（化学工程专业论文）上游泵送机械密封在螺杆压缩机上的应用研究.pdf

摘要 上游泵送机械密封在螺杆压缩机上的应用研究 齐鲁石化公司橡胶厂二抽提装置中工艺气丁二烯的核心动力设备 压缩机为两段四轴双螺杆压缩机。该装置自正式投产以来因轴封出 现大量的润滑油泄漏而频繁停机，一方面，泄漏不仅严重影响产品的质 量，导致换热效率明显下降：另一方面，密封泄漏迫使装置停止运行， 不但使备件和维修成本急剧增加，更严重影响生产的正常进行，辅助控 制系统经常误动作，从而造成巨大的经济损失。 首先通过深入细致的技术分析，从根本上明确原接触式机械密封润 滑油泄漏的主要原因在于密封表面摩擦区域产生“疱疤”致使表面材料 脱落而导致润滑油由此产生大量泄漏：采用“无限槽数”理论分析了上 游泵送机械密封的端面流体膜压分布、密封能力等基本性能，结合压缩 机具体的工艺条件，设计开发出上游泵送机械密封主要的结构参数，并 加工出质量满足设计要求的密封工业产品；在多功能高速密封实验装置 上对其进行性能研究工作，证实上游泵送机械密封在设计压力范围内表 现出具有优良的密封能力和抗干扰能力。 首次把自主研制开发的上游泵送机械密封成功应用到螺杆压缩机 上，并次性运行成功。至今已平稳运行1 2 个月，不仅从根本上解决 了轴封泄漏问题，保证了机组的长周期安全运行，并产生直接经济效益 达8 0 0 余万元。 关键词：螺杆压缩机，上游泵送机械密封，泄漏，使用寿命 a b s t r a c t r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f u p s t r e a mp u m p i n gm e c h a n i c a ls e a l o ns c r e wc o m p r e s s o r t h ec o r ep o w e r e q u i p m e n to fe x t r a c t i n gd e v i c ei nt h er u b b e rf a c t o r yo f q i l up e t r o c h e m i c a lc o i sad o u b l es c r e wc o m p r e s s o r , w h i c hh a st w os t a g e s a n df o u rs h a f t s ，a n dt h ep r o c e s sg a si s b u t a d i e n e ，t h em a c h i n ew a ss h u t d o w n m a n yt i m e sd u e t ot h eg r e a tl e a k a g eo fl u b r i c a n ts i n c et h ed e v i c ew a s p u ti n t op r o d u c t i o n o nt h eo n eh a n d ，t h el e a k a g eo fl u b r i c a n ta f f e c t st h e q u a l i t yo fp r o d u c t i o na n dr e d u c e st h ee f f i c i e n c yo fh e a te x c h a n g et oag r e a t d e g r e e ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h el e a k a g eo fs e a l sm a k e s t h ed e v i c eh a st os h u t d o w n ，w h i c hs h a r p l yi n c r e a s e st h ec o s to fs p a r ep a r t sa n dm a i n t e n a n c ea n d s e v e r e l ya f f e c t st h er e g u l a rp r o d u c t i o na n d c a u s e se n o r m o u se c o n o m i cl o s s f i r s t l y ，t h em a i nr e a s o no f t h el e a k a g eo f c o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a l si s a n a l y z e da n db l i s t e ro c c u r r e di nt h ef r i c t i o na r e a so fe n df a c es e a ll e a d st o t h el e a v e - o f fo fs u r f a c em a t e r i a l ，w h i c hc a u s e sag r e a td e a ll e a k a g e t h e n ， t h eb a s a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r , s u c ha st h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fe