（机械工程专业论文）急冷油泵用非接触式组合密封技术的应用研究.pdf

急冷油泵用非接触式组合密封技术的应用研究 孙吉龙( 化工过程机械) 指导教师：都木明( 教授) 王玉岗( 高工) 摘要 中国石化齐鲁股份有限公司烯烃厂裂解车间三台随生产装置从日 本东洋工程公司引进的急冷油泵，自装置投产以来轴封使用效果一直不 理想：泄漏严重，使用周期短而不得不频繁更换维修，严重影响了安全 生产的正常进行，有必要研制开发和采用新型的高性能密封技术，以消 除生产上的安全隐患。 针对原急冷油泵输送介质粘度高、低温易凝固、含固体颗粒以及冲 洗冷却不合理等问题，全面分析了原用进口和国产机械密封频繁失效的 原因，提出了采用油膜润滑非接触式机械密封技术与螺旋密封组合技术 的方案。利用现代流体润滑理论对非接触式机械密封进行性能分析，进 而对非接触式组合密封进行了结构形式和结构参数的设计。在此基础 上，对研制开发的新型密封进行充分的实验室研究，并开始进入现场工 业考核，完全达到了预期效果。 成功的工业应用充分证明，自主研制开发的新型非接触式组合密封 技术可以基本实现密封介质的无泄漏、可靠性和稳定性高、能耗量低等 技术优势，从根本上解决了原用轴封存在的问题，并取得了显著的经济 效益和社会效益。 新型密封的成功开发及应用为进一步研究开发适用于不同工况特 点的高性能非接触式密封技术和产品奠定了良好的基础。 关键词：急冷油泵，非接触式机械密封，螺旋密封，泄漏，可靠性 a p p l i c a t i o ns t u d yo nn o n c o n t a c t i n gc o m b i n e d s e a l s o ft h ec e n t r i f u g a lp u m pf o rd i s c h a r g eq u e n c ho i l s u nj i l o n g ( c h e m i c a lp r o c e s s i n gm a c h i n e r y ) d i r e c t e db yp r o f e a s o rh a om u m i n ga n ds e n i o re n g i n e e rw a n gy u g g a b s t r a c t t h et h r e eq u e n c ho i lp u m p sw i t ht h ep r o c e s se q m p m e n ti nq i l u p e t r o c h e m i c a ll i m i t e dc o r p o r a t i o ni m p o r t e df r o mt h ej a p a n e s ec o r p o r a t i o n o fd e c o m p o s i t i o nw o r k s h o po fa l k e n ef a c t o r yd on o tw o r kw e l ld u et ot h e p o o rs h a f ts e a ls i n c et h ee q l l i p m e mp u ti n t op r o d u c t i o n t h es h a rs e a lw s s f r e q u e n t l yr e p l a c e df o rt h e s e r i o u sl e a k a g ea n ds h o r tw o r kp e r i o d i t s e r i o u s l ya f f e c t st h en o r m a l l ys a f e t yp r o d u c t i o n ，s oi t sn e c e s s a r y t od e v e l o p a n du t i l i z en e w - d f p eh i g hp e r f o r m a n c es e a l i n gt e c h n o l o g yt oe l i m i n a t et h e s a f e t yd a n g e ri nt h ep r o d u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m so ft h eq u e n c ho i lp u m p s u c ha st h el l i g h v i s c o s i t ya n dt h ec o n d e n s a t i o no f t h eq u e n c ho i la tl o wt e m p e r a t u r e ，t h es o l i d p a r t i c l e si nt h ep u m p e dm e d i u m ，t h eu n r e a s o n a b l en u 蛐n ga n dc o o l i n g m e a s u r e s ，e t c ，t h ec o m b i n e ds e a l i n gt e c h n o l o g yo ft h eo i lf i l ml u b r i