（化学工程专业论文）干气密封在化工流程泵上的应用研究.pdf

人迮理l ：人学专、i k 学位硕十学f t 论文 摘要 离心泵p 3 0 3 是中国行油大然广e 股份自限公司古林石化分公司染料厂1 2 万吨年的 苯酚| 人j 酮装置的核心设备，其足否能长周期运转对装置的币常运行影响巨人。该没备轴 封原采用双端而机械密封。自开工以来，p 3 0 3 离心泵密封使用情况一直不理想，使用 寿命只有三个月，严重的影响了装置的正常运行，更为重要的是，由于密封油的泄漏， 给，卜产安全带来巨大隐患。为此，吉林石化分公司染料厂决定对陔离心泵机械密封进行 改造。 针对双端面机械密封在离心泵p 3 0 3 上使用存在的问题，本课题采用于气密封技术 对该设备轴封系统进行改造，以期实现设备长周期运转的目标。结合技术改造项目，本 论文主要从以下几个方面开展研究工作：进行干气密封结构确定；对干气密封系 统进行了受力分析和密封性能计算：对干气密封监控系统进行设计：埘干4e 密封 系统的泄漏量进行实验研究。 通过对离心泵机械密封的改造，解决离心泵p 3 0 3 的泄漏问题、消除安伞隐患、保 证人身安全、保证设备安全、避免非计划停车、保证产品质量、降低能耗、大大提高经 济效益；同时也为i 司行生产线的离心泵密封改造提供有益经验，为干气密封技术的进一 步扩展应用，丌辟了新的空间。 关键词：离心泵；干气密封；双端面；密封性能；受力分析 t h e a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fd r yg a ss e a l f o rp u m p si nc h e m i c a li n d u s t r i a lp r o c e s s a b s t r a c t t h ec e n t r i f u g a lp u m pp 3 0 3 ，ac o r ep a r to ft h ep h e n o ld e v i c e ( 12 0t h o u s a n d st o np e r y e a r ) ， i n f l u e n c e st h ew h o l eo p e r a t i o n p r o c e s sd i r e c t l ya n dg r e a t l y n o wt h i sm a c h i n ei sb e i n gu s e db y j i l i nb r a n c ho f f i c eo fc h i n ap e t r o c h e m i c a l sc o ，l t d t h ee q u i p m e n tu s e dt h ed o u b l e s i d e m e c h a n i c a ls e a l p r e v i o u s l y b u tt h ef u n c t i o no fp 3 0 3w a s n ts a t i s f a c t o r ys i n c ei ts t a r t e d w o r k i n g i t sl i f e t i m ed i d n te x c e e dh a l f ay e a rn o r m a l l y ，a f f e c t e dt h ep r o p e ro p e r a t i o ns e r i o u s l y t h ew o r s e t h i n gi st h a tt h es e a lo i ll e a k a g em a yl e a dt ot h ed i s a s t r o u si n c i d e n t s t h e r e f o r ej i l i n p e t r o l e u mp l a n tb e g i n st ot a k em e a s u r e st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f c e n t r i f u g a lm a c h i n e t ot h ep r o b l e m sc a u s e db yd o u b l e s i d em e c h a n i c a ls e a l t e c h n i q u e ，t h en e wr e s e a r c h s u b j e c tu s e sn e wt e c h n i q u 州r yg a ss e a lt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c ei no r d e rt ok e e p e q u i p m e n ti nag o o do p e r a t i o ns t a t e a c c o r d i n gt or e d e s i g nt h es e a lo ft h ee