n d f a c es e a la n dt h es e a l i n ga b i l i t y , i sa n a l y z e do nt h eb a s i so ft h e o r y i n f i n i t e n u m b e ro fg r o o v e s ”，t h em a i ng e o m e t r yp a r a m e t e ro fu p s t r e a mp u m p i n g m e c h a n i c a ls e a li s d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ep a r t i c u l a rp r o c e s sc o n d i t i o n s a n dt h es e a l i n gp r o d u c t s ，w h i c hm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a r ep r o d u c e d t h ee x c e l l e n ts e a l i n ga b i l i t ya n dw o r k i n gs t a b i l i t yo fu p s t r e a mp u m p i n g m e c h a n i c a ls e a l sa r e p r o v e dt h r o u g h e x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h e m u l t i f u n c t i o n a lh i g h s p e e de x p e r i m e n t a ls e a lr i g t h ei n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e du p s t r e a mp u m p i n gm e c h a n i c a ls e a li s a p p l i e do i l - s c r e wc o m p r e s s o rs u c c e s s f u l l yf o rt h ef i r s tt i m ea n d t h ep r o c e s s e q u i p m e n t r u n ss a f e l y u pt on o w , t h ec o m p r e s s o rh a sr u nf o rt w e l v em o n t h s t h ea p p l i c a t i o no fu p s t r e a mp u m p i n gm e c h a n i c a ls e a l sn o to n l ys o l v e st h e s e a l l e a k a g ea n de n s u r e st h el o n g p e r i o ds a f e t y r u no ft h eu n i t ，b u ta l s o b r i n g se c o n o m i c b e n e f i tf o rm o r et h a ne i g h tm i l l i o ny u a n k e y w o r d s ：s c r e w c o m p r e s s o r ，u p s t r e a mp u m p i n g m e c h a n i c a ls e a l ，l e a k a g e ， w o r k i n g 1 i f e 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。 签名：垒逊二，弓年月) ，厂日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、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。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名 导师签名 纽彬妒，年弓月玎日 硼年；月哕日 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 第1 章前言 齐鲁石化公司橡胶厂年产5 万吨丁二烯抽提装置于19 9 9 年建成。 其压缩机是从英国“h o w d e n ”公司整套引进的一台两段四轴双螺杆压缩 机，输送介质为丁二烯( 其中含有一定量的高渗透性d m f 溶剂，即二 甲基甲酰胺) 。该压缩机的主要功能是将第一汽提塔后分离的丁二烯气 体升温至7 5 和升压至5 5 0 6 0 0 k p a ，然后进入一萃、二萃，用以脱除 较丁二烯相对挥发性较大、较小的组份，得到丁二烯浓度为9 5 以上的 粗丁。螺杆压缩机是该套装置的核心设备，其工作的可靠性真接决定整 套装置能否正常运行，并对橡胶厂的经济效益产生重大影响。 该装置于2 0 0 0 年1 0 月正式投产，在一年多的运行时间内因轴封出 现大量的润滑油泄漏而不得不停机四次，虽每次在机组维修期间对密封 采取了各种各样的措施，不但未从根本上解决泄漏问题，反而每次更换 轴封泄漏量明显增加，运行周期由最初的5 个多月缩短为不到四个月。 