c a t e d n o n - c o n t a c t i n gm e c h a n i c a lf a c es e a la n dh e l i c a ls e a lw a sd e v e l o p e db y a n a l y z i n g t h e f r e q u e n t f a i l u r eo ft h e o r i g i n a lf o r e i g n a n dd o m e s t i c m e c h a n i c a lf a c es e a l s t h ep e r f o r m a n c e so ft h en o n - c o n t a c t i n gm e c h a n i c a l f a c es e a lw e r ea n a l y z e du s i n gt h em o d e r nh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o nt h e o r y ； t h e n ，t h es t r u c t u r ef o r ma n dp a r a m e t e r so ft h en o n c o n t a c t i n gg i v e ns e a l w e r ed e s i g n e d a d d i t i o n a l l y , t h en e w - t y p es e a lw a sf u l l yt e s t e di nt h e l a b o r a t o r ya n dp r a c t i c a li n d u s t r y , a n dt h ea n t i c i p a t e de f f e c t so ft h en e ws e a l w e l ea c h i e r e d t h es u c c e s s f u li n d u s t r ya p p l i c a t i o ni n d i c a t e st h a tt h en o n l e a k a g eo f t h em e d i u mi sr e a l i z e db yu s i n gt h es e l f - d e v e l o p e dn e w - t y p en o n c o n t a c t i n g s e a l i n gt e c h n o l o g y t h ea d v a n t a g e so ft h es e a l ，s u c ha sh i g hr e l i a b i l i t ya n d s t a b i l i t y , l o wp o w e rl o s s ，毗，f u n d a m e n t a l l ys o l v et h ed e f i c i e n c i e so ft h e o r i g i n a l s h a f ts e a l ，i n a d d i t i o n , t h er e m a r k a b l ee c o n o m i ca n ds o c i a l e f f i c i e n c i e sw e r eg a i n e d t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fn c w o t y p es e a lh a sl a i dg o o df o u n d a t i o n f o rf n r t h c rd e v e l o p i n gh i g hp e r f o r m a n c en o n - c o n t a c t i n gs e a l i n gt e c h n o l o g y a n ds e a lp r o d u c t sa v a i l a b l et od i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：q u e n c ho i lp u m p ，n o n - c o n t a c t i n gm e c h a n i c a lf a c es e a l h e l i c a l s e a l ，l e a k a g e ，r e l i a b i l i t y 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，也不包含为获得中国 嚣捆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：兹：盔垒2 刃r 年月7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、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) 硝辱| 只7b ， 1 聍矿f 年川月7 r 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 第l 章前言 中国石化齐鲁股份有限公司烯烃厂裂解车间于上世纪八十年代从 日本引进一套3 0 万吨裂解生产装置。