（机械工程专业论文）重整循环氢压缩机密封改造.pdf

摘要 重整循环氢压缩机密封改造 摘要 中国石油前郭石化分公司重整加氢车间，循环氢压缩机k 2 0 1 为 进口日本的离心式压缩机，其密封形式为浮环密封。随着密封技术的 发展和在使用浮环密封中所暴露出的一系列问题，工程技术人员已经 成功地把作为一种机械密封形式的干气密封技术应用到压缩机轴封 系统中。本文将着重论述干气密封的工作原理、使用环境、工作特点、 干气密封型式的选择、密封元件材料的确定和从前的浮环密封的工作 情况、性能特点的比较，以及还有对干气密封的辅助装置密封件的主 要要求和现有系列产品的选择和比较，主要密封件的选择和计算方 法。干气密封的发展和成熟成功地解决了浮环密封所暴露的缺点，并 且在控制磨损、降低能耗、延长使用寿命、提高可靠性和压缩成本等 诸多方面发挥了巨大的作用，最为重要的是实现了零逸出，而且方便 了整套系统的维护、实现高自动化控制。文中最后还给出了干气密封 失效的原因和预防措施。 关键词：浮环密封，干气密封，重整循环氢压缩机，密封控制系统， 技术改进 北京化工大学t 程坝上学位论文 s e a lr e c o n s t r u c t i o no fr e f o r m i n gc i r c u l a t i n gh y d r o g e n c o m p r e s s o r a b s t r a c t t y p e k 2 01 c i r c u l a t i n gh y d r o g e nc o m p r e s s o r i n r e f o r m i n g h y d r o t r e a t i n gw o r k s h o po fq i a n g u op e t r o c h e m i c a ls u b s i d i a r yc o r p o r a t i o n o fc h i n ap e t r o l e u mi sc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ri m p o r t e df r o mj a p a nw i t h f l o a t i n g r i n g s e a la si t ss e a lf o n t l w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e a l i n g t e c h n i q u e a n ds e r i e so fp r o b l e m s e m e r g i n g f r o mt h e u s a g eo f f l o a t i n g r i n gs e a l ，g a s s e a la sam e c h a n i c a ls e a lf o r mh a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e d t o c o m p r e s s o r s s h a f ts e a l b ye n g i n e e r s a n d t e c h n i c i a n s i nt h i sp a p e r , t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fg a ss e a l ，t h e e n v i r o n m e n tc o n d i t i o n ，t h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ef o r mo fg a s s e a l t h em a t e r i a lo fi t s c o m p o n e n t sh a v eb e e ns t u d i e di n d e t a i l s f u r t h e r m o r e ，t h ep r e v i 0 u sa n dc u r r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n ，p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c so fg a ss e a lh a v eb e e nc o m p a r e d ，i n c l u d i n gt h ec o m p a r i s o n o fa u x i l i a r yd e v i c e sa n dt h eg o i n gs e r i a l i z a t i