h o r t c o m i n go ft h er o t a r yc o m p r e s s o rs e a l s 1 3 火炬气螺杆压缩机原密封结构与存在问题 1 3 1 火炬气螺杆压缩机简介 中国石油辽阳石化烯烃厂油品车间火炬回收用压缩机采用的是l g 3 4 4 5 火炬气 螺杆压缩机组【9 j f l 0 1 。在工艺流程中该压缩机的主要作用是回收排放火炬的火炬气，将火 炬气输送到燃料气管网，节约能源，防止污染。压缩机由上海压缩机有限公司生产。结 火炬气螺杆压缩机干气密封应用研究 构为单级、卧式、喷液式双螺杆压缩机组，压缩机主机由主电机通过膜片挠性联轴器与 螵杆压缩机主机阳转子相联驱动。压缩机的阳转子转速与电机转速一致为2 9 5 0 r m i n ， 阴转子靠同步齿轮驱动，阳阴转子同步齿轮齿数比4 6 。 喷液式双螺杆压缩机组是回转式的容积压缩机，火炬气气体从压缩机进气口进入机 内，通过一对阳转子( 有螺旋型齿) 、阴转子的相互啮合( 有螺旋型槽) 、在密闭机壳 内作相反方向的旋转，达到对火炬气提高压力的目的，压缩后的火炬气经排气孔口输出， 该压缩机的进、出气口均设在压缩机机壳的上方，为上进上出结构。火炬气螺杆压缩机 外形见图16 。 螺杆压缩机的主机结构：由气缸、转子、轴承、轴封、平衡活塞、联轴器等组成。 压缩机工作原理简图见图l7 。当螺杆压缩机运行时，气体吸入两螺杆与壳体形成的空 间，然后随转子旋转形成的v 型密闭腔容积的周期性变化，气体逐渐被压缩升压，最后 从排气口排出。 圈1 6 火炬气螺杆压缩机外形图 f i 9 16 0 u t s i d ed r a w i n g o f f l a r e g a ss c g e wc o m p r e s s o r 火炬气螺杆压缩机干气密封应用研究 电机功率：2 0 0k w 轴径：密封处7 5 9 0 m m ( 与干气密封轴套配合处的轴径) l g 3 4 4 5 火炬气螺杆压缩机使用的火炬气管网压力波动较大。 为防止火炬气的泄漏，压缩机必须设计轴封。l g 3 4 4 5 火炬气螺杆压缩机的一对 阳、阴转子工作时两端都要伸出压缩机腔体，因此存在4 处泄漏点，火炬气从压缩机腔 体泄漏到轴承侧，混入润滑油中会使润滑油乳化。还可能随轴承处的润滑油通过阳转子 的驱动侧( 转子与端盖间隙处) 泄漏到大气。因此，一台压缩机组需要4 组动密封。 1 3 2 火炬气螺杆缩机原密封结构特点 l g 3 4 4 5 火炬气螺杆压缩机原轴封为组合式密封接触式金属波纹管机械密封 + 直通型迷宫密封( 迷宫槽加工在旋转件上) ，密封结构9 】【1 1 】【1 2 1 见示意图1 8 。密封安 装在压缩机平衡腔与轴承之间。驱动侧与非驱动侧的平衡腔彼此相连。 图1 8 螺杆压缩机原轴封结构示意 f i g 1 8s h a f ts e a ls t r u c t u r ec h a r to fs c r e wc o m p r e s s o r 原金属波纹管机械密封结构为单端面、平衡型、旋转式结构。机械密封靠平衡腔侧 安装。迷宫密封靠轴承侧安装，带槽的迷宫环固定在轴上，随轴旋转。 在金属波纹管机械密封与轴承所组成的密封腔内有密封油通入，要求密封油的压力 比压缩机的平衡腔的压力高约o 0 5 m p a 。密封油的通入使金属波纹管密封的工作介质由 l一 删辄糌蝴no_1 大连理工大学专业学位硕士学位论文 火炬气体转化为润滑油，即机械密封实际工作介质为密封油。机械密封不能在断油状态 下运行，一旦断油将立即损坏机械密封。