一方面，大量润滑油往压缩机内的泄漏不仅严重影响产品的质量，而且 其在诸多管线及换热设备内结焦而导致换热效率明显下降：另一方面， 密封泄漏到一定程度迫使装置停止运行，不但使备件和维修成本急剧增 加，更严重影响生产的正常进行，造成巨大的经济损失。尽快解决螺杆 压缩机的密封失效问题，已成为全厂自上而下共同关注的重大技术攻关 课题。 本课题旨在根据丁二烯螺杆压缩机具体的工况条件，通过大量的理 论分析和实验研究，研制开发出具有基本消除润滑油泄漏、工作性能稳 定可靠、抗干扰能力强、实现机组长周期运行的非接触式上游泵送机械 密封，并成功应用于工程实际，从根本上解决严重影响工艺装置正常运 行的技术瓶颈。 通过文献检索和技术咨询得知，至今未见国内外有关上游泵送机械 密封在螺杆压缩机上成功应用的报道。国内先后由同一公司引进的四套 机组均采用美国“j o h nc r a n ei n t e r n a t i o n a l ”密封公司生产的接触式机械 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 密封，结构尺寸、工艺条件不尽相同，但都存在密封泄漏严重、使用寿 命短( 最多不超过5 个月) 等重大缺陷，均已停机动性数次，造成巨大 的经济损失。我们曾多次向国外公司提出质疑，但都未得到明确的答复。 显然，在引进的螺杆压缩机上首次研制开发并成功应用新型的上游 泵送机械密封的确是一重大技术课题，这不仅仅是技术上的突破，更要 面对传统观念的巨大压力。因此，在课题进行的整个过程，自始至终本 着科学严谨的态度，从诸多方面做了大量细致的工作。 首先通过逐次深入细致的技术分析，从根本上明确压缩机用原接触 式机械密封润滑油泄漏的主要原因在于：密封结构不合理致使密封环变 形严重，动静摩擦副端面之间实际接触面积减小，摩擦生热导致接触区 域产生局部过热，密封表面摩擦区域产生“疱疤”致使表面材料脱落而 导致润滑油由此产生大量泄漏。 对于普通的接触式机械密封，在螺杆压缩机特殊的工作环境下是难 以避免润滑油严重泄漏现象的，国内数套同类引进机组都普遍存在的密 封泄漏充分说明了这一点。为此，打破传统的密封观念，克服重重阻力 和困难，大胆采用先进的密封理论和技术，研制开发出针对该机组工况 的上游泵送机械密封，采用先进的密封实验装置对其进行性能实验和可 靠性研究考核工作。 上游泵送机械密封属于流体动压型非接触式机械密封，其理论基础 是流体动压润滑理论的基本方程雷诺方程。与普通的接触式机械密 封相比，具有可实现密封介质的无泄漏、摩擦副端面无直接的摩擦磨损、 使用周期长、耐振性能好、经济效益明显等技术优势。上游泵送概念的 出现虽已有近二十年的历史，但其工业应用的报道并不多见，至今未有 成熟的工业设计方法可资借鉴。 鉴于此，采用“无限槽数”理论分析了上游泵送机械密封的端面流 体膜压分布、密封能力等基本性能，结合压缩机具体的工艺条件，设计 出上游泵送机械密封主要的结构参数，并加工出质量满足设计要求的密 封工业产品。 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 然后，在多功能高速密封实验装最上对其进行性能研究工作。首先， 与接触式机械密封进行对比性实验，主要通过在恒定转速下改变密封介 质压力来观察其密封性能，证实上游泵送机械密封在设计压力范围内的 密封性能远远优于接触式机械密封；随即进行了长达数百小时的考核性 试验和近百次的频繁开停实验，上游泵送机械密封均表现出具有优良的 密封能力和抗干扰能力。实验结果完全达到了设计要求和预期的结果， 完全有信心进入工业应用考核阶段。 在此基础上，于2 0 0 2 年4 月份在计划性机组检修期间，把自主研 制开发的上游泵送机械密封安装到螺杆压缩机上，并一次性运行成功。 至今，螺杆压缩机已平稳运行超过1 2 个月，不仅从根本上解决了轴封 泄漏问题，保证了机组的长周期安全运行，并产生直接经济效益已超过 八百万元之巨。 上游泵送机械密封在螺杼压缩机上的首次成功开发与应用，充分证 实了其具有密封性能优良、使用周期长、运行平稳可靠、抗干扰能力强 等系列技术特征，不仅可以应用于同类引进机组，而且可以应用于其它 转子式流体机械，是一种具有广泛应用前景的新型密封技术。 论文包括中英文摘要、八章主要内容、主要符号表、参考文献和致 谢等部分，其中包括2 6 张图和2 份表格，共计6 l 页。 第1 章为前言，简要介绍本课题的目的及意义、研究方法及技术路 线等。 笫2 章阐明上游泵送机械密封的工作原理及技术优势，采用“无限 槽数理论”分析了上游泵送机械密封的基本性能。 第3 章全砸分析了螺杆压缩机原用接触式机械密封产生泄漏的主要 原因及应采取的对策。 第4 章明确提出针对螺杆压缩机密封失效的主要原因，制定出采用 非接触式上游泵送机械密封的技术方案。 第5 章首先确立其工程设计的基本方法和步骤，进而结合压缩机具 体工况条件设计出上游泵送机械密封的具体结构和重要结构参数。 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第6 章对研制开发的上游泵送机械密封进行全面的工作性能实验和 考核工作，以证实其结构设计的合理性。 第7 章明确了安装螺杆压缩机用上游泵送机械密封的基本要求和程 序，总结工业考核实验工作。 