在该装置中担负着输送裂解急冷 油作用的核心设备是随装置一起从日本本多公司进口的三台b l s 型离心 泵。该泵为多级两端双支承结构，两侧轴封均采用进口大弹簧推环式机 械密封。由于离心泵输送的裂解急冷油具有粘度高、易冷凝、含大量固 体颗粒的特点，虽然对其采用了外冲洗措施但轴封使用效果一直不理 想，因泄漏严熏而不得不频繁更换机械密封，致使进口轴封备件消耗量 太而难以维继。 自上世纪九十年代后期以来，针对原进口接触式机械密封使用过程 中出现的问题。曾先后组织有关人员与国内数家机械密封专业生产厂家 技术人员联合攻关，研制出诸多形式的机械密封结构，典型的如旋转式 金属波纹管机械密封，并在密封油冲洗、密封环背面蒸汽加热等方面进 行了改进，但未从根本上改善轴封的使用效果，仍不得已频繁更换轴封， 严重影响生产的正常安全进行，并造成了大量的经济损失。 在经过多年对数台急冷油泵轴封进行大量国产化技术改造效果不 理想的前提下，通过有关方面充分的技术论证，决定抛弃传统的接触式 机械密封，通过中石化齐鲁股份有限公司烯烃厂与中国石油大学( 华东) 合作，联合研制开发适用于急冷油泵的新型无泄漏非接触式密封技术产 品，并于2 0 0 3 年在烯烃厂内立项研究开发课题一裂解急冷油泵新型 轴封的研究开发 本论文根据急冷油泵具体的工况条件，在充分分析现有可用轴封存 在问题的基础上，通过大量的理论分析和实验研究，研制开发出可从根 本上消除急冷油泄漏、工作性能稳定可靠、抗干扰能力强、实现长周期 运行的流体润滑非接触式密封技术产品，并成功地应用于工程实际，从 根本上解决了严重影响工艺装置安全运行的技术瓶颈。 以气膜润滑和液膜润滑等为代表的流体动静压型非接触式密封技 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 术是流体润滑非接触式密封技术的主要形式之一，其理论基础是经典的 流体动压润滑理论基本方程雷诺方程。理论研究和成功的工业应用 结果证实，与普通的接触式密封技术相比，流体润滑非接触式密封技术 具有可实现密封介质的无泄漏而达到无污染的环保要求、因摩擦副端面 无直接摩擦磨损而实现长周期平稳运行、在交工况条件下具有优良的抗 干扰能力、运行维护费用大大降低而经济效益显著等技术优势。虽然流 体润滑非接触式密封概念的出现已有近四十年的历史，但其工业应用仍 限于一些领域，如气膜润滑非接触式密封技术( 或称“干气密封”) 在 相当数董的高速透平机械、少量的搅拌设各和转子泵上推广应用，但液 膜润滑非接触密封技术的工业应用还不多见。 对于急冷油泵，从工程实际要求上希望其轴封能够在实现输送急冷 油不泄漏的前提下，还要尽可能地限制轴封用冲洗冷却油供给量以保证 工艺流体的质量；另外，对急冷油离心泵来说，由于工艺上的特殊性有 可能不时地开停泵，这就客观上要求轴封还必须具备很强的变工况适 应能力。因此，基于以上考虑，针对急冷油泵具体的工艺条件和对密封 的特殊要求，在多年从事非接触式密封技术研究所取得成果的基础上， 研制开发出独特的油膜润滑非接触式密封技术进而采用精密机械加工 技术制作出满足设计要求的密封产品。 首先，借助经典的流体润滑基本理论，设计出一种特殊的油膜润滑 非接触式机械密封+ 螺旋密封组合结构，确定其非接触式机械密封端面 结构形式以及机械密封和螺旋密封主要结构参数；然后，采用自主开发 软件和精密加工设备，加工出高质量的密封环及密封组件。另外，为了 验证研制开发的新型非接触式密封技术结构设计的合理性，必须对其进 行性能实验研究工作。首先，与普通的接触式机械密封技术进行对比性 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 实流体润滑非接触式密封技术在设计压力范围内的密封性能远远优于 接触式密封技术；然后，对菲接触式密封技术进行变工况密封性能实验， 证明其在压力设计范围内具有优良的适应变工况能力；最后，对新型密 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 封进行考核性试验和多次的频繁开停实验，油膜润滑非接触式密封技术 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 要求和预期效果。 新型非接触式密封技术必须经过工业考核才能证明其价值的存在。 于2 0 0 4 年5 月份在急冷油泵检修期间，分别把自主研制开发的油膜润 滑非接触式密封技术安装到两台进口离心泵上，并一次性运行成功。至 今，离心泵用轴封已平稳运行超过一年，从根本上解决了轴封泄漏问题， 保证了实现了装置的长周期安全运行，进而产生了相当可观的经济效益 和社会效益。 自行研制开发的油膜润滑非接触式密封技术在裂解急冷油泵上的 成功应用，不仅充分证实了新型非接触式轴封具有优良的密封性能，可 以大大延长其使用周期，在非常工况状态下具备较强抗干扰能力等系列 技术优势，彻底解决了原接触式机械密封存在的不足，大大提高了泵运 行的安全性；除此之外，可以考虑进一步研制开发出可适用于其它特殊 工况下的各种旋转式流体机械非接触式密封技术和产品，具有广泛的工 业应用前景。