o np r o d u c t s m e a n w h i l e ，t h e s y s t e mo fe l e c t i o na n dc a l c u l a t i o no fm a j o rc o m p o n e n t sh a v eb e e n i n t r o d u c e d t h ep r o g r e s sa n dm a t u r i t yo fg a ss e a lh a se l i m i n a t e dt h e d e f e c t sd i s p l a y e di nf l o a t i n g r i n gs e a l ，a n dm a k ei tp l a ya ne n o r m o u sr o l e i n c o n t r o l h n ga b r a s i o n ，r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ，p r o l o n g i n g w o r k i n gl i f e i m p r o v i n gl i a b i l i t ya n dr e d u c i n gc o s t s t h em o s ti m p o r t a n t i si tm a k e sz e r oe s c a p e ，a u t o m a t i cc o n t r o l l i n ga c t u a l i z e d a tl a s t ，t h e c a u s e so ff a i l u r ea n dp r e v e n t i v em e a s u r e sh a v e b e e nd i s c u s s e d k e y w o r d s ：f l o a t i n g - r i n gs e a l ，g a ss e a l ，r e f o r m i n gc i r c u l a t i n gh y d r o g e n c o m p r e s s o ls e a lc o n t r o l l i n gs y s t e m ，t e c h n i c a li m p r o v e m e n t i i 符q 说明 只一法向分量 ，。一摩擦力 凰一弹性支座刚度 r i g ，一质量 e一位移mm r 口一轴表面粗糙度 砌一环表面粗糙度 s 一轴表面不圆度 r 一环表面不圆度 孤轴温度变形 昕一环温度变形 膨( d 一流体作用力矩 尼一端面法向压力，n 6 一密封面宽度，m p 位移，m ，。弹性支座侧作用力臂m m 一径向幛j 隙 e 偏心距，m 一转速，r p m i l 一粘度，k g s m 2 p 一密度，k g f m 3 符号说明 v n 一e h 0 相对偏心距m f 。广一弹簧载荷系数 s 广液力加载作用面积，n t i s 广一密封端面积，肝 x r - 一浮环中心的绝对位移m p l - 一流体作用力在x 轴上的投影 p 一流体作用力在y 轴上的投影 f 。1 一浮环弹性支撑座在x 向的刚度 f 。矿一浮环弹性支撑座在y 向的刚度 r 一流体膜层“结合”质量 b 流体膜层阻尼系数 k 一刚度系数 口一阻尼系数 ，- 端面接头的平均半径，m b 一接头密封宽度，m j i 一流体膜层高度，m 置。一径向间隙内液膜层的有效刚度； 4 一浮环的自由振动频率 只介质压力 凡一膜压系数 第一章概述 1 1 引言 第一章概述 循环氢压缩机k 2 0 1 为进口离心式压缩机，是压缩和输送气体的一种旋转式 机械。随着石油、化工行业的迅速发展，离心式压缩机得到了广泛的应用，除了 超高压聚乙烯生产仍然采用活塞式压缩机以外，大多数倾向于使用离心式压缩 机来输送各种气体。其工作原理是利用高速旋转的叶轮把原动机的能量传递给气 体，使气体的压力和速度升高，随之获得压力能和速度能，并在机内的固定元件 中将速度能转化为压力能，以利于气体压力的增加，并顺利完成工作。 离心式压缩机如果要取得良好的运行效果，必须在转子和定子之间留有一 定的日j 隙，以免在其间发生摩擦、磨损、碰撞和损坏等故障。但是间隙的存在一 定会导致压缩机级间和轴端的泄漏，在压缩机中泄漏现象的出现对其影响往往是 致命的，因为泄漏不但会降低压缩机的工作效率，而且会导致环境污染、甚至发 生爆炸等严重事故。在间隙必须存在的不争的事实下，密封成为避免压缩机级问 和轴端泄漏的唯一有效的措施。根据压缩机的工作温度、压力和气体介质有无污 染等条件，密封可以选用不同的形式，为了减少机器中的气体从高压处向低压处 泄漏，在各级叶轮的进口圈外径处均设有轮盖密封；在级与级问设有级间密封； 在转轴伸出轴端之外处设有轴端密封。