l g 3 4 4 5 火炬气螺杆压缩机的密封油路系统1 9 见图1 9 。 机械密封油进 -。平衡腔平衡腔 i二k i 阅k 转子 f h 一h 月 刈 茂iv 蝴 l l 图1 9 火炬气螺杆压缩机的密封油系统 f i g 1 9s e a lo i ls y s t e mo ff l a r eg a ss c r e wc o m p r e s s o r 金属波纹管机械密封，补偿结构随轴旋转。波纹管结构密封的补偿环处减少了一个 泄漏点、同时减少了补偿机构的摩擦阻力，改善了追随性，同时焊接金属波纹管密封使 用温度不受辅助密封圈的限制1 2 j 【3 j 【1 1 j 。 有密封油向轴承侧流动。由于l g 3 4 4 5 螺杆压缩机密封的介质为火炬气，采用接 触式机械密封时，密封端面处于干摩擦工况条件。密封腔内通入密封油，正常工作时密 封油的压力高于压缩机内火炬气压力，密封油可以改善了密封端面的干摩擦工况，同时 也起到阻止火炬气直接泄漏到大气的目的，减少火炬气泄漏对环境的污染。但密封油会 向轴承侧流动。 迷宫密封无固体磨损。机械密封腔与轴承腔之间采用迷宫密封，其作用是节流减压 作用、主要作用是建立密封腔油压。由于迷宫密封的转子和机壳之间形成一系列节流间 隙与膨胀空腔，密封油通过曲折的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的。由于迷宫密 火炬气螺杆压缩机干气密封应用研究 封的转子和机壳之间存在间隙，属于非接触式密封，无固体摩擦。但由于迷宫密封为直 通型节流减压效果不是太理想【2 】 1 2 】【1 3 】。 泄漏到轴承侧的密封油与轴承的润滑油汇合，在阳转子驱动侧润滑油有可能通过阳 转子与端盖间隙处向大气侧泄漏，在阳转子伸出机壳处设置的油封可以防止其泄漏。 机械密封的润滑油只是l g 3 4 4 5 火炬气螺杆压缩机油路系统中的一部分。 l g 3 4 4 5 火炬气螺杆压缩机的油路系统见图1 1 0 。油路系统主要用于轴承、机械密封、 同步齿轮润滑，以及平衡活塞平衡轴向力【lj 。 图l - 1 0 火炬气螺杆压缩机的油路系统 f i g 1 10o i ls y s t e mo ft h ef l a r eg a ss c r e wc o m p r e s s o r 1 3 3 火炬气螺杆压缩机原密封存在的问题 金属波纹管机械密封与迷宫密封的组合密封在实际使用中存在以下主要问题。 ( 1 ) 密封油压力大于火炬气压力时密封端面可能被打开。金属波纹管机械密封结 构是单端面单平衡结构，适用于密封油压力大于被密封火炬气场合。但是，当火炬气管 网压力波动，火炬气压力大于密封油压力时，存在火炬气向密封油侧泄漏的可能。当作 用于密封面上的压紧比压为负值，即作用于密封面上的推开力大于金属波纹管作用于密 封面的压紧力时，密封端面会打开【2 】【3 】【12 1 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 2 ) 火炬气泄漏到密封油中会造成润滑油乳化。机械密封端面一旦被火炬气打开， 带催化剂等杂质的火炬气会大量进入密封油，并随密封油循环系统进入油路循环系统、 进入润滑油箱，造成润滑油乳化、杂质污染、降低润滑油对轴承的润滑性能。 ( 3 ) 催化剂等杂质进入端面会加剧密封端面磨损。由于密封端面的组对是碳化钨 浸渍石墨，催化剂等杂质进入密封端面会造成磨粒磨损，从而加速密封端面，特别是石 墨环的破坏，大大降低密封使用寿命。 ( 4 ) 密封油中断，会导致机械密封迅速失效。