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 第2 章文献综述 2 1 概述 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、冶金、原子能、航空航天等现代 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。进入上世纪六十年代后，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【”。 密封理论方面：涉及密封机理、密封摩擦剐的摩擦与润滑、密封动 静环的力热变形分析、平行平面密封原则及设计、动力学特性、流体动 压密封理论、流体静压密封理论、热弹流体动压润滑理论等 密封结构方面：由最初的单端面密封发展到双端面密封和多端面密 封、平衡型和非平衡型、静止式和旋转式、单弹簧和多弹簧、内流式和 外流式、内装式和外装式、接触式和非接触式、集装式、剖分式、浮动 式、组合式、波纹管式、刃边密封、窄型密封等。 密封工作性能；由单纯地追求减少泄漏量到实现零泄漏、零逸出、 长寿命、低功耗、无污染等方面发展。 密封辅助系统：有冲洗系统、冷却调温系统、过滤除杂系统、阻塞 流体系统或缓冲流体系统、状态监控系统等，以改善机械密封的工作环 境，保证其工作的稳定性、可靠性。 密封使用范围：不仅使用于各种转子泵，更进步应用于离心压缩 机、燃气轮机、汽轮机、风机及各类搅拌设备等。 2 2 普通接触式机械密封的应用及技术特征 目前，工业中应用最为广泛、数量最多的机械密封产品基本上为普 通的接触式密封结构，其中以单端面接触式密封结构最为常见，其次是 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 双端面接触式密封结构。 2 2 1 单端面接触式机械密封 图2 - 1 所示为普通的接触式单端面机械密封结构组成。单端面接触 式机械密封具有结构相对简单、安装维修方便、运行费用较低、无复杂 的密封辅助系统等优点，广泛应用于各种转子泵如离心泵、旋涡泵、齿 轮泵等，且适用于密封洁净的、低危险性介质如水、油品类，工作参数 ( 压力、速度、温度等) 适中，可允许有少量的泄漏。 冲洗液 图2 - 1 接触式单端面机械密封 卜静环，2 一动环，3 - 传动销，4 - 弹簧，5 博簧座，6 - 紧定螺钉，7 一传动螺钉 8 、9 - o 形环，1 0 一防转销，l l 一压盖。1 2 - 压, 环，1 3 轴套 在某些应用场合，如炼油厂轻烃泵用密封，为了防止轻烃类介质汽 化而使密封摩擦副处于气液两相状态下工作，造成其工作状态失稳而导 致密封早期失效，常常采用冲洗、冷却等辅助手段来控制密封摩擦副的 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 端面温升，使其处于单相( 气相或液相) 稳定工作状态，保证密封工作 的稳定性和可靠性；对于密封含有少量固体颗粒的介质，可采用过滤手 段以避免磨粒磨损造成的密封失效。 到目前为止，单端面机械密封仍然是使用最多的一种机械密封结 构。但对一些密封环境较为恶劣的情况下，单端面机械密封是难以胜任 的，如离危险性、高腐蚀性、高含固体颗粒流体以及高压高速等。 2 2 2 双端面接触式机械密封 双端面接触式机械密封则是弥补单端面机械密封的部分不足，是由 两套普通的单端面接触式机械密封组成。作为一种较为复杂的密封结 构，双端面机械密封常用于密封具有如下特征的工艺流体： 润滑性差的工艺气体或液体。 高温或低温流体。 强腐蚀性流体。 真空条件下的流体。 高速运行下的流体。 高压流体。 液相汽化时在摩擦副附近易结晶的流体。 含有较多固体颗粒的流体或胶结粘液。 含有危险性物质或对环境和人体有危害性的流体。 易燃、易爆、剧毒或贵重性流体。 为了阻止被密封流体的泄漏，必须在双端面密封之间注入一种隔离 流体或阻塞流体( 主要是液体) ，对隔离流体的基本要求是： 阻塞或隔离流体必须与被密封介质( 工艺流体或产品) 之问具有相 容性，且不致使工艺系统受到污染，还要求反应程度最小。 阻塞或缓冲流体应洁净、有润滑性并能将摩擦热和搅拌热带走。 对于阻塞液体或缓冲液体，最好能在运转条件下具有( t 0 3 2 ) 1 0 + 6 m 2 t s 的运动粘度。 应在长时间内不氧化或变质( 限制到最小陋发) 。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 应与密封材料和辅助材料相容。 应无着火危险性、腐蚀性以及对人体的危害，其闪点一般希望应 比最高工作温度高5 0 。 温度范围广，工作温度低。 经过滤清和冷却，并能起到冷却作用。对于气体密封，应经2u r a 过滤器滤清。对液体密封，应经1 0 耻m 过滤器滤清。 要求运转时须能补充和或更换使用。 就地易取和利用，且较经济。 流体阻塞密封系统需要有阻塞流体控制系统，在选用阻塞系统和控 制系统时应考虑以下几点：应有加压和控制阻塞的流体系统，以保证其 阻塞流体压力应大于工艺流体压力和大气压力：压力波动不应超过 5 ；该系统中应采用双过滤器，并能切换使用。