（机械工程专业论文）卧式离心机干气密封技术改造及其应用研究.pdf

工程硕l ：学位论文 摘要 卧式螺旋沉降式离心机m 3 0 1 是中国石油天然气股份有限公司兰州石化分公司石油 化工厂7 万吨年的高密度聚乙烯装置的关键设备，其能否长周期运转对装置的正常运行 影响巨大。该设备原轴封采用双端面机械密封。自投用以来，m 3 0 1 离心机由于机组本 身的条件限制，密封使用情况一直不理想，平均使用寿命只有半年，严重的影响了装置 的正常运行，更为重要的是，由于密封的泄漏，给生产安全带来巨大隐患。 针对双端面机械密封在卧式螺旋沉降式离心机m 3 0 1 上使用存在的问题，经过对国 内外离心机密封技术的调查了解，采用于气密封技术对该设备轴封系统进行改造，以实 现设备长周期运转的目标。本课题主要从以下几个方面开展研究工作：1 、进行干气密 封结构优化设计、计算，材料选择；2 、干气密封监控系统设计；3 、干气密封、干气密 封监控系统加工；4 、干气密封、干气密封监控系统实验室试验；5 、干气密封、干气 密封监控系统现场安装调试。 通过对离心机机械密封的改造，可以解决卧式螺旋沉降式离心机m 3 0 1 的泄漏问题、 消除安全隐患、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；同时也为同行生产线的离心机密封改造提供有益经验，为干气密封技术的进 一步扩展应用开辟新的空间。 关键词：干气密封卧式离心机改造应用研究 卧式离心机干气密封技术改造及其应用研究 a b s t r a c t t h eh o r i z o n t a ls p i r a ls u b s i d ec e n t r i f u g a lm a c h i n em 3 0 1 ，ac o r ep a r to ft h eh d p e d e v i c e ( 7 0t h o u s a n d st o np e ry e a t ) ，i n f l u e n c e st h ew h o l eo p e r a t i o np 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 s b e i n gu s e db yl a n z h o up e t r o c h e m i c a lc o m p a n yo fc n p c t h e e q u i p m e n tu s e dt h ed o u b l e s i d em e c h a n i c a ls e a lp r e v i o u s l y b u tt h ef u n c t i o no fm 3 0 1w a s n t s a t i s f a c t o r ys i n c ei ts t a r t e dw 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 fay e a rn o r m a l l y , a f f e c t e d t 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 et 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 e d i s a s t r o u si n c i d e n t s 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 lt 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 e 咖g 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 t h en e wr 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 d a s p e c t sm a i n l y ：1 ) o p t i m i z et h ed e s i g n ，c a l c u l a t i o na n dm a t e r i a ls e l e c t i o no fd r yg a ss e a l s t r u c t u r e ；2 ) 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 ；3 ) p r o c e s sd r yg a ss e a la n dd r y g a s m 