机械密封运行时，密封油系统如果 不能j 下常供密封油会导致端面干摩擦，引起密封面严重磨损，机械密封会立即损坏、失 效。 ( 5 ) 机械密封失效会导致大量密封油进入压缩机内、影响压缩机运转性能。在正 常情况下，因为密封油压力高于火炬气压力，密封油泄漏趋势是从密封腔往压缩机缸内 泄漏，按j b 厂r5 8 5 5 1 - 9 9 焊接金属波纹管机械密封产品质量分等【5 】，转速3 0 0 0 转分， 压力0 2 m p a 时，密封的允许平均泄漏量3 m l h ，平均泄漏量2 6 2 8 0 m l 年。如果密封 端面失效会有大量密封油往压缩机内泄漏，极大地影响压缩机运转性能、造成对工艺的 破坏、甚至导致螺杆压缩机停机，给机组的正常工作带来一定影响。 ( 6 ) 接触式机械密封使用寿命不太长。金属波纹管机械密封为接触式密封，现有 火炬气螺杆压缩机的使用寿命一般三个月到半年，使用寿命不太理想。 ( 7 ) 必须配备密封油系统。由于要向密封腔内通入带压、清洁的密封油，因此需 要一套密封油供给系统，并要求供油系统最好有能随工艺变化的压差控制系统。 ( 8 ) 密封油系统对压缩机的可靠、安全运行影响很大。由于密封油站设备多、仪 表多、需要的能源种类多，这将降低压缩机可靠、安全运行。 ( 9 ) 密封油系统费用高，操作麻烦，运行费用高。 另外，如果因机械密封与密封系统使用故障造成压缩机组停车、系统停产等连带影 响，所产生的经济损失更是无法估计的。 1 4 研究课题的提出 针对l g 3 4 4 5 火炬气螺杆压缩机装置原机械密封存在的上述问题，为了提高螺杆 压缩机运行的可靠性和稳定性，保证机组和装置的长周期安全运行，提高装置的运行水 平和经济效益，对原密封型式进行改造已势在必行，通过前面对回转式压缩机轴封型式 的介绍及优缺点比较，决定采用干气密封对原轴封进行改造，但干气密封结构复杂，影 响因素较多，需在充分设计的基础上，通过有关试验，以验证选用及设计的于气密封的 可靠性。 火炬气螺杆压缩机干气密封j 电用研究 2 干气密封的工作原理 为了进行火炬气螺杆压缩机干气密封改造，确定合适的改造方案，首先要了解干气 密封的端面结构、工作原理、常用结构型式等。 2 1干气密封的端面结构 干气密封，其结构与普通机械密封基本相同，主要由动环与静环组成的密封副、弹 簧和辅助密封圈等元件组成。它的最大特点是，在静环密封面上部分地区加工出均匀分 布的浅槽，其槽深只有几l - tm 量级。干气密封运转时，借助流体动压效应( 由于动环旋 转产生的粘性剪切力带动流体从槽内向较窄的间隙运动，从而形成了流体的周向运动， 由于流体的收敛性产生的压力增加，这种机理被称为流体动压效应) 使密封端面处于非 接触状态，密封端面有约3 微米的气体薄膜【3 吲 1 2 - 1 4 】。 干气密封的流体动压效应是通过密封端面上加工流体动压槽来实现的【6 】【1 5 也6 】。流 体动压槽同时具有提供、控制气膜流体静压效应和动压效应的作用，所以干气密封被认 为是兼有静压效应与动压效应的混合型密封。为了适应不同的工艺条件，干气密封端面 槽型的开发对干气密封的应用起着重要作用。 经过多年的研制、开发应用，干气密封端面的流体动压槽有多种形式，已经应用于 不同的工业环境。 密封端面的流体动压槽大致分为两类：单旋向型与双旋向型槽。 单旋向型见图2 1 ，如：螺旋槽、v 型槽、袋式槽、人字槽等，其中螺旋槽结构最 常用。 单向动压槽密封端面，只能用于单向旋转的压缩机等旋转机械，其开槽的旋向与转 轴旋向和密封环的作用( 作动环或静环) 密切相关，在压缩机停机( 出口气体倒灌时) 和旋转轴反向旋转时，气体出现反向流动时，会导致密封端面的磨损，严重时会导致密 封端面损坏、影响密封性能。 