对液体密封，应1 01 tm 的过滤器滤清，必要时还可采用温度计指示及使用冷却器；在阻塞或隔 离流体密封系统中还应具有：a 各种用途的启闭阀、单向阀、压力表、 压力开关、差压表、差压传送器、压力指示器、压力调节器、节流孔板、 流量指示器、流量传送器及调节控制器等阀门和仪表。b 主密封泄漏量 监控和报警，以及施放气体放空、凝液排污和回收装置等。可见，为了 保证密封的可靠性，需要增设相对复杂的隔离流体辅助控制系统，一方 面，使密封的运行费用大大增加，因而其应用范围受到一定的限制；另 一方面，隔离流体控制系统运行的正常与否，直接影响着密封工作的稳 定性和可靠性，尤其对于离心压缩机用双端面接触式机械密封，常常因 密封辅助系统出现故障而导致密封失效，被迫停机停产。 2 2 3 普通接触式机械密封存在的问题 根据普通的接触式单端面机械密封和双端面机械密封的工作原理， 可以分析其存在以下几方面的基本问题： 不能实现密封介质无泄漏。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，通过 维持定的端面接触压力，来尽可能减小密封摩擦副端面之间的轴向间 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 隙以降低被密封流体的泄漏。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。 使用周期短。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。 污染产品。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。 影响介质性质。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。 工作状态不稳定。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( 即相交) ，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。 端面温升过高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) 产生燕裂、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。 运行费用高。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 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 了大量的水资源并增加了污水处理的负担。 辅助系统复杂。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，对离心压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。 使用范围受限。接触式机械密封不适用作高压、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一，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。 现代工业对机械密封技术和产品的要求日益综合、全面和苛刻，一 方面，既要实现被密封流体的零泄漏或零逸出，达到对环境的无污染及 对人类生命的无威胁；另一方面，又要具备工作状态的长期稳定性和可 靠性。以满足现代化生产装置的规模化长周期运行；另外，密封装置还 应具备运行费用低，具有明显经济效益的特点。显然，普通的接触式机 械密封是难以满足以上诸多要求的。 2 3 新型机械密封的产生及发展 随着生产技术的日益提高，密封技术的不断发展以及对环保要求的 日趋苛刻，对机械密封系统的密封性、可靠性和稳定性提出了越来越高 的要求。在普通的低参数、低性能的接触式机械密封的基础上，通过针 对提高密封可靠性而进行了大量的研究工作，相继开发出了高参数( 高 压、高速、高低温、大直径等) 、高性能( 无泄漏、长寿命、干运转等) 和高水平( 高p v 值、剖分式、通用型、可控间隙、监控密封等) 【2 】。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 进入六十年代以来，摩擦学的产生及流体动压润滑理论( 包括流体 动压润滑、流体静压润滑、弹性流体动压润滑等理论) 日趋丰富和完善， 大大推动了机械密封理论研究和技术开发的进程。进入七十年代，机械 密封技术不断创新，密封新技术、新概念、新结构、新产品以及新材料、 新工艺、新标准不断涌现，大量高参数、高性能和高水平的机械密封产 品不断问世。