q u i p m e n t ，t h en e w r e s e a r c hs u b j e c tc o v e r st h ef o l l o w i n gr e l a t e da s p e c t s m a i n l y ：1 ) o p t i m i z et h ed e s i g no fd r yg a s s e a ls t r u c t u r e ；2 ) s t r e s sa n a l y s ea n dc a l c u l m i n gs e a lf u n c t i o nt ot h ed r yg a sm e c h a n i c a ls e a l s y s t e m3 ) t h ed e s i g no ft h ed r y - g a ss e a lm o n i t o rs y s t e m ；4 ) l a bt e s tf o rd r yg a ss e a ll e a k a g e c a p a c i t y t h r o u g hr e d e s i g n i n ga n dm o d i f y i n gt h es e a lo ft h ee q u i p m e n t ，t h ep r o b l e mo fl e a k a g eo f p 3 0 3h a db e e ns o l v e d a l s ot h en e w e q u i p m e n tc a nd e c r e a s et h er a t eo fa c c i d e n t sa n dp r o t e c t t h eh e a l t h ys a f e t y ，g u a r a n t e et h el i f e t i m eo f f a c i l i t ya n da v o i du n e x p e c t e dd o w n t i m ea sw e l la s m a k es u r et h ep r o d u c tq u a l i t y ，r e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n da d v a n c et h ee c o n o m y b e n e f i t s m e a n w h i l e ，r e d e s i g n i n ga n dm o d if y i n ga l s op r o v i d e st h ee f f e c t iv ee x p e r i e n c e sf o rt h e p e o p l eo f s a m ep r o f e s s i o n w es u m m 撕z et h ee x a m i n e a n d r e p a i rt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sf r o m r e s e a r c hf o rt h ee n du s e r s t r a i n i n ga n d r e f e r e n c e ，a n de x t e n dt h ep r a c t i c a lf i e l d so ft h ed r y - g a s s e a l i n gt e c h n i q u ea l s o k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lp u m p ；d r yg a ss e a t ；d o u b l e - s i d em e c h a n i c a ls e a ；s e a t f u n c t i o n ；s e a l , i n gf o r c ea n a l y s e 人连理l j 人学硕十。z 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。 学位论文题目： 作者签名： 口 寻师签名： 三一臻兰葚驾兰詈 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：一王氢窒封查丝王速猩丕土鲍廑用盟塞 作者签名 ：里蒸丝 日期：2 ：! ：2 年竺月! 日 人连理i ：人学争业。仲硕f ：学位论文 1 文献综述 1 1国内外千气密封的研究与应用状况 干气密封密封端面存在着气膜而不足液膜，故称为气体机械密封。国外称为d r yg a s s e a l ，意思是尤液体润滑的气体密封，或简称干式密封。 干气密封是一种新型的非接触式机械密封。它省去了昂贵的润滑油设备，基于流体 动力润滑理论，在密封端面上加工出一定形状的几何槽。唯一的发热源足密封面处的气 体剪切摩擦热。 