单向槽可以采用具有较大的流体动压效应的槽型结构，且不存在双向槽中降低流体 动压效应的反作用槽，从而单向槽干气密封具有较大的流体动压效应和气膜稳定性。 人连理工大学专业学位硕士学位论文 a 删b v 孙 、 c 量黼d 事* 图21 单向槽犁密封端面 f i g2 1o n e - w a ys e a le n d f a c e 双旋向型见图2 2 ，如：t 形槽、径向槽、枞树型槽、双螺旋槽等。此外，b u r 鲫a i l 开发了u 型槽，我国成都一通公司开发研制了“士字槽”双向槽。双向槽型对轴的旋 向无限制，适用于轴双向旋转的场合，它是针对单向槽型的问题而出现的。压缩机在有 些场合( 排气阀漏气或卡住不能关；在压缩机与排气阀之间有大量气体) ，需要密封在 压缩机停机后的反转的过程中也能起作用而采用双向槽型。t 形槽、枞树形槽等取向槽 密封面在轴反转时能显示出他的优异性，但却存在降低流体动压效应的反作用， 囝缈移谬蟛 a 釉t 酣b t 晡c i 肿d 肭l 黼 图22 双向槽型 f i g22 d o u b l e - w a ys e a le n d f a c e 单向槽形最基本结构见图23 。主要由流体槽、密封堰和密封坝三部分组成，在密 封环端面外径d 2 与槽底直径d 。之间的部分地区加工出如崮所示的产生流体动压效应螺 旋槽( 流体动压槽) 。在螺旋槽之间的平台称为密封堰，它阻止气体沿圆周方向的流动， 可以加大升压作用。在槽底径d 。与环内径d i 之间称为密封坝，密封坝的作用一是保证 螺旋槽产牛足够的流体静压力，同时保证密封在静止时不发生泄漏。也就是说：流体动 火炬气螺杆压缩机干气密封应用研究 压槽起着泵送作用，形成流体动压膜，产生流体动压膜承载能力( 螺旋槽产生流体膜静、 动压承载能力) ；密封堰产生流体膜静、动压承载能力，阻止流体圆周方向的泄漏；密 封坝产生流体膜静压承载能力，阻止流体半径方向的泄漏。由此可见，这种端面密封实 质上是由轴承部分( 承载部分) 与密封部分( 阻漏部分) 组成的流体静、动压气体端面 机械密封。 密封端面加工的螺旋槽的槽型线有对数螺旋线和阿基米德螺旋线两种。火炬气螺杆 压缩机静环密封面采用的是对数螺旋线。对数螺旋线较短、压力较低，但效率较高，在 实际中应用最广泛。另外，采用对数螺旋线，螺旋角为常数，有利于求解和性能预计。 其螺旋线的矢径l 耳1 为： ，：r 。e o - 锄a( 2 1 ) 式中，r g 槽底半径，m m ；q 为槽角，即流槽切线与圆周切线的夹角；0 为转角。 压缩机耗子旋向 雇 i 螺旋 、心夕 鼢办 蹩珍 气流 向 压缩机转寻麓向 塍满 幽 图2 3 干气密封静环端面的结构 f i g 2 3d r yg a ss e a ls t a t i cr i n ge n df a c e ss t r u c t u r e 气淀 啕 2 2 干气密封工作原理 干气密封( 气膜机械密封) 和传统的液相机械密封类似，但气膜机械密封两端面被 一稳定的薄气膜分隔开，成为非接触状态。由于气体的粘度很小，需要依靠强有力的流 大连理工大学专业学位硕士学位论文 体动压效应来产生分离端面的流体压力，同时气体膜具有足够的刚度以抵抗外界载荷的 波动，保持端面的非接触。图2 4 示出了气膜机械密封的密封机理。 干气密封在运转时，气体沿流体动压槽进入密封端面，当作用于补偿环上的压紧力 与推开力达到平衡，即流体动压槽产生的气体动压力、端面气体静压力、补偿环密封圈 与旋转轴的摩擦阻力、弹簧元件压紧力几种力达到平衡时，在动、静环摩擦副之间形成 一定厚度的气膜，从而达到密封的目的。 