其中，最具代表性的技术成果有热流体动压机械密封 ( t h e r m o h y d r o d y n a m i cm e c h a n i c a lf a c es e a l s ) 、气体润滑非接触式机械 密封( g a s - l u b r i c a t e d n o n - c o n t a c t i n gm e c h a n i c a lf a c es e a l s ) ，非接触式无 泄漏机械密封( n o n - c o n t a c t i n gz e r o 1 e a k a g em e c h a n i c a lf a c es e a l s ) ，上 游泵送机械密封( u p s t r e a mp u m p i n gm e c h a n i c a lf a c es e a l s ) 等吼热流 体动压机械密封是在密封端面上开设各种形式的深槽( 深度可达毫米 级) ，使密封端面产生一定的力、热变形( 尤其是热变形) 及流体动静 压效应而处于混合摩擦状态，大大改善了密封摩擦副的润滑状态。而气 体润滑非接触式机械密封、非接触式无泄漏机械密封和上游泵送机械密 封则是在密封端面上开设各神形状的浅槽( 为微米级) 或圆叶型凸起， 借助流体动压效应、流体静压效应或流体动静压混合效应，使密封摩擦 副端面处于非接触状态，即流体润滑状态，不仅可以实现被密封流体( 液 体或气体) 的零泄漏，而且可以达到其无逸出或零逸出( z e r of u g i t i v e e m i s s i o n s ) ，真正实现了生产安全和满足环保的要求。 流体润滑非接触式机械密封的研制开发并成功应用于相关工业领 域，是机械密封技术的革命性重大突破。使机械密封具有优良密封性能 的同时，其工作寿命大大延长，保证了机泵长周期运行的可靠性和稳定 性，而且，密封的摩擦功耗和运行费用大大降低，相应提高了机泵的工 作效率。同时，非接触式机械密封的使用p v 值大大提高，使其应用范 围极大地拓宽，能够在普通的接触式机械密封难以使用的场合得以成功 应用。正是由于流体润滑非接触式机械密封所具有的综合优良的工作性 能，促使有关研究机构和密封生产厂家积极开展这方面的研究开发工 作，使新型流体润滑非接触式机械密封研究成果和技术产品不断涌现。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 可以断言，流体润滑非接触式机械密封必将成为未来机械密封技术的主 导产品。 2 3 1 气体润滑非接触式机械密封技术 2 3 1 1 发展进程 气体润滑非接触式机械密封( g a s l u b r i c a t e dn o n c o n t a c t i n g m e c h a n i c a lf a c es e a l s ) 是非接触式机械密封技术的杰出代表，是将端面 开糟机械密封技术用于气膜密封( d r yg a ss e a l s ，即干气密封) 4 1 。气 体润滑非接触式机械密封理论源于螺旋槽气体止推轴承。早在上世纪二 十年代，g t t m b d 就提到了螺旋槽止推轴承的概念。四十年代，w h i p p l e 【5 j 等人对螺旋槽止推轴承的工作原理进行了探讨，产生了w h i p p l e 理论。 从此、螺旋槽止推轴承引起了很多人的注意各自都取得了一定的研究成 果。1 9 6 9 年，m u i j d e r m m a l 6 1 在其博士论文中较详尽地阐述了螟旋槽止推 铀承的理论，并对螺旋槽轴承面的压力分布、承载能力等进行了初步推 导。 气体润滑端面机械密封就是受到气体止推轴承的启发而产生的。 1 9 5 8 年，s c o b c l p l 等人第一次在密封中实现了全流体润滑、自此，对非 接触式机械密封的研究逐渐频繁起来。由于气体端面密封与气体止推轴 承具有些相似的特点、因此许多对于气体端面密封的研究可以活鉴已 有的气体止推轴承方法及理论。 工业压缩机气膜密封首次应用是在上世纪五十年代末。1 9 6 8 年 h s c h e s 】等学者对于介质为可压缩流体的端面密封的压力形成和静 态稳定性进行了讨论，阐述了端面间所存在的流体动压效应。列举了台 阶型、供油孔型、螺旋槽式和雷列台阶型几种非接触式端面机城密封的 设计资料，还分析了密封环的变形和追随性的问题。之后，又对高速运 转条件下的螺旋槽式和雷列台阶型非接触式气体密封的特性进行了研 究得出了一些有价值的结论。七十年代，英国j o h nc r a n e 密封公司【9 1 率 先开发出2 8 型气体密封，用这种方法来密封压缩机完全不需要复杂的 封油系统，从而显著地减少了大型压缩机的运行和维护费用。研制这种 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 现代密封经历了几个阶段：1 9 7 1 年完成压力变形控制；1 9 7 5 年研究刚 性密封环与柔性密封环组合关系：1 9 7 6 年密封动力学与气膜刚度的分 析；1 9 7 9 年研究自动调整机构：1 9 8 2 年柔性密封端面概念的建立；1 9 8 5 年研究自动对中机构；1 9 7 6 年一个大直径商用气体密封首次装到气体管 线的压缩机上并获得了成功：1 9 7 9 年c r a n ep a c k i n gc o m p a n y 的r a l p h p g a b r i e l 1 0 1 详细地对非接触式螺旋槽气体端面密封进行了分析和阐述，使 该文成为一篇具有里程碑意义的经典性文章。