轴封的主要作用是为了防止和限制被输送 气体沿压缩机旋转轴端泄漏到大气中去，以维护主机的正常运行，降低物料和能 耗，防止环境污染和保证人身和设备的安全。尤其在石油化工行业中，离心式压 缩机处理的气体大多为有毒、有害、易燃易爆和对环境有污染的气体，因此，轴 封的作用极其重要，也是压缩机中最为关键的部件，其性能的好坏直接影响机组 的运行情况。设计优良的轴封就成为重中之重u ，。 1 2 密封相关领域的历史、现状和发展情况分析 目前，国内外所使用的离心式压缩机组中根据被密封气体的物理、化学性质 和价值的不同采用不同的轴封形式，如迷宫抽充气密封、浮环密封、机械浮环组 合密封、双端面机械密封、螺旋槽端面密封等”1 ，以确保机组的安全运行。 石化行业离心式压缩机使用的第一代轴端密封技术是迷宫抽充气密封“1 ，沈 阳鼓风机厂在六、七十年代用的就是这类密封，该厂八十年代引进意大利新比隆 公司的浮环密封技术后，将这类密封淘汰了，原因是这类密封运行维护费用高， 北京化t 大学t 程硕l 学位论文 蒸汽无法回收再利用而造成环境污染。浮环密封是压缩危险性工艺气体的离心式 压缩机轴端密封的传统形式，到目l i 为止，在各类实际应用的密封形式中仍然占 据主导地位。从发展历史看，这类密封是替代迷宫抽充气密封的新一代密封。目 前，国内外石化行业大型压缩机组中使用浮环密封的占9 0 以上“1 。从原理上来 说，浮环密封是一种液体节流非接触密封，通过油楔作用使浮环克服自重，而与 轴和轴套保持一定的间距，避免了固定件自j 的直接接触，故可达到长寿命的目标。 然而，浮环密封也存在着内泄漏量大、控制复杂、适应性差等缺点。为了克服浮 环密封存在的这些缺点，通过大量的实验与研究，机械密封技术被成功地应用到 离心压缩机轴封中。机械密封技术是离心式压缩机的主要密封形式。其原组合密 封技术在催化气压机组轴封系统的应用及探讨是一对带有自动补偿机构，垂直于 轴的光洁平整的密封面良好贴合，而起密封作用，密封性能好，泄漏量比一般密 封都小，工作状况稳定，停车时也能起到密封作用。但由于是接触式密封，磨损 受到限制，材料品种多，安装要求高“。 随着石化行业生产需求的发展，机械密封技术发展迅速，出现了许多新技术、 新产品。其中干气密封是当今国际上的一个重要技术发展趋势。特别是近年来新 研制出的干气密封技术基本达到了“零逸出”的要求。另外，由于石化行业透平 压缩机所处理的工艺气体对油润滑的主密封有不同程度的腐蚀和污染，故在主密 封与工艺气体之间往往设置一个前置的隔离气体密封，引入干净的中性气体或腐 蚀污染程度较低的脱硫干气作为隔离气体来保护住密封。一方面，通过隔离气体 向工艺气体方向的流动来阻止工艺气体逆流方向反扩散；另一方面，通过节流来 控制隔离气体的流量。 1 3 千气密封的理论研究与发展状况 气体端面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， 其中以螺旋槽密封最为经典嘲。1 9 6 6 年，m u i j d e n n a n 采用复变函数保角变换理 论将螺旋槽模型转化成平面直线槽模型，并重点考虑了边缘效应，提出了较完整 的螺旋槽轴承理论。经过数年的理论研究，在七十年代，第一套商业干气密封在 美国面世，当时运行条件是2 7 6 m p a 压差和1 2 0 m s 的线速度，其气体泄漏量仅 为o 0 0 1 0 0 0 2 m 3 s 忉。 1 9 6 8 年，h s c h e n g 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埘。1 9 7 0 年，g a r d e n 将螺旋槽近似解析理论直接用于密封研究，对于弯曲且开有螺旋槽端面机械密封 的性能进行了研究啪。1 9 7 2 年，s m a l l e y 对平面、球面和柱面槽型的气体端面密 2 第一帝概述 封进行研究分析，用直角坐标系的窄槽理论和有限差分法来求解r e y n o l d s 方程， 得到承载力、功率消耗、泄漏量和刚度系数“。1 9 7 3 年，s n e c k m c g o v e r f l 提 出了一种基于窄密封面的槽线建立r e y n o l d s 方程的解析方法“，但由于该方法 的不严谨和不方便，未能获得广泛应用。1 9 7 8 年，g a b r i e l 对螺旋槽非接触机械 密封的基本问题进行较全面论述，该文献作为重要著作于1 9 9 4 年重新发表”。 八十年代末期，a o l e b e c k 和l a y o u n g 提出了一种波度倾斜 坝( w j r r 娟i t - - d a m ) 机械密封面新结构，a o l e b e c k 的试验表明，这种波 动倾斜综合作用的气体密封具有泄漏小、摩擦小以及抗液体阻塞能力强的特点， 而且密封运转稳定可靠、寿命长“”。