第8 章对本课题的研究工作及所取得的成果和结论进行了综述。 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 第2 章文献综述 目前，机械密封在对世界经济影响日益突出的炼油、石化及其它工 业领域广泛应用。流体机械中工艺介质的泄漏必然造成相当的环境污 染，并对整台机器、整套装置甚至整个工厂的正常生产有很大的影响。 因此，完善流体机械轴封技术以提高工艺装置的经济、技术指标己成为 一现实课题。 已知目前采用的机械密封结构大多为接触式的，在实际工程应用中 必然产生密封介质的泄漏，难以满足现代环保的要求。密封摩擦副处于 摩擦状态，密封环的磨损在所难免。流体机械因密封失效而停机检修降 低装黄的生产效率。显然，提高机泵用机械密封装置( 或密封系统) 的 密封性和可靠性是重要技术课题。 上世纪七十年代中期，基于现代流体动力润滑理论研制开发出气体 润滑非接触式机械密封( 即干气密封) ，并最初成功应用于高速离心压 缩机，标志着密封技术的根本性进步。上世纪八十年代初上游泵送机械 密封问世，密封摩擦副因端面之间存在一流体薄膜而处于非接触状态。 与传统的接触式机械密封相比，流体动压非接触式机械密封具有以下优 势：可实现密封介质的低微泄漏、延长使用寿命、简化辅助系统、减少 运行费用、消除对密封介质的污染、降低失效概率等， 流体动压非接触式机械密封的设计及其工业应用必须基于对其密 封性能及影响其密封性、可靠性和稳定性的有关因素的充分认识。显然， 目前与此有关的信息资料的不足是限制其在工业领域推广应用的主要 原因之一。 2 1 上游泵送机械密封的工作原理 自7 0 年代美国约翰克兰密封公司开发出螺旋稽气体端面密封“ 以来，流体动压非接触式密封发展十分迅速，后又出现了用于密封液体 的“上游泵送密封”。所谓“上游泵送密封”就是将从高压侧泄漏到 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 低压侧的密封流体或少量的低压缓冲流体从低压侧泵送到高压侧，从而 实现密封功能，而这一目的的实现是通过在密封端匠上开一定形状的动 压槽来达到。为了使上游泵送机械密封在静止状态和旋转状态都能实现 密封，将密封面分为密封区和开槽区。未开槽的密封区起到停车密封作 用，防止液体在静止状态下由高压侧泄漏至低压侧。而开槽区在旋转时 将高压侧泄漏至低压侧的流体或低压侧注入的常压缓冲流体经流体动 压槽有内径低压侧朝外径高压侧泵送。当这种密封运转时，由于动压槽 的粘性剪切作用而产生流体动压效应，在密封面间形成了一层很薄的液 膜，这层液膜的厚度一般小于3um ，同时，由于动压槽产生的剪切流 抵抗压差流，当剪切流与压差流相等时，密封实现了零泄漏。上游泵送 密封由于密封面间形成了完整的流体膜，端面间无接触磨损，从而使密 封的寿命大大增加：由于产生剪切流，可使密封的泄漏量减少到零，甚 至达到负泄漏，即低压侧缓冲流体向高压侧泄漏。 上游泵送密封由于独特的密封端面设计，使其比一般的接触式机械 密封更具优势，尤其是在高压、高速情况下，基本上不受p v 值的限制。 理论、试验研究和工业应用表明 1 0 , l ”，与普通的接触式机械密封相 比，上游泵送机械密封具有以下系列技术优势： 与干气密封一样，可以实现密封介质的零泄漏或零逸出( 统称 零逸出) ，消除环境污染。 密封使用寿命大大延长。在理想工作状态下，由于密封摩擦副 处于非接触状态，端面之间不存在直接的固体摩擦磨损，理论使用寿命 无限长。 。能耗明显下降，运行效率相应提高。工业应用结果表明“，上 游泵送密封的能耗不足普通接触式机械密封的1 6 ，而且，用于降低端 面温升的密封冲洗液量和冷却水量大大减少，相应提高了泵效甚至工艺 装置的生产效率。 辅助系统相对简单。与双端面接触式机械密封相比，上游泵送 密封装鼋无需复杂的封油供给、循环系统及与之相配的调节控制系统， 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 对带缓冲流体的零逸出上游泵送密封，缓冲液的压力远远低于密封介质 的压力，且无须循环，消耗量也小，因此，对辅助系统的可靠性要求不 高。 用范围拓宽。与普通接触式机械密封相比，上游泵送密封可以 在更高p v 值、高含固体颗粒介质等条件下使用。 至今，已开发出的上游泵送密封端面结构形式如图2 1 所示，主要 有多圆叶台阶面型( 图2 1 a ) 、周向雷列台阶型( 图2 1 b ) 、直叶型( 图 2 1 c ) 和类螺旋槽型( 图2 1 d ) ，包括螺旋槽、圆弧槽、直线槽、曲线槽 等) 。由于在流体流动效率或摩擦功耗方面，类螺旋槽型最佳，因此， 在工程应用中，类螺旋槽型上游泵送密封最为普遍“。 ，+ i r 、 ：= 二：，一二二二； a ，一+ 、 一 ，一一_ 1o 【1f 1 1 _ 一十丌 、l 一， 上一7 r 一 、l l - 一7 7 c 图2 1 上游泵送密封端面结构 上游泵送机械密封属于流体动压润滑非接触式端面机械密封，该类 机械密封与普通接触式机械密封的根本区别在于密封面上的微凸体不 接触，其密封端面依靠摩擦副表面相对运动所产生的动压承载流体膜( 液 膜) 完全分开，即处于完全的流体润滑摩擦状态。 