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 la n dd r yg a ss e a lm o n i t o rs y s t e m ；5 ) o n t h e s c e n e i n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n g 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 m 3 01h a db e e ns o l v e d a l s ot h en e we 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 i f y i n ga l s op r o v i d e st h ee f f e c t i v ee x p e r i e n c e sf o r t h ep e o p l eo fs a m ep r o f e s s i o n w es u m m a r i 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 s f r o mr 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 dr 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 e d r y - g a ss e a l i n gt e c h n i q u ea l s o k e yw o r d s ：d r yg a ss e a l ，h o r i z o n t a lc e n t r i f u g a lm a c h i n e ，a l t e r , a p p l i c a t i o nr e s e a r c h t 程硕l 二学位论文 插图索引 图1 1 双环带螺旋槽密封环3 图l 一2m 3 0 1 离心机设备结构简图4 图1 3m 3 0 i 进、出料端机械密封结构图5 图1 4m 3 0 1 进料管机械密封结构图5 图2 1 干气密封结构示意图9 图2 2 干气密封端面动压槽简图9 图2 3m 3 0 1 干气密封受力分析图1 l 图2 4m 3 0 1 离心机干气密封结构图1 6 图2 5 干气密封端面压力分布计算程序框图2 l 图2 6 干气密封端面螺旋槽结构参数优化计算程序框图2 2 图2 7h b 8 4 8 2 4 平均气膜反力随膜厚变化曲线2 5 图2 8h b 8 4 8 2 4 气膜承载能力随膜厚变化曲线2 6 图2 9h b 8 4 8 2 4 泄漏量随膜厚变化曲线2 6 图2 1 0h b 8 4 8 2 4 摩擦扭矩随膜厚变化曲线2 7 图2 1 1h b 8 4 8 2 4 摩擦功耗随膜厚变化曲线2 8 图2 1 2h b 8 4 8 2 4 摩擦系数随膜厚变化曲线2 8 图2 1 3h b 8 4 8 2 4 平均气膜反力随压力变化曲线2 9 图2 一1 4h b 8 4 8 2 4 气膜承载能力随压力变化曲线3 0 图2 一i 5 h b 8 4 8 2 4 泄漏量随压力变化计算数据3 0 图2 一1 6h b 8 4 8 2 4 摩擦扭矩随密封气压力变化曲线3 l 图2 一1 7h b 8 4 8 2 4 摩擦功耗随密封气压力变化衄线3 2 图2 一1 8 摩擦系数随密封气压力变化曲线3 2 图2 一1 9 气膜厚度随转速变化曲线3 3 图2 2 0h b 8 4 8 2 4 平均膜压反力随转速变化曲线3 4 图2 2 1h b 8 4 8 2 4 气膜承载能力随膜厚变化曲线3 4 图2 2 2h b 8 4 8 2 4 泄漏量随转速变化曲线3 5 图2 2 3h b 8 4 8 2 4 摩擦扭矩随转速变化曲线”j 3 6 图2 2 4h b 8 4 8 2 4 摩擦功耗随转速变化曲线3 6 图2 - - 2 5h b 8 4 8 2 4 摩擦系数随转速变化曲线3 7 图2 2 6 气膜反力随密封温度变化曲线3 8 图2 2 7 气膜承载能力随密封温度变化3 8 图2 - - 2 8 泄漏量随密封气温度变化曲线3 9 图2 2 9 摩擦扭矩随密封气温度变化曲线3 9 图2 3 0 摩擦功耗随密封气温度变化曲线4 0 图2 3 1 摩擦系数随密封气温度变化4 1 图3 1m 3 0 1 离心机干气密封控制系统4 3 图4 一l 密封试验装置布置简图4 4 图4 2 静止条件下泄漏量随压力变化曲线4 6 图4 3 密封气压力为4 5 b a r g 条件下，泄漏量随转速变化曲线4 7 图4 4 转速在1 4 0 0 