目前在美国和欧洲，气体 密封从低速低压搅拌设备到高速高压天然气输送站的大型压缩机上都 已得到了广泛应用。 1 9 9 1 年，王建荣、顾永泉等【l l 】用酱通有限元法计算了螺旋槽气体密 封的性能。1 9 9 4 年，吴宗祥、郝术明等【1 2 】以最大剐漏比为目标采用有限 元法对螺旋槽，圆弧槽和直线槽进行不同条件下结构优化，初步得出适 合低速条件的密封环结构；西安交通大学的蔡文新、朱报祯【”】则利用八 节点有限单元法计算了螺旋槽气体密封的压力并与有关文献的结果进 行比较。1 9 9 5 年，彭建等1 1 4 】也利用八节点有限元法以最大刚漏比为目标 对螺旋槽结构参数进行优化，证明槽数、槽深、螺旋角等结构参数对密 封性能影响较大。 1 9 9 6 年，胡丹梅、吴宗祥【l5 j 采用八节点等参单元有限元法计算了直 线斜槽气体密封的压力分布和密封性能，提出直线槽气体密封具有“开 启速度”的现象；并以一较大剐度时的最大刚漏比为目标，利用优化理 论对其相关参数进行了多参数单目标四维寻优计算。 2 0 世纪9 0 年代以来，世界著名的密封公司如美国j o h nc r a n e i n t e r n a t i o n a l 、德国的b u r g m a n n 、美国的e g & gs e a l o l 等相继开发出具 有自主知识产权的泵用干气密封技术产品。干气密封在国内也得到了快 速的应用发展。1 9 9 9 年，干气密封在大庆石化公司石化一厂低温乙烯送 料泵上得到成功应用i l6 】。2 0 0 1 年，双端面干气密封在北京燕山石化炼油 事业部重油催化装置的2 m cl 6 0 6 4 型富气压缩机上得到成功应用1 1 7 1 。 2 0 0 2 年，干气密封在液胺输送泵( g 3 ：0 1 0 ) 得到成功应用。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 在有关人员的共同努力下，气膜密封正为各个工业领域所接受。气 膜密封已经成功地应用于航空发动机压缩机、液体燃料发动机、高压涡 轮泵、热高压空气压缩机等高压蓑。高速度和润滑性差的介质等要求苛 刻的密封条件下。 2 3 ，1 2 密封机理 气膜密封的工作原理是流体静力和流体动力的平衡。气膜密封与普 通接触式机械密封的主要区别在于，密封面上的微凸体不接触，密封面 被其间完整的流体膜所隔开，摩擦状态为流体润滑工况。密封面问形成 的稳定流体膜即起到对工作介质的密封作用又起到对摩擦副的润滑作 用。使得非接触式机械密封能够实现无磨损运转，即使在很苛刻的工作 条件下也能满足密封要求。在设计上气膜密封类似于普通机械密封，同 普通机械密封显著不同的是密封面宽度大，而且加工出的密封面的结构 也不同，由于气体的粘度较小，气体密封的端面通常都加工些浅槽以 提高气体密封的动压效应。为了使气体密封在静止状态和非接融运转状 态都能以最小的泄漏实现密封，把密封端面的宽度分为沟纹区和密封区 两部分。未开槽的密封区起到密封作用，限制气体向低压侧泄漏；丽具 有沟纹的结构区则产生非接触运转时所必需的流体动压开启力。 霾： 壤娄 ：羹 俳p 。 q 。 五6 a 密封端面结构 图2 - 2 干气密封的工作原理 b 下游泵送原理 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 图2 - 2 所示为典型的气膜密封结构。气膜密封是一种流体动、静压 结合型密封。作用在密封上闭合力是在介质压力存在时的流体静力，并 且在密封旋转或静止时都存在。而流体端面开启力只在密封环旋转的情 况下发生，此时密封面上所开的浅槽将所密封气体周向吸入，由外径朝 向中心，径向分量朝着密封坝流动，而密封坝节制气体流向中心，于是 气体被压缩引起压力升高，压力升高后就造成弹性安装面脱开，形成所 要求的气膜。非接触式机械密封为了保持密封的非接触工况，密封端面 之间的流体膜要求能承受住挤压载荷，即流体膜要具有足够的流体力学 刚度。密封面的变形或在密封面上开槽、开口或开台阶等方式在流体速 度方向上形成收敛间隙，使得流体在流动方向上形成收敛膜层，产生流 体动压效应，使流体膜层具有一定的承载能力。摩擦副表面的分离和承 受挤压载荷是靠流体在摩擦力作用下从间隙收敛部分压出所产生的作 用力来实现的。图2 3 所示为运转条件下密封端面间隙内流体膜力的动 态变化情况。 民 b r - 瓦 j j l ! l _ | | 留2 3 干气密封力学特性 由图2 3 可知，正常条件下，作用在密封面上的闭和力( 弹簧力和 介质力) 等于开启力( 气膜反力) ，密封工作在设计工作间隙。当受到 外部干扰，气膜厚度增大，则气膜反力减小，闭和力大于开肩力，迫使 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 密封工作间隙减小，恢复到正常值。相反，若密封气膜厚度减小，则气 膜反力增大，闭和力小于开启力，密封间隙增大到正常值。 可见，气膜密封的密封面闯形成的气膜具有定的气膜刚度，气膜 刚度越大，干气密封抗干扰能力越强，密封运行越稳定。 2 3 1 _ 3 技术特点 气膜密封是一种气体润滑、自动调节及非接触式端面机械密封。到 目前为止，与所有己用过的密封相比，气膜润滑的非接触式机械密封成 本大为降低。