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 2 1 1 动压承载流体膜的形成条件o o ) 为了说明流体动压润滑非接触式机械密封的工作原理，首先探讨一 下流体动压效应的形成机理。图2 2 是两块相互倾斜的平板，自左至右 两者之间的间隙( um 级) 逐渐收敛，两板间隙内充满粘性流体。当下板 固定，上板以速度u 沿两板间隙缩小的方向移动对，则运动平板借助流 体粘度将润滑油从间隙的左侧带向右侧。 图2 2 狭窄缝隙内流体膜的承载机理 狭窄缝隙内粘性流体的流动可用简化了的二维纳维埃一斯托克斯 方程( n a v i e s t o k e se q u a t i o n ) 即雷诺方程来描述： 旦f 丛望 + 旦f 丛塑1 ：旦f 旦坐 + o ( p h ) ( 2 1 ) 氨1 2 缸j 砂1 1 2 印j 缸2 j a t 对于稳态流动，塑o t = 。，假定两平板无限宽，即y 2 o 。，且为不 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 可压缩流体，即p = c ，则上式简化为一维的雷诺方程 旦旧粤1 ：一6 , u u d _ ；_ h ( 2 | 2 ) 凼l出j甜 对( 2 2 ) 式进行一次积分，得： 褰= 等眠也) ( 2 ，) 由( 2 3 ) 式进一步分析，若要流体膜具有承载能力，需使d p d x 0 ， 则必须有 0 ，u 0 ，h l h 2 a 由此可以得出流体动压效应的形成条件是： 两摩擦表面间具有收敛形间隙； 间隙中充满具有一定粘度的流体； 两表面间具有相对速度，且运动方向须使流体向间隙收敛端流 动。 对( 2 2 ) 式进行二次积分得流体膜的压力分布为： 贴) _ 6 一u ( r 鲁+ qr 砉+ c 2 ) ( 2 4 ) 利用边界条件：p ( h ) = p ( h ：) = 0 ，对( 2 3 ) 式积分，可得承载能 力为： w ：b r p ( x ) 出 ( 2 5 ) 狭窄缝隙内的流体膜压力分布和承载能力的具体表达式因缝隙形 状的不同而异。 根据雷诺方程推出的压力分布公式得知，两平板之间流体膜压力呈 抛物线分布形式，由压力分布曲线( 见图2 2 ) 可以看出：两板之间各处的 流体膜压力均大于入口处和出口处的压力。压力分布曲线沿整块平板的 积分即为流体膜的承载能力，当动压流体膜的承载能力与外载荷平衡 时，将在一定厚度下保持稳定，从而使相对运动的两摩擦面被一层流体 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 膜完全隔开。 2 ，1 2 上游泵送机械密封的结构特点 根据动压油膜的形成条件，要使密封面完全被动压流体膜所隔开， 就必须使密封面的两个摩擦表面沿着相对转动方向具有收敛形间隙。螺 旋槽端面密封即在动环上( 既可在静环上，亦可在动、静环端面上都) 加工出螺旋槽以形成密封端面之间的收敛形间隙。国内外普遍采用的上 游泵送机械密封多为内径开槽( 或外径开槽) 的端面结构( 图2 3 ) 。 内径开槽或外径开槽的螺旋槽端面结构分别在内径侧和外径侧设 有一密封坝，实验研究和工程应用结果表明，该类结构虽然能实现摩擦 副端面的非接触，但极易把隔离流体( 或缓冲流体) 中的固体颗粒吸入 密封端面之间，使密封面发生磨粒磨损，同样影响密封工作的稳定性和 可靠性。 螺旋槽线型有对数螺旋线、阿基米德螺旋线、圆弧线、斜直线等， 其端面有关几何参数可通过借助流体润滑理论中的雷诺方程进行端面 流体膜压力分布计算，根据不同的实际要求所确定的目标函数，采用相 关优化设计理论进行优化计算得出的，并采用特殊的机械制造技术加工 而成的。 2 3 上游泵送密封概念 上游泵送机械密封通常适用于密封液体。若动环外径侧为高压密封 液体，内径侧为低压流体( 可气体亦可液体) ，当动环以图2 3 所示方向 旋转时，根据流体动压润滑理论可知，在螺旋槽流体动压效应的作用下， 动静环端面之间产生一层厚度极薄的流体膜( 图2 4 所示) ，使动静环端 面保持分离即非接触状态。在外径与内径压力差的作用下，高压被密封 液体产生由高压侧到低压侧的压差流岛，而螺旋槽的流体动压效应所产 生的粘性剪切流g 的方向由低压侧指向高压侧，即与压差流纬的方向 相反，此为上游泵送概念的由来。 如图2 3 所示，流经密封端面间隙的总泄漏量q 为： q = q 一q 。 ( 2 , 6 ) 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 若或 q 时，q 0 ，则出现高压侧密封流体向低压侧泄漏，认 为该上游泵送机械密封不具备密封能力。 t l - a - - 图2 3 零泄漏上游泵送机械密封端面结构 静环 上游侧 动环 卜 i下薅侧 n 图2 ，4 上游泵送机械密封工作原理图 q 。= q ，时，q = o ，密封可以实现零泄漏；若低压侧无缓冲液 体，则可以实现被密封流体的无泄漏，但不能保证被密封流体以汽态形 式向外界逸出或排放，定义对应此条件下的密封为零泄漏上游泵送机械 密封。 矿 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 q ， q ，时，q p f 时，工艺气体被泵送至高压侧，但这种可能性很小，因为由公式 ( 2 1 2 ) 不难看出，在相同的条件下，表征零泄漏上游泵送机械密封能 力的泵送压力融与流体的粘度j 成正比。已知气体的粘度远小于液体粘 度，如水在2 5 。