r p m 时，泄漏量随密封气压力变化4 7 i i i 卧式离心机干气密封技术改造及其应用研究 附霰索号l 表1 1 离心机密封油的流量6 表2 1m 3 0 1 干气密封结构参数数据表2 3 表2 - - 2m 3 0 1 干气密封性能计算结果2 4 表2 3h b 8 4 8 2 4 平均气膜反力随膜厚变化计算数据2 5 表2 4h b 8 4 8 2 4 气膜承载能力随膜厚变化计算数据2 5 表2 5h b 8 4 8 2 4 密封泄漏量随膜厚变化计算数据2 6 表2 6h b 8 4 8 2 4 摩擦扭矩随膜厚变化计算数据2 6 表2 7 摩擦功耗随膜厚变化计算数据2 7 表2 8 h b 8 4 8 2 4 摩擦系数随膜厚变化计算数据2 8 表2 9h b 8 4 8 2 4 平均气膜反力随压力变化计算数据2 9 表2 1o 气膜承载能力随压力变化计算数据2 9 表2 1 lh b 8 4 8 2 4 泄漏量随压力变化计算数据3 0 表2 1 2h b 8 4 8 2 4 摩擦扭矩随密封气压力变化计算数据3 l 表2 一1 3h b 8 4 8 2 4 摩擦功耗随密封气压力变化计算数据3 l 表2 1 4h b 8 4 8 2 4 摩擦系数随密封气压力变化计算数据3 2 表2 1 5h b 8 4 8 2 4 气膜厚度随转速变化曲线3 3 表2 一l6h b 8 4 8 2 4 平均膜压反力随转速变化计算数据3 3 表2 一l7h b 8 4 8 2 4 气膜承载能力随膜厚变化计算数据3 4 表2 1 8h b 8 4 8 2 4 泄漏量随转速变化计算数据3 5 表2 一1 9h b 8 4 8 2 4 摩擦扭矩随转速变化计算数据3 5 表2 2 0h b 8 4 8 2 4 摩擦功耗随转速变化计算数据3 6 表2 2 lh b 8 4 8 2 4 摩擦功系数转速变化计算数据3 7 表2 2 2 气膜反力随密封温度变化计算数据3 7 表2 2 3 气膜承载能力随密封温度变化计算数据3 7 表2 2 4 泄漏量随密封气温度变化计算数据3 8 表2 2 5 摩擦扭矩随密封气温度变化计算数据3 9 表2 2 6 摩擦功耗随密封气温度变化计算数据4 0 表2 2 7 摩擦系数随密封气温度变化计算数据4 0 表4 1 静止条件下泄漏量随压力变化数据4 5 表4 2 密封气压力为4 5 b a r 条件下，泄漏量随转速变化数据4 6 表4 3 转速在1 4 0 0 r p m 时，泄漏量随密封气压力变化数据4 7 i v t 程硕一 ：学位论文 皇曼曼量曼皇曼曼量曼曼曼鼍i i 量曼曼曼曼曼量曼曼量量曼曼曼曼量曼曼吕置璺舅邑曼 茗二 第1 章绪论 1 1 干气密封技术发展及现状 1 1 1 干气密封技术发展历程 干气密封是一种新型的非接触式机械密封。干气密封的概念是六十年代末期从气体 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。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问题( 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。 1 9 6 8 年约翰克兰公司伽德纳研制并试验出圆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 。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 年热变形与力变形补偿的气体端面密封获美国专利 3 8 0 4 4 2 4 。1 9 7 0 - 1 9 7 5 年约翰克兰公司做出平面螺旋槽非接触式气体端面密封，并在现 场应用。 1 9 7 9 年伽布利尔做出平面惠普尔螺旋槽气体密封，并发表非接触式螺旋槽端面密封 原理的文章。该文章s t l e 作为重要文章于1 9 9 4 年重新又在润滑工程杂志上发表。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 。 1 9 7 0 1 9 8 9 年约翰克兰公司先后研制出2 8 型干运转气体密封，在现场用于第一台 涡轮膨胀机、射流压缩机、北海近海平台无油润滑管路压缩机( 螺旋槽密封与磁力轴承 结合) 、循环氢压缩机、乙烯深冷和过饱和二氧化碳高压密封等。后来还研制了用于泵 用2 8 0 0 和2 8 0 0 e 系列干运转气体端面密封。 国内1 9 8 8 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 圆弧槽气体端面密封获我国国家实用新型专利9 2 2 0 3 1 5 9 2 。 