干气密封旋转时，被密封气体由环外周进入收敛形螺旋槽内，沿槽向内径方向流动， 最终达到密封坝，密封坝限制气体流向低压侧，气体随着螺旋槽形状的变化被压缩，在 槽根部产生局部高压区，提高了气体自身的压力，此压力是动环旋转产生的流体动压力 ( 不同槽形产生的流体动压力的大小不一样) 。流体动压力作用于补偿环上，迫使动环 与静环密封端面分开，称为开启力f o 。形成开启力的气体压力实际上是进入端面间气 体的静压力和旋转形成的气体动压力之和。静压力与端面旋转速度无关，而动压力与端 面旋转速度有关。 作用于补偿环上的介质力和弹簧力是使动环与静环紧密贴合的力，称为闭合力f c 。 补偿环与补偿环密封圈的微量轴向运动所产生摩擦阻力也有一定影响( 补偿环密封 圈的变形量应当设计恰当，如果密封圈摩擦阻力太大，将影响密封端面动压膜形成) 。 其摩擦阻力的方向取决于补偿环的运动趋势。 端面旋转速度达到一定值，开启力f o 与闭合力f c 相平衡，流动的气体在动、静环 的两个密封面间形成一层很薄的气膜，端面形成非接触状态。正常情况下，端面气体膜 厚度在3 微米左右。气体动力学表明，当干气密封两端面间的间隙在2 - - - - 3 微米时，通 过间隙的气体流动层最为稳定。稳定的气膜既对工作介质起到密封作用，又起到摩擦副 的润滑作用。 干气密封在静止状态，当密封腔内存在介质压力的情况下，作用在动、静环上的闭 合力是密封气体静压力和弹簧力，保证动、静密封面紧密贴合，防止螺杆压缩机处于停 车状态时的气体泄漏。 干气密封运转时，摩擦面受力分析见图2 4 。 由图2 4 可以看出，正常工况条件下，当f c = f o 时，密封端面形成一层厚度约3 微 米的稳定气膜； 当受到外来因素干扰，如果密封间隙减小、气膜厚度减小，则气体的粘性剪力增大， 螺旋槽产生的流体动压效应增强，促使气膜压力增大，开启力随之增大，f c f o ，密封间隙缩小，直到f c = f o ，保持 力的平衡，密封恢复到原来的间隙。 只要在设计范围内，当外来干扰消除后，密封总能恢复到设计的工作间隙，使干气 密封稳定运行可靠。 气膜刚度( n m m ) 是衡量干气密封稳定性的技术指标，气膜刚度是指气膜作用力 与气膜厚度的之比，气膜刚度越大，表明密封的抗波动、抗外界干扰能力越大，密封运 行越稳定。气体密度越大、温度越高、轴转速越高、气膜刚度越大。 干气密封设计，就是以获得最大的气膜刚度为目的。 2 3 干气密封的受力分析 干气密封的受力分析如下图8 】 2 2 】 2 6 - 3 6 】： 闭合力f - _ _ - _ _ _ _ 。- f p 气膜间隙o 003mm 开启力f0 广 开启力f0 一 习 一l 二二 一 五星左f 0 p 正常工况 fc = f0 间隙减小 fc f0 弹簧力+ 静压力 气膜压力分布 图2 4 火炬气螺杆压缩机干气密封受力分析图 f i g 2 4f o r c ea n a l y s i sd r a w i n go f t h ed r yg a ss e a li nt h ef l a r eg a ss c r e wc o m p r e s s o r 圉。囡豳一囹 目半目半目日曰目巫f目日目巫，目日甘 大连理工大学专业学位硕十学位论文 ( 1 ) 闭合力分析 c = ，+ ，+ ，= t 2 t r ( r ；一r 6 2 ，十乃l 【6 2 一尺? ) + ， ( 2 2 ) 式中： f 。p o 由外径r 2 处介质压力p 2 产生的闭合力； f c p l 由内径r l 处介质压力p i 产生的闭合力； f 。