c 下的动力粘度为掣= 8 6 1 0 4 p a s ，而空气的动力粘度 = 1 _ 8 1 0 - 5 p a s ，两者相差近4 8 倍。 由图2 6 密封端面膜压分布可知： 弹簧压力i 。 缓冲痕压力 ；正常运转嫱面膜匿分布 r 图2 6 端面流体膜压分布 在正常工作状态下，密封坝区( 即r o k 区域) 的膜压均匀分布， 其值等于密封介质的压力骱而密封槽堰区的压力分布如曲线a c 所示 由内径到槽根部( 即r g n 区域) 是逐渐增加的，对应压力为零时的端面 半径为珞。 当端面间隙增大时，密封坝区( 即r o - r g 区域) 的膜压仍为均匀 分布，其值等于密封介质的压力办密封槽堰区的压力分布如曲线a d 所示由内径到槽根部仍是逐渐增加的，但小于曲线a b 所对应的值，即 离。一| 一卜卜。r 竺；亏 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 流体膜开启力变小，对应压力为零时的端砸最小半径为r d ，其值大于密封 端面内径 。 当端面间隙减小时，密封坝区( 即r o - r g 区域) 的膜压仍为均匀 分布，其值等于密封介质的压力p 密封槽堰区的压力分布如曲线a b 所示由内径到槽根部仍是逐渐增加的，但大于曲线a b 所对应的值，即 流体膜开启力变大，对应压力为零时的端面半径为r 8 ，其值亦大于密封 端面内径 。 可见，无论在何种工作状态下，只要端面膜压为零处所对应的半径 均大于或等于端面的最小半径r 就能保证实现零泄漏密封功能。 2 2 上游泵送机械密封的开发及应用“们 2 2 1 密封结构形式 至今已开发出的上游泵送机械密封的端面结构各种各样：流体动压 槽型可以是螺旋线型、圆弧型、直线型、阶梯型、圆叶型等，但从流动 效率和密封稳定性考虑，螺旋线型最为理想；开槽方式分单列螺旋槽和 双列螺旋槽两大类。 1 ，单列螺旋槽型 单列螺旋槽包括内径开槽、外径开槽、中间开槽等三种形式( 图2 7 ) 。 图27 单列螺旋槽型上游泵送机械密封 参一一 -jj b翰鹞 至塑堕兰! 兰丕! 堡主堡塞 釜! 童苎堕堡堕 内径开槽型( 图2 7 a ) 是在螺旋槽气膜密封的基础上开发出来的， 最早应用于工程实际；外径开槽型与内径开槽型基本相同，只是开槽的 位置不同，故上游泵送方向由外径指向内径( 如图2 7 b 所示) ，其泵送 能力和流体膜刚度优于内径开槽型；中间开槽型( 图2 7 c ) 是一种具有双 密封坝的新型结构，理论分析和试验结果表明，该结构具有更高的流体 膜刚度即稳定性、防固体颗粒能力强，且具有双向泵送特性，是种值 得开发应用的上游泵送机械密封结构。 2 双列螺旋槽型 a 八字型槽b 人字型槽c y 型槽d 分段型槽 图2 8 双列螺旋槽型上游泵送机械密封 双列螺旋槽主要有八字型槽、人字型槽、y 型槽、分段型槽等结构 形式。八字型槽是在端面内、外径两侧开螺旋槽，中间有一密封坝将两 列槽分开( 图2 。8 a ) ，内侧槽的泵送方向是由内径指向外径，而外侧槽的 泵送方向由外径指向内径，但由于内侧槽的径向高度大于外侧槽，故两 列槽的总的泵送效果是由内径指向外径：人字型槽( 图2 8 b ) 与八字型 槽基本相同，只是两列槽在中间相交，另外，该结构可以有两个密封坝； y 型槽( 图2 8 c ) 是内侧槽与外侧槽相交后继续向外径延伸，形状像y 型；分段型槽( 图2 8 d ) 则是开设的两列槽的倾斜方向相同，其泵送效 果一致，均由内径指向外径。总体而言，双列螺旋槽型的稳定性优于单 列槽。需指出的是，图2 8 中的双列螺旋槽型结构的泵送方向亦可以由 盹盹参移 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 外径指向内径，只是外侧槽的径向高度必须大于内侧槽。 2 2 2 上游泵送机械密封的工业应用 1 零泄漏上游泵送机械密封的应用 零泄漏上游泵送机械密封的装配结构与普通的单端面接触式机械 密封相同，唯一的区别只是在密封端面上开设流体动压槽，在各类非接 触式机械密封中结构最为简单，不需要其它复杂的辅助系统( 但仍可采 用自冲洗辅助措施) ，可在以下条件下得以应用： 输送饱和蒸汽压低于环境大气压的各种介质旋转流体机械类轴 封。这类介质的特点是不易产生汽化，即使泄漏也是以液体形式出现的， 而不会发生挥发性泄漏，如各种油品、水等，因此，在条件允许的情况 下下可以采用无需缓冲流体辅助系统的零泄漏上游泵送机械密封。 停车密封。可以与螺旋密封、叶轮密封等一起作为组合密封使 用，用于密封高粘度、高含固体颗粒的介质如泥浆、重油等。在工作状 态下螺旋密封、叶轮密封起主要的密封作用，零泄漏上游泵送机械密封 起辅助密封的作用，在停车状态下零泄漏上游泵送机械密封起停车密封 的作用。 备用密封。当主密封开始泄漏时，作为备用密封的零泄漏上游 泵送机械密封可以及时地阻止介质向大气泄漏，直至主密封的泄漏达到 报警限为止。 轴承密封。在某些条件下如高速齿轮箱轴承密封等亦可采用零 泄漏上游泵送机械密封。 2 零逸出上游泵送机械密封的应用 零逸出上游泵送机械密封需要增设缓冲液辅助系统( 亦可仍采用自 冲洗措施) ，可用于密封一些高污染性、高危险性介质等： 用作输送饱和蒸汽压高于环境大气压的各种介质旋转流体机械 类轴封，如炼油石化企业中的液态烃、轻烃、液氨等类介质的特点是易 汽化，普通接触式机械密封一般处于汽液两相混合摩擦状态，产生大量 的汽相泄漏，对环境污染严重，且工作稳定性能不佳，使用寿命较短， 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 采用零逸出上游泵送机械密封可以有效地解决此类密封问题。 