1 9 9 0 年日本横山英二首先研制了带中间环双向螺旋槽端面密封。并获日特开平 2 - 2 3 6 0 6 8 专利。1 9 9 1 年美国西乐公司巴苏等和日本伊格尔公司伊藤正伸、古贺忠等首 先研制了径向直线槽气体端面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 形槽气体端面密封。1 9 9 2 年美国约翰克兰公司获美国双向气体端面密封专利 l 卧式离心机干气密封技术改造及更廊用研究 0 9 0 7 1 2 和德幽博格曼公司诺索维奇和蔡斯等研制了d g s 型中间环圆弧槽双向气体端面 密封和径向直线槽、倒t 形、v 形槽和交叉圆弧槽等气体端面密封。1 9 9 5 年日本伊格尔 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。 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，它主要用于管线、 海洋平台、炼油厂、石油化工行业等，适合于任何输送气体的系统，也适合于输送液体 的系统。由于干气密封属于非接触式密封，基本上不受p v 值的限制，因此，干气密封 特别适合作为高速、高压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 实现零逸出，这就使干气密封在旋转轴用轴封领域有着广阔的发展前景。 1 1 2 干气密封技术应用现状 尽管在国外，干气密封已经应用多年，但在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压缩机以及大型高压离心泵，开始采用 以英国j o h nc r a n e 的2 8 型为代表的干气密封，替代了传统的迷宫式密封和接触式机械 密封。由于应用之初，大家对干气密封的认识不够，出现异常情况后，没能及时排除干 扰因素，做出准确、及时的判断和处理，因此，普遍都出现过干气密封短期失效的设备 事故，究其原因，大部分都跟阻封气源介质不清洁或过滤精度不够有着直接的关系。后 来，经过事故的处理以及和兄弟厂家、制造厂商的多次技术交流后，大家重新对症下药， 并进一步改善了密封的运行条件，使干气密封运行非常良好。我厂新上的离心机生产线 和兰州石化大乙烯项目等许多进口设备都直接配备干气密封。国内自主开发的干气密封 也已经成功用于离心式压缩机、离心泵以及反应釜、离心机等很多台石油化工设备上， 同行生产线，如大庆石化、扬子石化离心机l w f 1 0 5 0 - n 机械密封已经成功改造成千气 密封，其中大庆b 线的已经连续运转2 0 多个月。干气密封技术已经成为现代密封技术 的一个重要发展方向。 1 1 3 干气密封的国产化研究 2 工程硕l ：学位论文 。| 笪蔓曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇舅曼曼窒鼍曼寡皇曼鼍鼍皇曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅鲁曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量 。2 0 世纪8 0 年代初，自从干气密封技术引进国内化工行业后，大大加快了我国研制 和开发干气密封的进程。一批有志之士着手进行干气密封技术的理论研究。1 9 8 8 - - 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气体端面密封。 1 9 9 1 - 1 9 9 4 年，国内一些机械密封生产厂家开始试制干气密封产品，并通过上机试 验合格后投放市场并获得成功。由天津鼎名密封公司发明和研制的第一台国产干气密 封，于1 9 9 6 年底在巴陵石化鹰山石油化工厂首次应用成功。此后，通过改造传统气体 密封的应用途径，使干气密封得到了进一步的推广应用。至今，我国已经开发出一系列 具有自主知识产权的干气密封产品，并在国际、国内拥有多项干气密封技术的发明专利。 目前，干气密封技术的研究、开发主要体现在两个方面。一方面，体现在提供流体 动压的槽型参数设计上，如圆弧槽、螺旋槽、t 形槽、v 形槽、u 形槽等。但目前应用比 较成熟的是，单向旋转采用的螺旋槽，双向旋转采用的t 形槽。单就螺旋槽的设计而言， 槽的型式、数量、长度、宽度以及距离中心的位置等等，都将视具体设计而定。特别值 得一提的是，天津鼎铭公司开发的双环带螺旋槽端面密封技术( 见图卜1 ) ，在美国、中 国均取得了2 0 年的发明专利权力，产品经过实际的测试，其性能已超过国外同类型的 干气密封产品。 另一方面，干气密封技术的研究、开发体现在以干气密封技术为依托，进一步改进 传统的浮环密封、接触式机械密封以及干气密封和传统气体密封技术的组合应用上。