干气密封的研究开发体现在密封机理、密封端面动压槽、密封用新材料、密封系统、 密封的实验室试验、以及工业应用等多方面。 干气密封的概念是六十年代木期从气体润滑轴承的基础上发展起来的，其中以螺旋 槽干气密封最为典型，广泛采用。 1 9 4 7 年惠普尔解决用对数( 等角) 螺旋槽止推轴承的原理( 后人把它叫做惠普尔螺 旋槽) ，研制并试验了螺旋槽止推轴承。 1 9 6 4 年穆德曼解决了螺旋槽轴承的理论计算，并于1 9 6 6 年出版了螺旋槽轴承一书， 为发展螺旋槽机械密封奠定了基础【7 】。 1 9 6 8 年约翰克兰公司伽德纳研制并试验出网弧面螺旋槽非接触式机械密封，并获得 美国专利3 4 9 9 6 5 3 。1 9 7 9 年伽布利尔做出平面惠普尔螺旋干荫气体密封，并发表非接触式 螺旋槽端面密封原理的文章【71 。 对于干气密封较深入的研究始于1 9 6 9 年。于1 9 6 9 年在第四届国际流体密封会议上 发表用于非接触式端面密封的流体静动压混合原理。1 9 7 4 年获热变形与力变形补偿的气 体端面密封美国专利3 8 0 4 4 2 4 。1 9 8 0 年塞德提出自定中心原理，发表螺旋槽气体密封稳 定性用自定中心新机理和加强流体动压效应改进可控浮动膜气体密封两篇文章，并获自 定中心螺旋槽密封美国专利4 2 1 2 4 7 5 7 1 。 干气密封开始主要是为压缩机设计的，1 9 7 4 年螺旋槽气体润滑机械密封首次成功应 用于炼油厂的透平膨胀机上。随着现代工业迅速发展，气体非接触动j i 气体端面密封被 广泛用于压缩机、蒸汽透平以及高速高压流体机械中。1 9 7 0 - - 1 9 8 9 年约翰克兰公司先后 研制出2 8 型下气体密封以来，干气密封已经在循环氧压缩机、乙烯深冷和过饱和二氧 化碳高j l i 密封等工程领域运行多年。 幽内1 9 8 8 - 一1 9 9 0 年石油大学( 华东) 顾永泉、王建荣等首先研制和试验了泵入式 圆弧槽7e 体端l f l i 密封获我困h 家实用型专利9 2 2 0 3 1 5 9 2 m 叫。 干气密封n ：化l j 流程泵上的应川研究 1 9 9 0 年闩本横山英二首先研制了带巾间环双向螺旋槽端面密封，并获同特丌平 2 - 2 3 6 0 6 8 号利【7 1 。 1 9 9 1 年美围西乐公司巴苏等和几本伊格尔公司伊藤j f 伸、古贺忠等首先研制了径向 直线槽7e 体端血i 密封和克兰公司生产b d 型双向的单、双梯形槽、倒t 形和倒v 形槽气 体端而密封i j 。 1 9 9 2 年美罔约翰克兰公司获美国双向气体端而密封专利0 9 0 7 1 2 和德同博格曼公司 诺索维奇和蔡斯等研制了d g s 型中间环圆弧槽舣向气体端面密封和径向直线槽、倒t 形、v 形槽和交叉圆弧槽等气体端【f i i 密封l 。 1 9 9 5 年闩本伊格尔公司首先生产了n f 9 0 0 系列斜平面双向气体端面密封。1 9 9 5 年 美国杜拉密泰列克公司生产：了泵用圆弧槽气体端面密封，可用做零逸出密封【7 1 。 随着对干气密封理论和试验研究的深入，这一技术得到进一步发展，现在已用于各 种难以密封的其它回转设备如反应釜、离心机、罗茨j x l 机、高速泵等。目前干气密封在 工业压缩机中的应用还存扩大，在目前新造的压缩机机组上，9 5 以上的密封采用了干 气密封技术。 1 9 9 1 年国内王玉明等成功研制了“八字”流体动压槽。1 9 9 6 年底第一台国产干气 密封在石油化工厂应用并获得成功。 困内开发成功“人”字形流体动压槽，已经成功用于循环氢气压缩机上。 干气密封的应用，过去我幽的离心式压缩机轴封基本上足随主机引进，有：机械密 封、浮环密封、机械密封与浮环组合密封、以及干气密封。 在固外，干气密封已经运行多年，我国大量使用干气密封还是在2 0 世纪9 0 年代初 期，进口的大型化肥装置中部分透平式j 。 i 缩机以及大型高压离心泵，开始采用以英闺 j o h nc r a n e 的2 8 型为代表的十气密封，替代了传统的迷宫式密封和接触式机械密封。如 河南中原、辽宁锦两、重庆建峰化肥装置中的c 0 2 上i i 缩机组高压缸就采用了j o h nc r a n e 的2 8 a t 型单端面干气密封；内蒙化肥厂、兰州化肥厂、乌鲁术齐化肥厂的c 0 2 压缩机 组高压缸也采用了类似2 8 型的干气密封。9 0 年代同期引进的天华、海南、九江、内蒙、 兰9 、l l 化肥装置中离心式高压液氨泵还采用了j o h nc r a n e 的2 8 v l 型串联式干产e 密封。 现在我凼的离心式压缩机上使用的干气密封，小部分仍从国外公司引进，如从英幽 j o h nc r a n e 公司、d r e s s e r r a n d 、f l o w s e r v e 、b u g g m a n 公司等引进。多年来 幽内加大了对于气密封理论研究0i ：程f ：发进程，使干气密封阳逐渐凶产化迈进了一大 步。一是将引进的机械密封、浮环密尉、机械密封一一浮环组合密封改造成f 气密封； 二是丌展自行设计、伟- u 旭 l ll ：气密封，为离心式压缩机配套；i 是义寸引进f 气宓1 1 | 封的不合 人连理l ：人学专、l k 学f 妒颂十学位论文 理之处进行改造。