可替代普通的双端面机械密封。双端面接触式机械密封常用于 密封化学、石油化工、农药等行业中具有剧毒、昂贵、高污染性工艺流 体，需用复杂的封液循环保障系统，以提供压力高于密封介质压力的封 液，能耗大、可靠性差，使用寿命有限。 2 2 3 上游泵送机械密封在螺杆压缩机上的工业应用 通过查阅大量的国内外科技文献资料得知，至今为止，上游泵送机 械密封不多的工业应用仅限于各种转子泵，并未发现有关上游泵送机械 密封在螺杆压缩机上成功应用的技术信息，缺乏可供借鉴的工业开发应 用资料。可见，研制开发螺杆压缩机用上游泵送机械密封属于技术性创 新工作。一方面，必须对原有密封结构形式存在的技术问题及密封出现 泄漏的根本原因进行充分的分析和把握；另一方面，更应对上游泵送机 械密封在特殊工业应用条件下的开发设计进行合理的确立，保证其工业 应用的密封性和可靠性。 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章螺杆压缩机轴封失效分析 第3 章螺杆压缩机轴封失效分析 3 1 压缩机工艺条件 我厂二抽提装置中的丁二烯压缩机为英国“h o w d c n ”公司进口的两 段四轴双螺杆压缩机( 图3 1 所示) ，其工艺参数为： 图3 1 丁二烯螺杆压缩机 该压缩机输送工艺介质为丁二烯( 其中含一定量的高渗透性d m f 溶剂，即二甲基二酰胺) ，其主要工作参数为( 见图3 2 ) ； 工艺介质压力：一段入口为5 k p a ，出口为1 9 0 k p a ，实际二段入口 为1 9 0 k p a ，出口为5 5 0 k p a ； 工艺介质温度：一段入口为3 3 2 c ，出口为6 9 2 c ，二段入口为3 2 4 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章螺杆压缩机轴封失效分析 ，出口为6 8 1 ； 压缩机转速：n = 3 3 0 0 r p m ； 润滑油：一段轴承：压力为0 1 5 m p a ，温度为4 1 5 c ：二段轴承： 压力为0 3 5 m p a ，温度为4 1 5 c ； 封油：一段密封：压力为o 1 5 m p a ，温度为4 1 5 c ；二段密封：压 力为0 ，3 5 m p a ，温度为4 1 5 。 图3 2 螺杆压缩机工艺流程图 该机每段各配有随机进口同规格的接触式机城密封4 套，两段共采 用8 套接触式机械密封。自2 0 0 0 年1 0 月份投入使用以来，至2 0 0 2 年4 月因机械密封迪漏严重丽停机四次，每次都不得不使工艺装置停止生产 达8 日之多。一方面，机械密封为进口备件，8 套密封报价超过1 7 0 万 元：更严重的是，因停机更换密封而不得不使装置停产所造成的经济损 失每次超过百万。为此，从根本上解决现有机械密封泄漏问题，彻底扭 转生产的被动局面，已成为橡胶厂亟待攻克的重大技术攻关课题a 亘塑盔兰竺查! ! 哇鲨塞 差! 垩塑堑墨熊垫塾塾塞望坌堑 3 2 轴封使用情况、存在问题及采取措施 首先，应当深入分析压缩机原用接触式机械密封出现泄潺的根本原 因，并制定相应措施。 t - - 烯螺杆压缩机一、二段轴封均如图3 3 所示，为普通的多弹簧、 静止接触式机械密封结构，只是结构尺寸不同( 见表3 1 ) 。通过多次维 修更换轴封，逐步分析现有机械密封可能产生泄漏的途径并采取相应的 措施。 图3 3 压缩机用接触式机械密封结构 l 一动环座，2 动环，3 一动环0 形圈，4 静环，5 一隔环 6 一静环o 形圈，7 0 形圈挡圈，8 一推环，9 一弹簧 1 密封静环o 形圈产生环形裂纹导致泄漏 螺杆压缩机自2 0 0 0 年1 0 月份开始运行，起初并未发现封油泄漏， 但随着时间的持续，轴封开始出现泄漏并不断增加。持续运行至2 0 0 1 年3 月份时，两段轴封的泄漏量已增加至1 0 0 升天，不得不停机检修。 更换机封时发现其零部件基本完好，只有静环0 形圈6 靠近工艺气体侧 产生环形均布的纵向裂纹，分析原因是由于0 形圈材料为氯丁橡胶，工 艺介质中含有渗透力很强的d m f 溶剂，在其作用下0 形圈发生溶涨而 产生裂纹，断定泄漏由此产生。随即选取由多种材料制作的0 形圈分别 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章螺杆压缩机轴封失效分析 在含有d m f 溶剂的丁二烯中进行浸泡，发现只有全氟醚橡胶制作的o 形圈不会出现裂纹。于是，在所有的密封静环上选用国外进口的全氟醚 橡胶。形圈，并更换上新的机封。 表3 1 接触式机械密封主要参数 一段密封二段密封 密封面内径，r l l l t l 1 8 11 1 8 5 密封面外径，m m 1 9 l1 2 6 5 平衡直径，m m 1 8 51 2 l 端面宽度，m m 54 平衡系数 0 3 9 3 50 3 0 5 弹簧数 1 61 2 2 密封静环o 形圈扭曲变形可能产生泄漏 第一次更换上机封后开始运行，随着时间的持续，机封泄漏又逐步 增大，至2 0 0 1 年8 月初已达到1 0 0 升天，不得已又一次停机。