如 天津鼎铭公司将螺旋槽技术应用到对浮环密封的改造，即：在内浮环孔径表面刻上一组 特定螺旋槽，当轴运转时，螺旋槽对密封流体起 泵汲作用，阻止它向介质侧泄漏，从而巧妙地将 螺旋密封和浮环密封的优点结合在一起，把浮环 单纯的节流作用变成了主动泵送加节流作用，使 内漏大大降低。可以说，前者是对干气密封技术 内涵的深化，后者是对干气密封技术外延的进一 步扩展。 近年来，由于干气密封技术发展很快，已经 实现了计算机程序设计，随着材料的冶炼水平以 双环带螺旋槽结构密封环 及加工技术水平的不断提高，产品越来越成熟，可以说，在我国的石油、化工行业，干 气密封已经不再依赖于国外进口，而且正在推广应用到泵、反应釜、离心机等设备上， 3 卧式离心机干气密封技术改造及其应用研究 不仅用于密封气体，也用于液体介质。 1 1 4 机械密封与干气密封的比较 机械密封属于接触式密封，接触式密封指的是旋转密封面和静止密封面上保持接触 的密封。这种密封的泄漏率较低，但由于密封界面的磨损和摩擦生热，使其压力和转速 受到限制。为了冷却摩擦副和静止密封介质的外漏，通常也采取增加密封油( 阻油) 系 统，以密封油压力始终比介质压力略高来保证工艺介质不外漏，这个差压可以通过高位 油槽或差压调节阀来实施。缺点是：成本高，辅助循环和回收系统复杂，并且有可能对 介质和环境造成污染。 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问产生并维持一定 厚度的气膜。它最显著的特点就是摩擦副不直接接触，发热量小，几乎没有磨损量，具 有低能耗，使用寿命长，无需给油系统，可以改善转子系统的稳定性等优点，特别适用 于高速、高压、高温环境和不稳定工况下的气体密封。 1 2 问题的提出和课题研究目标 1 2 1m 3 0 1 离心机原密封出现的故障及其分析 ( 1 ) m 3 0 1 卧式离心机设备简介 图1 - 2m 3 0 1 离心机设备结构简图 m 3 0 1 离心机属卧式螺旋沉降式离心机，承担着将聚合工序送来的淤浆分离的任务， 分离出的聚乙烯湿饼送往干燥器、己烷母液返回循环使用，是装置中的关键设备。由于 物料分布的不均匀性，因此该离心机运转时振动较大。此前，该离心机组的进料端( 外 4 t 程硕十字位论文 壳与外转鼓) 、出料端( 外壳与外转鼓) 、进料管( 进料管与内转鼓) 的密封均采用双端面 机械密封。m 3 0 1 离心机设备结构简图见1 - 2 。 ( 2 )m 3 0 1 卧式离心机机械密封结构简介 m 3 0 1 离心机原机械密封主要结构特点是：双端面结构，多弹簧静止式结构可保证均 匀的弹力和运转平稳。密封结构见图1 - 3 、图1 - 4 。 磕 静环座静环动环弹簧0 型环 图1 - 3m 3 0 l 进、出料端机械密封结构图( h b 8 4 8 2 4 ) 、l 图1 _ 4m 3 0 1 进料管机械密封结构图( h b 8 4 8 2 6 ) 5 卧式离心机干气密封技术改造及其应用研究 ( 3 )m 3 0 1 卧式离心机机械密封监控系统简介 m 3 0 1 离心机输送的物料是聚乙烯粉料和己烷，属于易燃易爆介质。为了防止物料 泄漏，用工业白油当机械密封封液，同时白油可以带走转鼓轴承产生的热量和机械密封 摩擦产生热量。 离心机机械密封需要的流量如下： 表1 - 1 离心机密封油的流量 设计值l m ( 升实际值l h 小时) 进料端 1 8 0 3 6 0 4 0 0 出料端 l8 0 3 6 0 - 4 0 0 进料管 9 0 1 8 0 2 4 0 为维持白油的流量，机组配备有专门油站辅助设施。因机械密封存在微量泄漏，白 油的泄漏会使物料聚合，对下道工序烘干造成影响，同时为了防止白油突然泄漏且不能 及时补充而导致易燃易爆介质泄漏，必需要对白油压力、流量和温度进行监测，每套密 封设四个监测点，分别是密封进出口压力监测和进出口流量检测。系统设有两个报警点： 压力报警、流量报警；两个联锁：压力联锁、流量联锁。 ( 4 )存在问题分析 自1 9 9 6 年投用以来，m 3 0 1 离心机在实际运行中，机械密封内漏、外漏一直是困扰 装置稳定运行的问题。密封油内漏会污染产品，附着在后续干燥器列管上影响加热效果， 并容易形成塑化物，影响挤压造粒机的平稳运行；密封油外漏造成环境污染，介质外漏 还会带来安全隐患。目前，该设备机械密封使用最长达9 个月，最短1 个半月，平均寿 命半年左右，密封更换频繁，密封油消耗量较大( 最多时一月耗油量达1 2 6 0 升) ，同时， 由于密封的原因造成连续运行周期短，极大地影响了装置的正常生产。 