1 9 8 4 年，s h a p i r o 在考虑了惯性力影响的情 况下，研究了用于高速液氧透平泵的螺旋槽机械密封“”。 目前干气密封理论都是在前人的理论基础上发展起来的，尤其是螺旋槽密封 近似解析方法，基本上均起源于m u i j d e r m a n 的螺旋槽轴承理论，由于该方法的 简洁使用而获得广泛的应用。 近年来，随着干气密封理论的研究深入、试验的开发及制造精度的提高，有 效地解决了干气密封应用中出现的问题，如密封环端面磨损、热裂等问题。同时 干气密封控制技术的越来越趋于完善，使得干气密封得到迅速发展，在国内石化 行业得到普遍应用，尤其在高速离心压缩机上取得了大量成功经验，用干气密封 取代迷宫抽充气密封、浮环密封普遍被各企业看好。 1 4 课题的提出 中国石油前郭石化分公司重整加氢车间，循环氢压缩机1 ( 2 0 l 为进口离心式 压缩机。型号r b s l 3 5 8 6 + 2 ，额定转速1 2 7 9 0 r p m ，原设计的密封形式为浮环密 封。自投入运行以来，密封功耗大，工作不稳定轴封泄漏造成封油污染，使密封 油损耗大，年运行成本高，经常因密封及其系统故障造成装置停车，同时，进口 浮环密封价格昂贵，采购周期长，不利于机组长周期运行。经公司分析研究后投 入资金对进口机组浮环密封进行国产化技术改造。本文主要是围绕重整循环氢压 缩机进口密封国产化技术改造进行的。通过对高速离心压缩机轴封用干气密封理 论的探讨与分析，确定了压缩机轴封改造的可行性，并应用于现场实际。 1 5 该课题的设计要求和主要任务 本文主要通过对浮环密封与干气密封原理的剖析，对进口压缩机轴封进行改 造，重点解决封油跑损及润滑油污染问题，达到长周期运转。 3 北京化t 人学t 程硕l 学位论文 ( 1 ) 分析干气密封、浮环密封的原理和特点。 ( 2 ) 设计方案的确定：包括使用要求、条件、型式的选择和材料的确定。 ( 3 ) 辅助装置密封件主要尺寸的确定和现有系列产品的选择和比较。 ( 4 ) 主要构件的设计和计算( 主要是密封副、辅助密封、弹性元件、紧固零 件的设计和计算) 。 ( 5 ) 主要构件的材料和制造安装工艺的选择和确定。 ( 6 ) 根据设计完成整套图纸和技术要求。 4 第一二章离心式件缩机用浮环密封缘理，结构 第二章离心式压缩机用浮环密封原理与结构 我公司的重整循环氢压缩机原轴封系统为浮环密封，为了更好地对其国产化 改造，本文将在第二章、第三章分别对浮环密封、干气密封的基本原理和基本结 构以及在离心式压缩机上的应用的优缺点加以论述。 2 i 浮环密封的基本原理和结构 2 1 浮环密封的基本原理 浮环密封实质上是一种径向间隙和轴向端面密封结合、非接触式密封与接触 式密封结合、流体动压密封与静压密封结合的混合密封形式“。这是中压和高压 离心压缩机常用的密封方式之一。浮环密封的原理结构图如图p l 所示。当轴旋 转时，在浮环与轴之间的密封液形成液膜。由于液体动力作用，这种液膜具有支 撑力r 。当它足以克服环与端面的摩擦力f 和环的自重g 时，环就被密封液托起。 其结果是环与轴自动同心，它们之间形成一道“刚度”极大的膜，起阻止介质泄 漏的作用。图中浮环2 、6 在自动对中作用下浮起，与轴的径向保持极小的间隙， 故能起到较大的节流密封作用。通常情况下，把靠近被密封介质侧的浮环6 称为 内浮环；把靠近大气侧的浮环2 称为外浮环。实际结构为了提高密封效果，常将 高于气体压力的密封油由注油孔4 注入，使密封油充满轴与浮环之间的间隙。借 助压力油封住泄漏的介质气体。一般控制密封油注入压力比气体压力高出0 0 5 0 i m p a ，密封油进入浮环间隙后，一方面向高压侧泄漏，其密封油与气体接触， 变为污油。另一方面向大气侧泄漏的油没有被污染，可以直接回收到油箱继续使 用。因此，内浮环的间隙比外浮环的间隙要小些，以减小内侧的回油量。同时， 在内泄漏的前端气封处注入高于被密封气压力0 0 5 m p a 左右的密封气作为隔离 气来防止密封油被所密封的介质所污染，我公司循环氢压缩机浮环密封的密封气 采用氮气。 浮环密封多使用在离心式压缩机上。轴的线速度一般在9 0 a s 以下，压力达 3 0 m p a 哪，使用温度受到润滑油的凝固点和闪点的限制，使用寿命可达一年以上。 