国产化的干气密封都逐步应用于工业生产中，并在生产中收到了良好 的密封效果，近几年来阁内的干气密封发展很快。 目前圜内对于干气密封的研究还在继续深入，研究的内容主要体现在：干气密封理 论研究与试验研究、密封结构优化、控制系统逐步完善、密封端面的流体动压槽型及参 数研究、流体动压槽丌槽工艺研究、密封新材料开发及材料性能改善、辅助密封圈的结 构设计优化以及提高制造技术等多方面。 实践证明，干气密封在很多方面都优越于普通接触式机械密封。由于干气密封属于 非接触式密封，特别适合作为高速、高j f i 条件下的大型离心式压缩机轴封。干气密封的 出现，是密封技术的一次革命，解决了以往气体密封受到密封润滑油限制的问题，因为 干气密封本身所需要的气体控制系统比接触式密封的油系统要简单得多。 另外，干气密封的出现，也改变了传统的密封观念，即：将干气密封技术和阻塞密 封原理有机结合，“用气封液或用气封气”的新观念替代了传统的“用液封气或用液封 液”的观念，可保证任何密封介质对大气实现零逸出，这就使干气密封在旋转轴用轴封 领域有着f l 阔的发展前景。 干气密封的应用，除了应用于离心式压缩机外，干气密封在离心泵、离心机、罗茨 风机、带搅拌的反应釜上也大量采用。 气体密封端面槽型的开发，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。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。干气密封已经成为回转 式气体压缩机最常用的密封。为了适应不同的：【艺条件，干气密封端面槽型的丌发对干 气密封的应用起着重要作用。 经过多年的研制、丌发应用，干气密封端面的流体动j k 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：单旋向型与双向型槽。 单旋向型见图1 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。 f 气密封住化ij 流桦泵上的戍川研究 。行 心 i 。悠 乡 飞、 酞一 f i 4 铲忿 h 固 匙 q 一 己少 盯 鬈夕谤 a 囊旋槽bv 型擅c囊式挂d人键 图1 1单向槽掣密封端面 f i g 1 1s e a lc o n t a c tf a c ew i t hu n i d i r e c t i o n a lg r o o v e 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。 单向槽叮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。 双旋向型见图1 2 ，如：t 形槽、径向槽、枞树型槽、双螺旋槽等。此外，b u r g m a u n 开发了u 型槽，我国成都一通公司丌发研制了“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 彤槽、枞树形槽等双向槽 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。 燕向 ，、 a 承匐t 型槽 麓向 麓i t 麓l t l ，、 譬八 一时 。心一 吣 b 径向檀ct t 树t t d 础i l l s i ：t 恪il 2舣向槽1 1 密封端l h i f i g 1 2s e a lc o n t a c tf a c ew i t ht w o w a yg r o o v e 连理1 ：_ 人学专业学位硕+ 学位论文 1 2p 3 0 3 离心泵及其原机械密封简介 p 3 0 3 泵是中幽石油吉林石化分公司厂苯酚装置核心设备之一，装簧中此位号殴备 有三台，正常运行时两丌一各。在工艺流程中的主要作用是为分解提供移出反应热循环 物料，系统要求循环物料量刁i 低于9 0 0 甜h 。该泵s a n w a h y d r d t e c h 公司生产， 泵原轴封采用的进口双端面机械密封，使用寿命较短，一般只有两三个月时r j ，已经严 重影响了装置的正常运行。 p 3 0 3 泵的主要技术性能参数如下： 介质：苯酚、丙酮、异丙苯、过氧化氢异丙苯 进口流量： 7 2 8 nm h 吸入压力：n 0 6 7 m p a 撵出压力：0 5 0 6 m p a 温度：6 3 1 2 0 主轴转速：9 8 5 r p m 旋向：离心顺时针( 从驱动方向看主轴) 电机功率：1 3 2 k w 轴径：密封处1 0 8 m m ( 与干气密封轴套配合处的轴径) p 3 0 3 泵属离心泵，在苯酚装屠巾为分解循环泵，给分解提供循环物料，现场共有 i 台设备，。f 时两丌一备，具体结构见设备结构图13 。 “ 幽13p 3 0 3 离心泵垃蔷结构凹 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f p 3 0 3c e n t r i f u g a lp u m p 干气密封在化l ：滔0 程泵上的麻j i 研究 原p 3 0 3 离心泵机械密封为双端而背对背多弹簧式结构密封，具体结构见图14 闰l4p 3 0 3 泵m i 机械i f 封结构削 f i g1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f o r i g i n a lm e c h a n i c a ls e a ls t m c t u r ef o rp 3 0 3p u m p 13p 3 0 3 离心泵存在问题分析 p 3 0 3 泵的问题分析主要有以下几方面： ( 1 ) 机械密封泄漏影响装黄连续开车 p 3 0 3 为苯酚装置中的重要的分解循环泵，泵机械密封泄漏常常导致连锁停车，使 装置连续生产受到影响，从而影响装置的能耗、物耗及安全e 产。 ( 2 ) 机械密封泄漏影响环境卫生及安伞 p 3 0 3 泵所打物料中有苯酚、丙酮、异丙苯、过氧化氢异丙苯，这些物料毒性巨大， 气味浓重，而且均是油性，一旦泄漏对环境卫z k 破坏严重。另外，过氧化氢异山幕遇氧 有爆炸的危险，所以泄漏也严重威胁安全_ 二产。 ( 3 ) 频繁更换机械密封容易损坏泵的其它部件 人迮理i ：人学专业学f 妒硕一fj 学位论文 每次更换p 3 0 3 机械密封，都要对泉吊装拆解，极易对泵的其它部化造成负面影响， 从而影响泵的运行。 ( 4 ) 支出费用高 每次p 3 0 3 泵检修直接损失都在5 万元以上，装置1 2 小时不产出的i 日j 接损失达1 0 万元，所以每次检修代价很高。 1 4 研究课题的提出 针对p 3 0 3 泉原机械密封存在的问题，为了提高该泵运行的町靠性和稳定性，保证 机组和装胃的长周期安全运行，提高装置的运行水平和经济效益，。中困石油吉林石化分 公司染料厂与成都一通密封有限公司合作进行p 3 0 3 泵密封改造成干气密封的研究与应 用，以彻底解决困扰该泵长周期运行的轴封问题。基于这种情况，本研究论文对p 3 0 3 离心泵十气密封结构和密封性能进行理论和实验研究工作。 1 5 改造的可行性分析 干气密封技术由英国克兰公司率先推出，于上世纪7 0 年代应用到工业上。实践 证明，干气密封性能可靠、经济效益好。 合作公司( 成都一通科技有限公司) 设计、制造的干气密封已经成功用于离心 式压缩机、离心泵以及反应釜等很多台石油化工设备上，可为本研究提供了宝贵的经验。 干气密封住化l ：流样泵上的应川研究 2p 3 0 3 泵干气密封的结构型式和密封原理 2 1 干气密封的基本结构 用于离心泵的下气密封，其结构与普通机械密封基本相同，主要由动环与静坏组成 的密封副、弹簧和辅助密封圈等元件组成。它的最人特点是，在静环( 或动环) 密封面 上部分地区加工出均匀分布的浅槽，其槽深为l am 量级。干气密封运转时，借助流体动 压效应( 由于动环旋转，托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) 使密封端旺i j 处于非接触状态，密封端面有约3 微米的卢e 体薄膜。 干气密封端面加工有螺旋形浅槽，其基本结构见图2 1 。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 与底径d g 之i u j 的部分地区加工出如图所示 的产生流体动压效应螺旋槽( 流体动压槽) 。在螺旋槽之l u j 的甲台称为密封堰，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 g 与环内径d 1 之问称为密封 坝，密封坝的作用是保证螺旋槽产生足够的流体静压力，同时保证密封在静止时不发 生泄漏。也就是 兑：流体动压槽起着泵送作用，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、动雎承载能力， 阻l ：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，这种端面密封实质卜是由轴承部分( 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蝶旋线两种。p 3 0 3 泉干 气密封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。 其螺旋线的矢径为： ，= r g p 口一协”“ ( 2 1 ) 式中： 如槽底半径，m m ；口为椅角，即流槽切线与网周切线的火角，为18 0 ； 为转角i j 。 人选婵i ：人学号业学何硕l j 学位论文 卺r 嘈 r 密对坝 酝柚 图2 1 干气密封静环端向的结构 f i g 2 1d r yg a ss e a lp e g _ s i d es t r u c t u r e 2 2 干气密封的作用原理 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。