分析造成机械密封寿命短的原因主要有两个：一是机组振动较大，振幅在1 0 0 i im 1 8 0l lm ，接触式密封在转动设备振动工况下，密封端面的流体润滑膜的工作性能会发 生明显的改变，工作状态的稳定性下降，使用周期较之稳态工况下的使用周期大大缩短。 二是介质中含有固体颗粒。由于机械密封摩擦副之间本身就存在着摩擦磨损，加上密封 流体含一定量固体颗粒，容易出现干摩擦状态，产生严重磨损，其结果必然使密封出现 6 t 程硕一 ：学位论文 早期失效。 1 2 2 研究课题的提出 长期以来，处理离心机密封故障时沿循着密封只有接触严密才能保证封严和不泄 漏，及“两个端面的接触运动摩擦产生摩擦热导出热量”这个传统的逻辑思维方 式，局限在改善密封运行条件和密封油的压力温度控制上考虑，但受机组本身的固有条 件的限制，处理问题的过程中难免走了弯路。是否可以逆向思维，采用接触不紧密 而实现封严呢，让两个旋转的端面由接触变为分离而保证不泄漏成为解决问题的 一个思路。 通过对密封技术发展的了解，对国内外同行先进技术的考察，干气密封的出现，是 密封技术的一次革命，它所具有使用寿命长、无介质泄漏、轴功率消耗小、运行稳定可 靠等优点，而且“用气封液 的方式避免了对后续工序的影响，完全可以解决m 3 0 1 离 心机存在的问题。原来干气密封的供应长期依赖于国外生产厂家，备件价格和供货周期 受到严重制约，而目前国内已经开发并生产同类型干气密封产品，如果干气密封改造成 功，将为企业挽回较大的损失，同时，可以为下步其它转动设备的密封改造工作提供可 行性论证。二麓 经本人提议，厂部讨论，同意立项实施m 3 0 1 离心机干气密封改造。因此，了解干 气密封的设计思路，验证国内关于干气密封设计的准确性，进一步分析工艺参数变化对 密封性能的影响，掌握干气密封的实验验证，便成为研究的课题。 1 2 3 改造的可行性分析 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 兰州石化大乙烯项目等许多等进口设备都直接配备的干气密封。国外的干气密封 结构设计与使用经验可以为本研究提供借鉴、参考。 ( 3 ) 同行生产线，如大庆石化塑料厂、扬子石化的离心机机械密封已经成功改造成千 气密封，其中大庆b 线的已经连续运转2 0 多个月。同行的离心机密封成功改造为本研 究、设计提供了实际经验。 ( 4 ) 经过对国内干气密封生产厂家的考察，成都一通科技有限公司有着离心式压缩 机、离心泵等设备干气密封设计、制造的成功经验，具有先进的动压槽加工设备及高速 试验台，可对本研究、设计、制造的离心机干气密封按a p i6 1 7 第七版标准、i s o1 9 4 0 7 卧式焉心机干气密封技术改造及其应用研究 标准进行实验室动态、模拟工况性能试验。通过试验验证理论计算、检验制造质量、以 确保产品质量、保证密封在现场安装一次成功。 ( 5 ) 生产车间可以为本研究、设计、制作的干气密封提供现场试验。 1 2 4 主要研究的内容 ( i ) 引用国内关于干气密封设计的程序，进行干气密封结构优化设计、计算，材料 选择； ( 2 ) 干气密封监控系统设计； ( 3 ) 干气密封、干气密封监控系统加工： ( 4 ) 干气密封、干气密封监控系统实验室试验，验证程序设计的准确性； ( 5 ) 干气密封、干气密封监控系统现场安装调试，进行干气密封性能的在线评估。 8 1 = 程硕士学位论文 暑曼量量舅曼量曼鲁量詈i ii ii ；l 笪曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼鼍曼量曼曼曼蔓曼曼量曼曼量邑皇量曼皇量曼曼量曼鼍曼曼曼曼鲁曼量曼曼曼曼曼蔓曼量 葛 第2 章m 3 0 1 卧式离心机干气密封的性能计算 2 1 干气密封的的基本构成和作用原理 2 1 1 基本构成 典型的干气密封结构如图2 - 1 所示，其基本结构与普通机械密封相同，由旋转环、 静环、弹簧、密封圈以及弹簧座和轴套组成，只是在旋转环的密封端面开有浅槽，而 且密封端面主要由动压槽、密封堰和密封坝三部分组成( 见2 2 ) ，其中：动压槽起着泵 送作用，形成流体膜，产生流体膜承载能力( 浅槽产生流体膜静、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，这种密封副的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。 苎兰三堕翌三 踅番玎 若封圈 图2 - 1 干气密封结构示意图 图2 - 2 干气密封端面动压槽简图 9 卧式离心机干气臀封技术改造及其廊用研究 干气密封有多种槽型，如圆弧槽、螺旋槽、t 形槽、v 形槽、u 形槽等，但螺旋槽型 的结构设计以压力分布均匀、流体动压膜刚度大、动态跟踪性好而优于其它槽型，因此它 成为了非接触转轴密封中最长用的槽型 螺旋槽型线采用的是对数螺旋线，其螺旋线的矢径为 ，= j j c g p 弘锄口 式中，r 。