5 北京化1 二人学t 程硕i ：学位论文 l 一齄2 书浮环3 一静转鳞4 一密封渔入口5 一薯簧扣由洋琢7 一机壳 1 - s h a f t 2 - e x t e r n a l f l o a t i n gr i n g3 - s t o p p i n4 - i n l e t o f s e a l i n g c e m e n t 5 - r i n g 6 - i n t e r n a l f l o a t i n gr i n g 7 - c a s i n g 图2 - l 浮环密封工作原理图 _ 钮2 - 1o p e r a t i o n a ls c h e m a t i cd i a g r a mo f f l o a t i n g - r i n gs e a l 2 1 2 浮环密封基本结构特性与型式 2 1 2 浮环密封基本结构特性 ( 1 ) 浮环密封是一种可以径向活动的密封，这样就可以补偿转子相对于箱 体的不同心度和径向摆动。考虑到浮环的自由定位，密封的间隙和泄漏量应尽可 能做到工艺上决定的最小值； ( 2 ) 浮环的密封性的好坏由浮环与轴之间的径向间隙决定： ( 3 ) 浮环的自由定位是靠端面滑动的可能性来实现的； ( 4 ) 端面接触的密封性是靠端面互相贴合，两表面的平面度和粗糙度来保 证的： ( 5 ) 浮环压向端面是靠弹簧和工作介质的压降来压紧的； ( 6 ) 浮环具有径向间隙运转，要求相对于转子自动定中心； 因此，浮环密封实质上既是流体静、动压，又是接触与非接触的一种径向间 隙密封与轴向端面密封组合的混合密封。 6 第一二幸离心式件缩机用浮环密封原理j 结构 2 1 2 2 浮环密封的基本结构型式 离心式压缩机浮环密封用浮环有很多形式。 ( 1 ) 宽环 宽环即环的宽度l 与轴直径d 之比，其比例if d = o 4 0 6 。其特点是流体 动力大，但不需要对正中心的附件。在一定的压差和泄漏量之下，环的数目可以 比窄环少，结构简单，便于装卸和维修，端面接触面摩擦阻力大，浮动困难。 1 2 ) 窄环 浮环宽度l 与轴直径d 之比为0 1 o 。2 。窄环与轴的间隙较小，形成的流 体动力较小，大多数用0 形橡胶圈或弹簧来帮助对正中心。环的一端加工成斜面 或倒角，便于安装，在浮环上钻有卸载孔，与宽环比较泄漏量小，容易浮动。 ( 3 ) 螺旋槽面浮环密封 浮环内孔开有螺旋槽，实质上是螺旋密封和光滑浮环密封的组合密封，采用 螺旋槽面浮环，在同样的宽度和压差下，泄漏量要比光滑的浮环密封小，特别是 在高速下可以有效的密封。 ( 4 ) 具有锥形轴套的浮环密封 浮环密封部位的轴套为锥形。与此相应的浮环内孔也是锥形，这种浮环密封 的特点是高压侧密封间隙比一般圆筒形内侧环间隙大，密封液通过锥形缝隙通道 时，由于锥形轴套的旋转带动密封液产生离心力阻止封液向内侧泄漏，起到叶轮 抽吸作用。 ( 5 ) 带冷却孔的浮环密封 高压侧的密封环间隙小，泄漏封液带走的热量也少，这样就造成高压侧浮环 温度较高。 为了改善高压侧的浮环工作条件，在高压侧的浮环上开冷却孔，同时将封液 先引入高压侧的浮环来冷却浮环。 北京化丁人学t 程顾j 学位论文 ( 6 ) 多层浮坏 由几个甚至十几个光滑浮环并列组合而成，对于有润滑性介质，浮环材料多 用金属( 铜或铜合金) ；对于有腐蚀性的介质，则用耐腐蚀的金属材料，石墨既 耐腐蚀又耐热，但较脆，为了防止断裂，将石墨环用冷缩的方法套入金属环内， 然后加工内孔，密封效果良好。可以用于高达4 0 0 的气体密封。 2 2 浮环密封的力学计算啪啪 2 2 1 浮环密封的静力学计算 ( 1 ) 浮环自定中心条件 只有在自定中心条件下，才能实现浮环密封的径向间隙的非接触工况的主要 优点；在最不理想的情况下，对于水平轴的密封，当轴对箱体有与重力方向相反 的位移时，此条件具有以下形式： 只( p “) ，+ 崩l g + ( 巳一h o ) ( 2 1 ) 式中只一径向缝隙中流体力学作用力的法向分量，即沿环中心和轴中心作用 的力；m ，i 一端面接头的摩擦力；n j l 一浮环弹性支座刚度； m ，一浮环质量；k g e 。一轴心对箱体中心的位移；i l l 法向力只在轴对轴最大位移e 一时计算，e 。可按下式计算： e n w t = h o c ( r a ，+ r a ，+ a s + a r + u s + u r ) 一般地c = i 2 1 5 ； r a ，、r a ，轴和环表面粗糙度； s 、r 一轴和环表面不圆度： 洳、跏一轴和环温度变形； ( 2 ) 端面接头不打开条件 第一章离心式件缩机用浮环密封照理j 结构 端面接头的打开会破坏浮环密封的密封性，并且在浮环受力矩作用下发生端 面打开，在最不利的条件下，在立轴布置时，径向缝隙中流体作用力和环重量作 用下产生旋转力矩，防止接头打开。 端面接头不打开的条件一般形式如下： m ( p ) + 埘，g ( ，+ 6 ) f z i r + b ) + k o e , l y ( 2 2 ) 式中 肘。( p ) 一浮环对轴最大位移e _ 。决定的流体作用力矩； e 一端面法向压力，n ； b 一端面接头的密封面宽度，n l ； 口，一浮环相对于箱体的朝向力p 方向的位移，m ； ，。