由于气体的黏度很小，需要依靠强有力的流 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。 干气密封在运转时，工艺流体沿动压槽进入密封端面，当作用于补偿环上的压紧力 与推开力达到甲衡，即流体动压槽产生的密封气体动压力、端面密封气体静压力、补偿 环密封圈与旋转轴的摩擦阻力、弹簧元件压紧力达到平衡时，在动、静环摩擦副之叫形 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 与静环密封端面分丌，称为丌启力凡。形成开启力的气体压力实际上足进入端面问气体 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，而动压力弓端面 旋转速度有关。 作用于补偿环一卜的介质力和弹簧力足使动环与静环紧密贴合的力，称为闭合力丘。 补偿环与补偿环密封圈的微量轴向运动所产卜摩擦阻力也有一定影响( 补偿环密封 圈的变彤量应当设计恰当，如果密封幽摩擦阻力太大，将影响密封端而动爪膜形成) 。 其摩擦阻力的方向取决于补偿环的运动趋势。 于气密封征化l ：流样泵i ：的戍川研究 端嘶旋转速度达到一定值，开启力r 与闭合力f 相相平衡，流动的气体在动、静 环的防个密封断i 自j 形成一层很薄的气膜，端血形成非接触状态，f 常情7 兕1 f ，端面气体 膜厚度在3 微米左右。气体动力学表明，当于气密封两端面f 1 1 j 的【_ l j 隙在2 3 微米时， 通过j 白j 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，义起到摩擦 副的润滑作用。 干气密封在静i ：状态，当密封腔内存在介质压力的情况f ，作用在动、静环一k 的闭 合力是密封气体静压力和弹簧力，保 j f 动、静密封而紧密贴合，防止泵处于停车状态时 的气体泄漏。 当受到外来因素干扰，端面问隙减小、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，使r f o ，为保持力的平衡，密封恢复到原来的f u j 隙。 只要在设计范围内，当外朱干扰消除后，密封总能恢复到设计的工作l u j 隙，使干气 密封稳定运行可靠p 。 气膜刚度( n m m ) 足衡量十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。 干气密封没计，就足以获得最人的，e 膜刚度为目的。 2 3 干气密封的特点 干气密封依靠介质静压、弹簧力和流体动力装置在动、静密封面之f h j 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f n j 隙和浮环密封的油膜厚度，但大于 接触密封的液膜厚度，凼此泄漏量处于机械密封与迷宫、浮环密封的泄漏率之间。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。十气密封以端面密封为主。 螺旋槽干气密封只是干气密封中的一种典型结构型式。 干气密封的特点由于干气密封( 气膜密封) ，是依靠几微米的气体薄膜润滑的机 械密封。是一种新型的、先进的旋转轴密封，具有以下特点： ( 1 ) 省去了昂贵的润j 于油设备。 ( 2 ) 摩擦剐r f l 密封i f i i f i 白i 接接触、避免了摩擦，所以密封曲基本没有磨损。 人迩理l ：人学专业：学何硕十学f 节论文 ( 3 ) 与其它密封相比，干气密封具有泄漏量少的优点。干气密封依靠介质静压、 弹簧力和流体动力装置在动、静密封面之间产生并维持一定厚度的气膜。牛成的这层膜 的厚度小于迷宫密封| 、1 1 j 隙和浮环密封的油膜厚度，但大。j 二接触密封的液膜厚度，冈此泄 漏量处于机械密封与迷宫、浮环密封的泄漏率之问。 ( 4 ) 干气密封可以做到介质对大气的零泄漏。 ( 5 ) 被密封介质不受润滑油污染。 ( 6 ) 密封寿命长、能耗低，操作简单可靠，设计小同的密封结构可适用于不同转 速、不同压力的气体密封。 2 4p 3 0 3 泵干气密封结构的确定 ( 1 ) 泵用干气密封常用结构型式 常用的泉用干气密封结构有：双端面干气密封结构、串联式干气密封。 双端面干气密封该密封由两组面对面或背靠背的单端面干气密封可以组成。理 论上双端面干气密封可用于所有的离心泵上。但干气密封腔中间必须通入密封气，其压 力应高于被密封介质的压力。密封气将密封介质与大气隔丌，被密封介质不会直接泄漏 到大气。由于密封气的压力必须高于彼密封介质，必然存在少量密封气泄漏到介质中去 和泄漏到大气中。面对面布置的双端面干气密封结构见图2 2 。 一- ：二- 竺 图2 2 舣端面干气密封 f i g 2 2d o u b l e s i d ed r yg a ss e a l 串联广气密封图2 3 为串联干止_ i c 密封；该十气密封内侧采刚平衡型机械密封， 外侧采用非接触式的干卢e 密封。机械密封为主密封，干气密封为次密封。