由于密封是非接触式的，设备检修周期将大大地延长。所 以，不但基建投资下降，而且操作维修费用也大为降低。气体润滑机械 密封的特点是投资少、能耗低和磨损少，其优点在于： 低功率消耗：与双端面液体冷却机械密封在相同条件下相比，两 者消耗功率比为2 0 ；l 。 无磨损运转：与液体冷却密封不同，气膜密封两个端面不接触， 所以气膜密封因磨损产生的热量反映在功率上可以忽略不计。磨损是密 封寿命的一个准绳，在液体冷却密封中可以是几千小时，对气体密封则 可达数万小时。 无封油系统：密封油系统通常是复杂而昂责的，并有不可避兔的 故障危险。液体冷却密封依赖于封液系统的完善化，不仅存在油进入气 体的危险，并且带来管线或气体被油污染的问题而且需要周期性维修。 气膜密封避免了所有这些复杂因素，它能够在过滤的工艺流程气中运 行，或者多数配有一个单独的缓冲气源，对系统没有任何污染。 无p v 值限制i 虽然通常有一个极限速度强加予气体密封，但极 限速度是由某种材料的强度和承受离心力的能力决定的。在液体冷却密 封中，功率消耗较高，因此端面问温度过高，限制因素就不仅是径向力 还有密封环传热能力。气体密封往往是流体动静压结合型，其速度既依 赖于压力又独立于压力。 无油、气污染：气膜密封不需要油，没有油就没有污染。由于气 体密封在运转过程中总有一个缝隙，而泄漏量近似的与密封间隙三次方 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 成正比。 气膜密封与液体密封相比，气体是可压缩流体而且粘度小。因此需 要在结构上采取措施以提高动静压效应，以产生足够的流体膜压力使摩 擦副两表面分离。由于气体导热系较小，为减少摩擦热及热变形，要求 形成的流体膜具有较高的流体膜剐度，以防密封面互相接触。 2 3 2 上游泵送密封技术 1 9 8 4 年，英国约翰克兰公司尼采尔【i9 】在第一届国际泵讨论会上发表 了上游泵送机械密封新概念，即利用密封面上开流槽将下游少量泄漏流 体泵送回上游。该公司研制并生产了8 0 0 0 系列螺旋槽上游泵送机械密 封；国内，1 9 9 0 年石油大学( 华东) 【2 0 】研制了泵出式圆弧槽端面密封，并 获国家实用新型专利( 专利号：2 2 0 3 1 5 7 6 ) 。这类密封的结构特点是：采 用浅糟，其膜厚和流槽槽深均属微米级，并采用润滑槽。 径向密封坝和周向密封堰组成密封和承载部分。也可以说开槽密封 是平面密封和开槽轴承的结合。其优点是泄漏量小( 甚至无泄漏) 、膜厚 大、消除接触摩擦、功耗和发热量小。目前，国内正在研制后2 类开槽 机械密封。将促使开槽机械密封技术的推广使用和发展。端面开浅槽机 械密封是在机械密封端面上开出微米级槽，主要依靠流体动压效应在两 端面间建立流体动压力来平衡闭合力实现密封端面的非接触。用来产 生流体动压力的槽型有周向台阶、周向斜面、周向槽、直弦槽、三角槽、 半圆形槽、矩形槽、弧形槽、叶形槽、螺旋槽或其组割2 1 ，但最常用的 槽型为螺旋槽或其组合。该类机械密封的理论基础是流体润滑理论，关 键问题是端面流体动压力的分布规律。流体动压力的产生，是依靠密封 面间有相对运动时，槽的台阶效应和输送效应。主要控制方程为雷诺方 程或n a v i c r - s t o k e s 方程。该类机械密封研究的主线始终是端面间由于槽 的存在而产生的流体动压力的确定和利用。获得了流体压力分布规律， 就易确定其他密封性能，如承载力、刚度、摩擦损失、泄漏率和稳定特 性等。下面根据研究所采用的主要手段，对端面开浅槽( 主要为螺旋槽) 机械密封的研究进展进行简要评述。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 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 4 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，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g ，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q 的方向相反，此为上 游泵送概念的由来。 图2 4 零泄漏上游泵送机械密封端面结构 如图2 - 5 所示，流经密封端面间隙的总泄漏量q 为： q = 级一q 若见 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。 级= q 时，q = 0 ，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。 丰 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 上斗 口t t ， 图2 - 5 上游泵送机械密封工作原理图 由于独特的密封端面设计，与一般的机械密封相比，上游泵送机械 密封具有以下技术优势： 可以实现密封介质的零泄漏或零逸出，消除环境污染； 由于密封摩擦副端面之间处于非接触状态，不存在直接的固体摩 擦磨损，使用寿命大大延长： 能耗降低，而且用于降低端面温升的密封冲洗液量和冷却水