槽底半径，m m ；口为槽角，即流槽切线与圆周切线的夹角，为1 8 0 ；秒为 转角。 由于对数螺旋线的螺旋角为常数，故这种螺旋线称之为等角螺旋线。也有的密封采 用阿基米德螺旋线，但其螺旋角是变化的，螺旋线较长、压力较高，但效率较低；而对 数螺旋线较短、压力较低，但效率较高。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。 2 1 2 作用原理 干气密封的工作原理实际上是利用流体动压力与流体静压力和弹簧元件弹力之合 力的平衡，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。在静止状 态，当密封腔内存在介质压力的情况下，作用在摩擦副上的闭合力是流体静压力和弹簧 力，促使动静密封面贴合；当轴开始旋转，气体介质经螺旋槽泵汲作用，进入收敛形螺 旋槽，气体介质被引向中心，在被压缩的同时因密封堰的阻碍，气体压力逐渐增大而推 开挠性定位的静环，此时，形成的流体动压力即为摩擦副的开启力。 摩擦副受力分析见图2 - 3 。从图2 3 可以看出，气膜刚度是如何形成以及如何保持 密封运转的稳定性的。当受到外来因素干扰，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，为保持力的平 衡，密封恢复到原来的间隙；反之，密封受到外来因素干扰，气膜厚度增大，螺旋槽产 生的流体动压效应削弱，气膜压力减小，开启力变小，密封恢复到原来的间隙。因此， 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，亦即干气密 封运行稳定可靠。气膜刚度是气膜作用力的变化与气膜厚度的变化之比，因此，衡量干 气密封稳定性的指标就是密封产生气膜刚度的大小，气膜刚度越大，表明密封的抗波动 能力越强，密封运行越稳定。正常工况下，气膜是一个动态稳定的薄流体层，约为3pm 厚。 1 0 t 程硕 ：学位论文 0 。 2 2 干气密封的受力分析 气蕨同腺0 0 03m 皿开启力1 z0 广 气膜压力分布 图2 - 3m 3 0 1 干气密封受力分析图 2 2 1 闭合力分析 c = o + l + c = 最n - ( r 2 2 - r b 2 ) + 弓刀( 心2 一r 1 2 ) + b 上式中：。由外径恐处介质压力忍产生的闭合力； 。由内径墨处介质压力b 产生的闭合力； e 由弹簧产生的闭合力； 正常工况 fc ；f0 问隙减小 fc f0 忍密封的平衡半径； 2 2 2 开启力分析 ，东 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： 局= e p ( ，) 2 万4 当墨r 也( 螺旋槽部分) 时，尸( 厂) 可以按下式积分求得： 圉。圉豳一豳 掣目半目巫，日日目巫，日目 半国目墅，罔目 卧式离心机干气密封技术改造及其应用研究 軎= 一万6 c o p 鼽硒6 g l t 而( 1 + r 瓦) 9 7 当r g r r 2 ( 密封堰部分) 时，尸( ，) 可以按下式积分求得： 咖 6 g , u 乙一= = 一- ：一 d r 嚣毹 2 2 3 力的平衡 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。 2 3 干气密封设计遵循的基础理论准则 2 3 1 干气密封的气膜流态 气膜流态的研究表明 3 1 ，亚音速层流通过窄的密封间隙，密封能产生较大的气膜刚 度，工作稳定；流过较宽的间隙则会出现流动的不稳定，有过渡流和湍流出现，并可能 在出1 2 1 处达到音速。m o i l e r 1 4 】发现在密封的入口处是音速或超音速流动时会出现振动现 象。计算表明，当压力在1 3 8 至2 7 6 m p a 时，间隙较宽的密封面中会出现音速流动， 而间隙较窄的密封面则不会。因此，如果在高压、高速下能控制较小的密封间隙，使密 封工作在层流亚音速下，就不会发生流动不稳定了。 2 3 2 气体密封的绝热设计 密封运行时，端面上的压力降主要出现在密封坝区，气体膨胀带走大量的热量，使 密封坝受到强烈地冷却，密封面出现发散锥度，槽区发生接触磨损，并使密封产生振动。 针对这种现象，j o s e fs e d y l 3 1 提出了绝热设计的新概念。绝热设计即是：使膨胀后的 气体加热到膨胀前的温度所需要的热量等于粘性剪切力所产生的热量。 绝热方程： q 鼬= 粤1 i l 旦= 等1 i l 旦厂( 办) j p 2 j p 2 粘性剪力方程：g 咖= m 缈= c o n s t p 0 ) 2 ( ，0 4 一) h 令 g 鼬= g 咖 可求出密封工作的间隙h 。 