干气密封作用 为：提高 密封的背压，防止端面汽化、减小密封t f l i 的磨损，极大地延长了土密封的使 r 懈封在化r “勰泵上的麻 究 用寿命；当主密封失效时，十气密封以起到备用密封的作用，防止意外事故的发生； 主密封泄漏出的介质随氮气排入火炬，防止危险气体直接进入大c ，避免了安全隐患同 时起1 4 环保密封的作用。 i 鬻震。 ，：j ，7 ，杉一，麓浏陵斟弦卜 ( 2 ) p 3 0 3 泵用于气密封结构 p 3 0 3 泵用十气密封结构 幽23 串联十气密封 f i g2 3 t a n d e m d r y g a ss e a l 人近理1 人学专业学似硕1 。学住论文 照碧些鹫 l j 堍每吒面毋7 脚24p 3 0 3 泵干气密封结构 f i g2 4 p 3 0 3d r y g a ss e a l $ 1 r u c t l l t g p 3 0 3 泵所处理的介质是苯酚、丙酮、片丙苯等液体压力不高转速约9 8 5 转分。 同时现场可提供高于介质压力的稳定的氮气源，工艺允许微量的氮气进入；对比上述 几种干气密封结构，结合p 3 0 3 泵具体工作条件，该泵轴封型式设计为双端面干气密封， 其结构见结构简图2 4 。千气密封的动环端面丌有螺旋型流体动压槽。 p 3 0 3 泵千气密封结构特点 p 3 0 3 泵干气密封结构具有以下特点： 无密封油污染工艺介质由于干气密封系统不采用密封油，可以完全杜绝密封油进 入工艺系统，消除了原机械密封有密封油进入工艺系统的安全舱患。 工艺介质零泄漏，属于环保型密封垓密封采用“气体阻塞”将代传统的“液体阻 塞”原理，保证工艺介质的零泄漏。 密封为旋转式小弹簧结构千气密封设计成旋转式结构，密封结构简单，小弹簧作 川在密封端面的弹簧力在圆周上分枷均匀。因为p 3 0 3 泵转速不高受离心力影响也不 太大。 密封系统简单、操作方便、易十控制p 3 0 3 泵卜气密封需要的辅助系统比原机械密 封f l 勺密封油系统简单，操作方便，易于控制。 密封端面无磨损、使用寿命k 欧下气密封运行时密封端面水缸接接触，无摩擦、 磨损，摩擦功耗低寿命k 一般为3 午以上。 丁气密封n ：化i ：流稗泵i - f f ：j 应川硼f 究 干气密封设计时未改变原密封腔尺寸将机械密封改造为叔端面十二气密封，未改变 原密封腔体的结构孑尺寸，充分利用原机械密封的安装窄问。 ( 3 ) p 3 0 3 泵下气密封的密封材料选择 密封材料是保证密封f 常运行和足够寿命的重要条件，当泵用f 气密封结构确定之 后，摩擦副、弹簧、密封圈等密封元件材料的选择至关重要，在某些工况卜还往往成为 解决密封i 、u j 题的技术关键。密封元件尤其足摩擦剐材料的选择足复杂的。密封元件材料 确定需求根据密封的具体工况条件。针对p 3 0 3 泵工况，选择的干气密封元件材料如下： 动环：反应烧结碳化硅 静环：浸渍锑碳石墨 密封圈：介质侧静密封圈p t f e介质侧动密封圈：全氟橡胶 大气侧密封圈：氟橡胶 弹簧：3 1 配 摩擦副材料选择：摩擦副山动环与静环组成，足干气密封关键亡件。 对材料的丰要要求： 耐介质的腐蚀、耐热与抗热裂性能好、导热性系数高，热膨胀系数小； 能承受短时f h j 的干摩擦； 动环材料能承受旋转时离心力的作用； 动、静环配对时摩擦相客陛好。 针对p 3 0 3 泵干气密封的具体工艺条件，其摩擦副材料采用碳化硅与浸锑碳石墨组 对。碳石墨作静环。碳化硅作动环，碳石墨具有较高的导热性、较低的热膨胀系数、良 好的耐腐蚀性能、极好的自润滑性能。碳石墨与碳化硅组对有良好摩擦相容性( 碳石墨 减摩、碳化硅耐磨) 、摩擦系数小、能承受短时问的干摩擦。 弹性元件材料：选材时主要考虑，耐介质腐蚀、工作条件卜不会产生永久变形、保 持弹性。 密封圈材料：选择时主要考虑在工作温度卜耐介质腐蚀与弹性补偿性能。 人迮理l i 人学专业学位硕十学f 移论文 3p 3 0 3 泵干气密封的受力分析和密封性能计算 3 1 干气密封的受力分析 干气密封运转时，摩擦面受力分析如图3 1 所示。山图3 1 可以看出，j 卜常：r ：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。 例合刀 c f f 目目 闭合力fc 丁卞 目目 闭合力fc f r 目 气膜间隙0 00 3 mm 弹簧力+ 静压力 3 1 1 闭合力分析 开启力f0 一广 开启力f0 p 耳 一l 二)二 一 ，二 7 气膜压力分布 劁3 1 泵用干气密封受力分析图 f i g 3 1 f o r c ea n a l y s i so fd r yg a ss e a l c = f 叩。+ 户0 。+ = p 2 r c ( r ；一r ；) + p 万( 一尺；) + 式巾： f t 。由外径r 2 处介质压力p 2 产生的闭合力； 正常工况 fc = f0 f - i 隙减小 fc ( f0 间隙增大 fc f0 ( 3 1 ) 圉。