p 由弹簧产生的闭合力； 凰密封的平衡半径； ( 2 ) 开启力分析 开启力由螺旋槽部分流体膜的开启力和密封堰部分流体膜的开启力组成，该开启力 可以通过计算流体膜压力分布在整个密封面上的积分而获得，即： c = 囊p ( ，) 2 a r d r ( 2 3 ) 当r l r r 唔( 螺旋槽部分) 时，p ( r ) 可以按下式积分求得： 鱼=一譬硒6g,u而(1+r藤)97dr h ( 2 4 ) 一= = 一一 p 一一 i j 2 。1 7 矿d r 办+ 办、庇2 9 。 当心r r 2 ( 密封堰部分) 时，p ( r ) 可以按下式积分求得： 鱼= 一等 (25)dr 砑矾3 ( 3 ) 力的平衡 ( 忽略了补偿环密封圈的摩擦阻力) 当气膜产生的开启力等于介质及弹簧产生的闭合力，密封开启，形成一定的工作间 隙，密封开始正常运转，实现密封长周期稳定运行。 2 4 干气密封常用结构型式 为了确定火炬气螺杆压缩机采用的干气密封结构，还要迸一步了解干气密封都有哪 些常用结构形式。 常用的压缩机干气密封结构有：单端面干气密封、双端面干气密封结构、两级串联 干气密封、中间带迷宫密封的串联干气密封等 3 】 4 】【6 】【8 1 。 ( 1 ) 单端面干气密封 火炬气螺杆压缩机干气密封应用研究 图2 5 所示为单端面干气密封结构与迷宫密封的组合式干气密封。单端面干气密封 结构简单，适用于压力不太高的场合。这种结构经常与迷宫密封、碳坏密封等组合使用， 在密封腔中注入高于密封介质压力的密封气，密封气通过迷宫密封或碳环密封等微量泄 漏到介质中，这就要求密封气对介质没有影响，另外有少量密封气通过干气密封端面泄 漏到大气中，泄漏的气体不会引起危险。泄漏量的大小与气体压力、温度、粘度、密封 轴径、转速等有关。 1 图2 5 单端面干气密封 f i g 2 5o n ee n df a c ed r yg a ss e a l ( 2 ) 双端面干气密封 两组面对面或背靠背的单端面干气密封可以组成双端面干气密封。双端面干气密封 可用于易燃、易爆和有毒等工艺气压缩机上。但干气密封腔中间必须通入惰性气体等气 体，其压力应高于被密封气体的压力。惰性气体将密封气体与大气隔开，被密封气体不 会直接泄漏到大气。由于惰性气体的压力必须高于被密封气体，存在少量惰性气体泄漏 到介质中去和泄漏到大气中的可能。面对面布置的双端面干气密封结构见图2 6 。 大连理下大学专业学位硕士学位论文 图2 6 双端面干气密封 f i g 2 6d o u b l ee n df a c e sd r yg a ss e a l ( 3 ) 串联干气密封 图2 7 为两组单端面干气密封同向布置称为串联干气密封。即两组完全相同的干气 密封一前一后串联布置。第一级为主密封、承担被密封气体的全部压力。当第一级密封 失效时，第二级密封承担全部压力，保证机组安全停机。正常情况下，一级密封泄漏的 微量工艺气为二级密封的密封气，通过孔板节流，二级密封腔有一定压力，通常取为 0 0 4 m p a 。第二级是安全备用密封。串联干气密封可能有少量的工艺密封气体泄漏到一 级与二级密封之间，可以从二级密封腔将其引到火炬烧掉。二级密封泄漏到大气中的工 艺气体几乎为零。通常在第二级干气密封泄漏腔与轴承( 大气) 侧之间设计出迷宫密封， 通入隔离气( 惰性氮气) ，惰性氮气可以对二级密封泄漏腔内的含极其微量的工艺气体 稀释，并引到高点排放，防止有害气体直接泄漏到大气。隔离气还可以阻止轴承润滑油 雾进入干气密封侧确保干气密封正常运行。 火炬气螺杆压缩机干气密封应用研究 图2 7 串联干气密封 f i g 2