一弹性支座侧作用力臂，m 。 对于层流工况： 只= 7 r ( p s - p a ) 2 p r h o 占8 0 h 2 ，r p t = 死弘。r l ：s 2 h o 式中h o 、e 一缝隙入口径向间隙和偏心距，咀 d 一转速，r l y t l l l i i 一粘度，k g s m ； p 一密度，k g f m 3 ； e k 相对偏心距m 在一般情况下： c = ，0 + 只s ，( 曰一k ) 式中f 。p _ 一弹簧轴向载荷； 端面接头的平衡比或液力载荷系数， b = s r ，s ， s 广液力加载作用面积，m 2 ； s 广密封端面积，时； 考虑端面接头内液压分布的膜压系数，k = 1 ( 8 s ，) ，2 只= 2 石i ( p 一只) r d r ) 9 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 北京化t 人学t 程顾l 学位论丈 对于无润滑物料和端面无泄漏的摩擦工况下，k ：o 。当边界和流体润滑时， o l 时，浮环受到液力加载，当b i 时，浮环受到 卸载，改变平衡比可以在很大程度内调节e 和r 的值。 浮环的密封性和自定中心的最佳只比值为3 5 。在气体和润滑性比油差 的液体中，上述的只p 比值应大大减小。o 2 2 2 浮环密封的动力学计算 实现不等式( 2 2 ) 可以保证径向缝隙不接触工作和浮环在静力平衡条件下 端面接触的密封，在工作的机器中，由于振动的结果，密封的平衡状态会被破坏。 确定干扰力停止作用后甚至很小的干扰力对，浮环恢复到原来平衡位置的条 件是很有益的。浮环在不旋转坐标下的运动方程的一般形式如下： m r 哆= 只一“一0 - x , ( 2 7 ) m ，劈= 0 一f 丹一k 。) ，( 2 7 ) 式中x 。y r 诨环中心的绝对位移； p l 、p 。径向缝隙中产生的流体作用力在轴上的投影； f 。，、f ，浮环弹性支撑座在x ，y 向的刚度 在一般情况下，当浮环相对于x 、y 轴的向位移很小时，即x ，y 的平方和再 开平方远远小于h 。时，考虑液体膜层对浮环的惯性、阻尼和弹性作用，确定只、 p t ，力的公式具有下一形式： p x = m c 叠 b “毋卜b 母弘r k 伍e x k 口y p ；= 一m c 乒 b 口壹 b 瞪多卜x 博e x k 时。y 式中风一流体膜层“结合”质量； 口、k 一流体膜层阻尼系数和刚度系数； 摩擦力：以x 2b + 母 1 0 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 第一章离心胩缩机用汗环街封煦理j 绵构 f p y2b 髯 式中曰一阻尼系数，当端面接头处于液体润滑工况时， 丑+ = 2 n p r , , b h 式中 o 端面接头的平均半径，m ； b 一接头密封宽度，m ； | i 一流体膜层高度，m 当端面接头处为自润滑物料摩擦工况时， 曰；e 42 + b 2 如果浮环质量比轴的质量小的多，那么环对轴位移的影响可以忽略不计。在 这种情况下式( 2 7 ) 中的绝对位移、只可以用相对位移x 、y 来代替，于是稳 定性条件具有下一形式： m ，( k h a 。2 一m 。 ( 2 9 ) 式中j 径向间隙内液膜层的有效刚度； 口c 在稳定性界限上浮环的自由振动频率 如= 【( 如+ k ) ( 如+ 矿) + ( b + b x 气+ 曰) 一如一如j + + 2 占 吒= 盟离妊铲 i 2 从不等式中可以看出，“结合”质量表示的液膜层惯性力对浮环有不稳定的 影响，并同时减小其稳定区。 在特殊情况下，浮环相对于轴接近同心位置，径向缝隙中液膜层性质是各向 同性的。 k 。= k 口= k 。： b 。2 b 口= b 。： k 口。一k h = k t ： b 9 2b ”= 0 ： 北京化t 人学t 程硕f 学位论文 稳定性条件具有下一形式： 用， ( k 。+ k 。) 式中k o = ( k + k ) 2 ； q = o 5 e 2 q 2 _ ( j 匕) 2 ( 只+ 曰+ ) 从上列关系式中可以看出，浮环弹性支撑( k 。一髟。) 各项异性可以提高稳 定性。径向缝隙的阻尼( b 。) 和端面接头中的阻尼( 口) 也有稳定性影响，提 高稳定性可以通过减小频率以并相应的增大浮坏的质量i n r 的允许值来保证。 在液体无惯性层流时，k ，= 0 5n j b 。；m c = 0 ，在这种情况下稳定性形式如 下： r a ， ( 墨+ k o ) a c 2 式中 q - - 0 5 吃2 q 2 - ( j 乞b ) 2 ( e + b ) 如果将稳定性形式写成限制转速频率的形式如下： q s 2 学圳+ 争警 2 3 浮环密封在高速离心式压缩机轴封上应用时结构和材料的设计 准则 2 3 1 浮环密封结构设计原则 ( 1 ) 尽可能地减小封液通过高压浮环的内泄漏量( 减小漏向机内封液的泄 漏量) 。