圉豳一豳 下气街土寸住化i ：流程采i ：的戍川研究 e p ，由内径尺1 处介质压力p l 产：生的闭合力； 只o “弹簧产生的闭合力； 如密封的平衡半径； 3 1 2 开启力分析 丌启力卜h 螺旋槽部分流体膜的j f ：启力和密封堰部分流体膜的丌启力组成， 可以通过计算流体膜压力的分御，在整个密封面上的积分而获得，即： r = f ：i r i 2 p ( r ) 2 z c r d r 当风r r g ( 螺旋槽部分) 时，p ( 力可以按下式积分求得： 一d p ：一6 c o l a ，一鱼堡丝! ! ! ! 墨! d r h 2 , s j z c r p ( h + h g ) h 2 9 s 当r g ，尺2 ( 密封堰部分) 时，p ( 力可以按下式积分求得： a p6 g t d r 7 曲! 该丌启力 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 3 1 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t 作l 、h j 隙，密封，f ：始正常运转。 3 2 p 3 0 3 泵干气密封的性能计算 3 2 1 结构参数和特性 密封血内外半径比r = r 见= o 7 8 4 8 1 密封面平均半径 r 。= 0 0 7 0 5 m 槽数 甩。= 18 槽角口= 18 。 椭深h 2 = 7 5 , u r n 堰槽( 周向) 宽比 7 = a 。a 。= 1 0 惜嘶( 径向) 宽比 b g = b g b _ 厂= ( 尺2 一尺，) 6 ，= 0 5 4 4 人连理i ：人学专业学位硕十学何论文 坝面( 径向) 宽比 钆= 玩b = ( 尺g r 1 ) b 厂= 1 一b g = 0 4 5 6 膜厚比h = h ( h + h g ) = 0 3 3 密封面平衡比( 面积比) b = ( 腰一d ；) ( 唾一d i z ) = 0 6 2 7 螺旋槽广e 体端面密封的主要性能参数有： 泄漏量q 密封面压差 胁 转数 咒 摩擦系数 厂 流体膜承载能力 肜 膜压系数 k 。= w ( p ，a f ) = p 。p ， 密封面载荷p = p g a ，= ( b p ，+ p 印) a 厂 载荷系数 k 亭= p ，( p ，一) = b + p 印p ， 功率消耗：r ，l ：至3 丝2 选4 二盟 1 8 0 0 h 流体膜轴向刚度 k ：= a w a h 3 2 2 工艺设计参数 密封面外径处压力p ，= o 8 m p a 密封面内径处压力p 。= 0 1 m p a 最大连续转速 n = 9 8 5 r r a i n 温度t = 6 3 1 2 0 。c 氮气动力粘度 温度， 一2 0 02 04 06 08 01 0 0 动力粘度，up a s 1 5 7 51 6 61 7 4 81 8 3 5 1 9 2 52 02 0 8 2 气体常数 ，= 8 3 1 0 2 9 j ( k g 。k ) 。1 3 2 3 控制方程 ( 1 ) 假设条件 连续、完全的气体流动； t | 气密封住化i ：流科泉i - f i “j 麻川 i j f 究 密封气膜中的气体作层流运动，而且符合牛顿粘性定律，属于牛顿流体； 等温等粘条件：密封非接触，热量产牛非常少，忽略气体温度和粘度的变化； 气体分子与密封表面无相对滑移； 忽略气体的惯性力和体积力； 另外，对于密封环和密封系统结构，再作如卜假设： 密封为刚性端面。密封环材料的弹性模量高、刚度大，忽略密封环变形对气体 流动的影响； 密封的对中性好，忽略在工作过程中系统扰动和振动对气膜流场的影响； 密封端面谁常光滑，忽略密封端而半 i 糙度对气膜流场的影响； ( 2 ) 基本方程 干气密封的理论基础源于螺旋槽推力轴承，气体产生的动压效应服从雷诺方程，目 前对雷诺方程求解的有效途径足采用数值方法，通常采用差分法或有限亡法。雷诺方程 的一般形式足： v p h 3 0 2 ) 跏】- v ( p h v 2 ) 考虑理想气体，则p = p a ( 其中c 【为常数) 则气体雷诺方程可改写为： v p h ，( 1 2 , u ) v p = v ( p y 2 ) 对上式进行无量纲化，设： x = x r o ，y = y r o ，p = p p o ，h = h o ，u = u u o ，v = v u o 整理后无晕纲的气体雷诺方程为： v ( p h 3 即) = a v ( p h v ) 其中：人= 6 u 。r o ( h 。2 圪) p 无量纲压力 无鼍纲气膜厚度 u 、卜无量纲速度分量 x 、y r - 一无量纲 丝标系 尺2 密封环的外半径，m m p 2 密封工作的环境压力，m p a 密封嘶问的设计气膜厚度，m 密封内径处的线速度，m s 人迕理i ：人分业学位硕十学位论文 “气体动力粘度，p a s p 气体密度，k g m 3 利用已知的边界条件： r = r 2 时，p 7 2 r = r 1 时，p = l 用有限元分析法对v ( p h ，v p ) = a v ( p h v ) 进行分析，可