初步分 析可能是由于密封端面接触比压太小而产生泄漏。于是，在更换机封时 增加弹簧数量( 一段机封由1 6 个增加至2 2 个，二段机封由1 2 个增加 至1 6 个) 。但此次运行至2 0 0 1 年1 2 月底泄漏量又超过1 0 0 升，天，停机 更换轴封时发现除密封静环端面局部有脱落外，并没有明显的磨损；但 注意到静环0 形圈6 的轴向游隙超过3 r a m ，进而断定可能是由于静环。 形圈在工作状态下产生周向扭曲而不能与静环座紧密贴合致使封油泄 漏。于是将推环和隔环做成一体，使其与静环o 形圈之间的轴向间隙小 于0 5 m m ，以避免静环o 形圈扭曲而产生泄漏；同时，又分别把静环的 内径车大l m m 和1 5 r a m ，使面积比增大，以提高其端面接触压力，提 高密封性能。 3 密封摩擦副端面产生的泄漏 石油樘( 华东) 硕士论文 第3 章螺杆压缩机轴封失效分析 但是，第三次更换轴封以后，便密切观察机封的泄漏量的变化，从 密封的运行情况来看，其密封效果并没有改善，使用不到两个月泄漏量 便增加至8 0 升天。其间因意外停电而停机，发现静止状态下机封并没 有泄漏，丽一运行起来后就出现明显的泄漏。前往广州石化公司考察同 类机组的同志反映，广州方面也采取与我方相近的处理方法，虽使用情 况好于我方，但仍不尽人意。通过分析，认为密封泄漏的主要部位应在 动静环端面摩擦副，而非其它部位。 3 3 接触式机械密封端面泄漏原因分析 3 3 1 接触式机械密封存在的问题 自1 8 8 5 年机械密封问世以来，随着工业化进程的不断加快，尤其 是石油、石油化工、汽车、机械制造、原子能、航天等现代工业的飞速 发展，机械密封已得到空前广泛的应用，显示出巨大的技术优势和经济 优势。进入六十年代后，由于新型密封材料的不断涌现，精密加工技术 的不断进步，计算机技术的广泛应用，机械密封无论在密封理论、密封 结构、密封工作性能、密封辅助系统、密封使用范围等方面都得以迅速 丰富、拓展、完善和强化。 根据普通的接触式机械密封工作原理，可以得出其存在的基本问 题： 接触式机械密封的密封原理是：在被密封流体与外界存在压力 差( 一般是压力高于外界压力) 的前提下，尽可能减小密封摩擦副端面 之闻的轴向间隙以尽可能减少被密封流体的泄漏。因此，接触式机械密 封是难以实现被密封流体的零泄漏，更不可能实现其零逸出。随着现代 环保要求的不断提高，普通接触式机械密封的应用将受到越来越多的限 制。 由于密封摩擦副之间存在着直接的固体摩擦磨损，磨损积累的 结果必然是密封的使用寿命是有限的。一般地，普通接触式机械密封的 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章螺杆压缩机轴封失效分析 使用寿命不超过一年，而对一些润滑性差的密封流体或含一定量固体颗 粒的密封流体，密封的使用寿命只有数月甚至数天。 密封摩擦副端面之间直接的固体摩擦磨损，必然产生一定量的 固体磨粒，对工艺产品造成不同程度的污染，直接影响产品质量及其市 场竞争力。因此，随着对产品尤其是深加工食品、生物医药制品、精细 化工产品等质量要求的日益苛刻，普通接触式机械密封的使用范围将不 同程度的受到影响。 密封摩擦副端面之间直接的固体摩擦磨损必然使局部温度升 高，使周围环境的工艺流体的物性发生不同程度的变化，如汽化、结焦 等，同样在一定程度上影响工艺产品的质量。 密封端面之间的摩擦温升对密封摩擦副的工作状态有很大的影 响，有可能使端面液膜发生汽化( 即相变) ，由单相润滑变为混相润滑， 使密封摩擦副处于不稳定的工作状态，密封失效的概率大大增加。 密封端面之间的急剧温升还会使密封材料的机械性能降低，容 易使密封环( 主要指硬环) 产生熟裂、辅助密封圈产生热涨等而使密封 早期失效。机械密封工业失效记录中有相当比例是由于密封端面温升过 高造成的。 为了改善密封的工作环境，常常对密封采用冷却、冲洗等措施。 工业应用中最常采用的冲洗方式是内冲洗，即通过导管把泵出口的部分 流体引注入密封箱，实际上使该部分流体在泵内形成自循环，从而部分 程度地降低了泵的容积效率，相应降低了工艺装置的生产效率。采用冷 却手段往往是用水对密封进行直接冷却并自然排放，浪费了大量的水资 源并增加了污7 k 处理的负担。 对双端面机械密封需有阻塞流体循环、控制系统，大大增加了 密封装置的一次性投入成本，对离，凸, j t i - 缩机用双端面机械密封，封油循 环、控制系统的费用约占整个机组投资的2 0 4 0 。另外，封油循环、 控制系统使密封的运行费用成倍增加，其运行的可靠性直接影响着密封 工作的稳定性和可靠性。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章螺杆压缩机轴封失效分析 接触式机械密封的使用范围受到限制，不适用作高压、高速、 高p v 值工况下旋转机械类轴封，对于密封高危险性、高含固体颗粒的 工艺流体，其密封的可靠性及耐久性等方面也不尽人意。 综上所述，普通的接触式机械密封有其固有的系列缺憾，难以满足 现代工业对机械密封诸多综合优良性能的要求。而正是接触式机械密封 的现有不足成为机械密封技术不断进步、完善和创新的动力之，促使 新型的高参数、高性能、高水平的机械密封产品不断涌现，不断满足各 行各业对机械密封异彩纷呈的要求。 3 3 2 密封端面泄漏原因分析 在2 0 0 1 年1 2 月第四次更换轴封时仔细观察密封端面的摩擦磨