为此，在允许的条件下，高压侧浮环的密封间隙及液、气压差应尽量小 些，高压侧浮环还可以采用上述的螺旋面槽浮环和锥形轴套等措施。 ( 2 ) 有效地排除封液在高压、高速下产生的摩擦热和节流热，主要是散除 高压侧浮环的热量。为改善高压侧浮环的工作情况，可以采用上述浮环开孔、冷 却液先通过高压侧浮环等措旌。 ( 3 ) 在刚度、强度允许的条件下，尽量取较薄的环截面，即环的内外径之 比不要太小。 ( 4 ) 提高浮环寿命，延长使用期。浮环材料的膨胀系数要比轴的大，以防 止高温情况下产生抱轴的危险。 ( 5 ) 液气混合腔要留有一定的容积，机内平衡室要合理地连通，为防止封 1 2 第1 二章离心式脉缩机用浮环密封原理j 结构 液窜入气缸内，要控制流速。 2 3 2 材料设计原则 浮环密封主要元件是指浮环、轴或者轴套( 视与浮环配合的类型而定) ；主 要元件的材料要求如下： 浮环材料应保证摩擦面的必要精度和粗糙度，以及尺寸的稳定性，浮环和轴 的材料都应该有相近的线性膨胀系数、良好的抗抓伤性能、很高的耐磨性和化学 稳定性、耐腐蚀性和抗冲击性。 对于浮环密封建议使用以下材料：封液为透平油时，可用3 5 号碳钢浇注巴 氏合金( 3 5 + z c h p b s b d l 6 6 ) 。轴套材料与设计压力有关： 当只 t m p a 时，可以用合金结构钢如4 0 n i c r o 做轴套，其配合过盈也取大些 ( 1 5 2 ) d ，轴套材料也可以用3 8 c r m o a i 做表面氮化处理等“”1 。 2 4 浮环密封的工作优缺点 它属于非接触式密封，使用寿命较长。适用于高速和各种压力等级的透平压 缩机，适应工况范围广。但是存在以下缺点： ( 1 ) 因其本身的结构所限，静态泄漏必然存在且较大，存在污染工艺气的 可能。 ( 2 ) 浮环密封的控制系统非常庞大、复杂，运行维护费用高。包括密封油 站、油泵、过滤器、冷却器、高位油箱、脱气槽等辅助设施，运行成本高，维护 费用高，维护工作量大。 ( 3 ) 浮环密封油气压差很小，控制复杂，操作条件苛刻，适应性差，浮环 辅助系统的投资远高于密封本身的投资。 ( 4 ) 运行的不稳定性。浮环密封运行过程中，由于内浮环损坏，内泄漏增 大时，通常会出现两种严重情况：一、内泄漏量超过脱气槽的处理能力，导致密 封油被工艺气污染，油箱的闪点降低，需定期整体更换封油，成本大量增加。二、 内泄漏量超过油气分离器的处理能力，则多余的内泄漏密封油会进入压缩机内污 染介质。 ( 5 ) 操作的不稳定性。浮环密封的油气压差一般有严格的控制，通过调节 阀控制高位油箱液位来保证压差，调控比较繁琐、困难，油气压差高，则内泄漏 大；油气压差低，则工艺气可能窜至密封油中。尤其是机组工艺参数变化时，经 北京化t 人学t 程硕i 。学位论义 常发生类似情况。 ( 6 ) 更重要的是内泄漏增大时，将严重威胁机组的正常运行，一旦造成机 组停车，将会造成更大的损失。 2 5 浮环密封常见故障及解决办法 浮环密封使用过程中经常出现故障，发生在我公司机组的主要故障见表2 1 。 表2 一l 浮环密封故障 序号故障内容解决办法 l 密封油接触介质，被介质污染，造成浮环点 解体检查，更换内外， 蚀密封漏鼍增大。浮环，将脱气槽的油不 回封油箱 2 浮环安装有问题，造成密封油回油不畅，油更换浮环 气分离器液位无法控制，脱气槽内油溢出。 3 密封气体脏，有杂质，造成浮环磨损。更换密封，密封气加过 滤装置 4 密封油压力控制调节阀阀芯腐蚀脱落，造成更换调节阀 密封油压力低，密封失效介质外漏。 5 密封高位油箱液控阀失灵，造成高位油箱油更换液控阀 满。封油跑损。 6 由于仪表风中断，密封油高位油箱液控阀全改液控阀控制方式 开，封油跑损。 7 主副油泵同时出现故障，被迫停机检修或更换。 8 密封油压差调整不好。造成封油与介质互调整好压差。 宙。 9 同油不畅，造成封油与润滑油互窜，使润滑更换浮环及刮油刀。 油闪点下降，同时污染润滑油，严重腐蚀轴 瓦与调速系统。 l o 浮环密封防转销、弹簧腐蚀脱落和折断。造更换防转销或密封。 成密封失效。 1 4 第二三幸离速离心式持缩机轴封系统用十气密封原理j 结构 第三章高速离心式压缩机轴封系统用干气密封原理与结构 干气密封技术是一种非接触式的机械密封，采用“以气封气”流体动静压结合的 方式，是目i ； 世界上最先进的一代高速透平压缩机的轴封形式，并且以诸多的优点得 到工程人员的广泛应用。 3 1 千气密封的原理和基本结构 干气密封原理结构见图3 - 1 。 