在高速高压下，气体膨胀所带走的热量远大于剪切力所产生的热量，因此，密封坝 受到强烈冷却，造成密封面发散倾斜。为了改善这种热不平衡，密封设计应尽量使间隙 工栏坝t 字位论文 小些，密封坝宽些。 2 3 3 密封结构优化准则 针对气体密封的理论分析，j o s e fs e d y 3 1 提出了气体密封的优化设计准则。 ( 1 ) 静环的质量应尽量小，使其有较好的追随性。 ( 2 ) 气膜刚度应尽可能大，使密封具有好的稳定性。 ( 3 ) 槽深与间隙之比尽可能小。 ( 4 ) 密封面应尽可能宽。 通过减小密封面间隙可以减小气体泄漏量，但过分追求小的泄漏量会使密封运行的 可靠性和稳定性降低，同时要求密封闭合力增大，给密封的启动增加了困难。 另外，减小泄漏量也可以通过增大密封面宽度来实现，但密封端面宽度过大，会使 密封面的变形增加。 所以，对气体润滑密封存在参数优化问题。王建荣在圆弧槽气体密封非接触式机 械密封的特性【1 3 】中提出了以最大刚漏比为优化目标的新概念。 2 3 4 提高气体密封运行的稳定性 由于安装和加工精度的原因，使得密封环有一定的端面跳动，力变形和热变形的影 响也使得密封端面不能达到绝对平行运转。气体密封的工作间隙一般在3 微米左右，而 安装精度、密封面变形及介质压力波动所产生的端面跳动远大于这个量级。因此，为保 证密封工作在平行面状态下，气膜应有足够的刚度，使静环具有很好的追随性，此外， 还应按自平行原理设计密封环。自平行原理是美国的j o s e fs e d y 4 1 针对气体密封产生 径向变形而提出来的。利用自平行原理可以使密封面的收敛或发散变形减d , n 最小。实 现密封面自平行的条件是螺旋槽与密封坝交界处的气膜压力必须高于介质压力。当密封 面发生收敛变形或发散变形时会产生一个恢复力矩，使密封面恢复成平行面的趋势；当 两个面平行时，恢复力矩为零。 恢复力矩所产生的修正变形的效果取决于密封环材料的弹性模量，弹性模量大，恢 复力矩产生的作用小；反之，产生的作用大。据报道【4 1 杨氏弹性模量为2 0 6 8 5 m p a 的密 封环，恢复力矩产生的作用可修正变形的百分之七十。 为保证气膜的径向和周向稳定性，密封环材料选择应遵循下面的准则【4 】： 动环材料要求： 辨( 1 ) 低的热膨胀系数 1 3 卧式离心机干气密封技术改造及其应用研究 ( 2 ) 高的弹性模量 ( 3 ) 尽可能大的硬度 ( 4 ) 具有较好的耐磨性 ( 5 ) 具有高的热传导系数。 静环材料要求： ( 1 ) 较低的弹性模量 ( 2 ) 具有各向同性 ( 3 ) 低的热膨胀系数 ( 4 ) 较高的热传导系数 ( 5 ) 自润滑性好。 为保证获得最大的恢复力矩，静环的几何形状应遵循下面的规则： ( 1 ) 静环截面上的矩心应选择在使自平行效果最好的径向位置上 ( 2 ) 静环截面应有较小的惯性矩，使其对恢复力阻碍作用最小 ( 3 ) 为防止静环发生纵向弯曲，静环的轴向长度不宜过小。 2 4m 3 0 1 离心机干气密封的性能计算 2 4 1 m 3 0 1 离心机操作条件 工艺介质条件： 介质：己烷+ 聚合物 旋向：顺时针( 从驱动端往转子看) 转速： 1 4 0 0r m i n 温度：8 0 压力：2 0 0l l n l 水柱 密封气条件： 介质：氮气 温度：常温 压力：0 4 5 m p a 2 4 2m 3 0 1 离心机干气密封结构设计及材料选择 通过对m 3 0 1 离心机机组结构分析，在保持原设备结构不改变的条件下，仍然采用 1 4 工程硕十掌位论文 双端面密封结构( 见图2 _ 4 ) ，改造后干气密封的外形安装尺寸与原密封完全一样。 h b 8 4 8 2 6 为进料管密封，其特点为外壳( 内转鼓) 旋转，进料管静止。由于机组振动大， 结构上同原来机械密封一样采用弹簧静止式密封，最大限度的减少了振动对端面负荷造 成的影响。密封背靠背布置，动环安装在两侧随壳体一同旋转。h b 8 4 8 2 4 为进、出料端 外转鼓与壳体之间的密封，与h b 8 4 8 2 6 不同之处在于壳体静止，轴( 外转鼓) 旋转，仍采 用弹簧静止式结构，密封面对面布置，共用动环。 干气密封的密封气体为经过过滤的氮气，干气密封工作时，只有很微量的氮气往工 艺侧及大气侧泄漏。 进料管干气密封( 船8 4 8 2 6 ) 1 5 卧式离心机干气密封技术改造及其应用研究 已烷冲洗 进料端、出料端干气密封( h b 8 4 8 2 4 ) 图2 4m 3 0 1 离心机干气密封结构图 1 6 介质侧 | t 程硕十学位论文 考虑到机组振幅在1 0 0u i l l 1 8 0um ，在设计时充分