1 一弹簧座i2 一弹簧；3 、6 、8 - - 0 形密封环；4 一动环；5 一轴套；7 一静环 1 - r i n gb a s e2 - r i n g 3 、6 、8 - 0r i n g4 - r o t o rr i n g5 - a x i l es l e e v e7 - s t a t i o n a r ys e a lr i n g 图3 - l 干气密封原理结构图 f i g 3 - 1s t r u c t u r a ls c h e m a t i cd i a g r a mo fg a sr i n g 干气密封的主要部件是能产生气膜的动环和静环。动环通过轴套固定在压缩机的 旋转轴上，静环则安装在一个不锈钢座内。干气密封跟一般的机械密封的根本区别是 在摩擦副的一个端面上刻有特殊的螺旋槽( 如图3 - 2 所示) 。这种槽丌在由硬质材料 制成的非补偿环上。该环一般为螺旋环，也就是动环，当该环随轴一起转动时，螺旋 槽对密封气起泵吸作用( 泵送原理图见图3 - 3 ) ，密封气沿切线方向进入螺旋槽内向中 心流动，在这个过程中，气体被压缩，压力升高。这个压力就是摩擦副的开启力，当 这个开启力大于弹簧和介质共同形成的闭合力时，密封面被分离。开启力随密封面间 隙的增大而减低。当开启力与闭合力相平衡时，在密封面间形成有一定厚度和刚度的 气膜，使两个相对滑动的密封端面脱离接触，因而，此种密封形式为非接触式密封。 簿 北京化t 人学t 程帧i 学位论文 动环组件旋向 图3 2 动环螺旋槽 f i g 3 - 2l 王o t o r r i n gs p 缸a lf l u t e 图3 - 3 泵送原理图 f i g 3 - 3p u m p i n gs c h e m a t i cd i a g r a m 3 2 千气密封的基本元件、作用和要求 干气密封作为一种机械密封，其密封效果和性能的好坏很大程度上受到密封元件 质量和要求的影响，因此设计合理、优良的密封元件对密封效果是非常重要的。 1 6 第三章高速离心式件缩机轴封系统用干气管封鲰理- w 构 3 2 1 干气密封的基本元件 一般情况下，构成千气密封的基本元件有：端面密封副( 静环和动环) 、弹性元 件( 如弹簧) 、辅助密封元件( 如o 形圈) 、传动件( 如传动销和传动螺钉) 、防转件 ( 如防转销) 和紧固件( 如弹簧座、推环、压盖紧定螺钉和轴套) 。 3 2 2 干气密封的基本元件的作用和要求 干气密封的基本元件的作用和要求如下： ( 1 ) 端面密封副( 动环与静环) 端面密封副的作用是使密封面紧密贴合，防止介质泄漏。它要求静、动环具有良 好的耐摩性，动环可以轴向灵活地移动，自动补偿密封面磨损，使之与静环良好地贴 合( 动环和静环哪个作为补偿环视情况而定) ；静环具有浮动性，起缓冲作用。为此， 密封面要求有良好的加工质量，保证密封副有良好的贴合性能。 ( 2 ) 弹性元件( 弹簧、波纹管、隔膜) 它主要起预紧、补偿和缓冲的作用，要求始终保持足够的弹性来克服辅助密封和 传动件的摩擦和动环的惯性，保证端面密封副良好的贴合和动环追随性，材料要求耐 腐蚀、耐疲劳。 ( 3 ) 辅助密封( 如0 形圈、v 形圈、u 形圈、楔形圈和异形圈) 它主要起静环和动环的密封作用，同时也起到浮动和缓冲作用。要求静环的密封 元件能保证静环与压盖之间的密封性和静环有一定的浮动性，动环的密封元件能保证 动环与轴或轴套之问的密封性和动环的浮动性。材料要求耐热、耐寒并能与介质相容。 ( 4 ) 传动件( 传动销、传动环、传动座、传动键、传动突耳或牙嵌式联结器)它 起到将轴的转矩传给动环作用。材料要求耐磨和耐腐蚀。 ( 5 ) 紧固件( 紧定螺钉、弹簧座、压盖、组装套、轴套) 它起到静、动环的定位、紧固的作用。要求轴向定位正确，保证一定的弹簧压缩 量，使密封副的密封面处于正确位置并保持良好的贴合。同时要求拆装方便、容易就 位、能重复利用。与辅助密封配合处，安装密封圈要有导向倒角和压弹量，应特别注 意动环辅助密封件与轴套配合处要求耐磨损和耐腐蚀，有必要时与轴套配合处可采用 硬面覆层。 ( 6 ) 防转件( 防转销) 它起到防止静环转动和脱出的作用。要求有足够的长度，防止静环在负压下脱出， 并要求正确定位，防止静环随动环旋转。材料上要求耐腐蚀，在必要时中问可加四氟 乙烯套，以免损坏碳石墨静环。 1 7 北京化t 人学t 程预i 。学位论文 3 3 干气密封的泄漏途径 ( 1 ) 密封副( 动环与静环形成) 密封面处泄漏 密封端面是决定机械密封摩擦、磨损和密封性能的关键，同时也决定机械密封的 工作寿命。掘统计，机械密封的泄漏大约有8 0 9 5 是由于密封端面密封副造成的。 因此，要求接触面保持平行，表面粗糙度要求高，r 。= o 0 5 o 2 | ln l 、平面度 9 0 )配合面材料很硬、介质有固体颗粒时选用 在这里，我们选用碳石墨作为静环的材料，主要原因如下： ( 1 ) 较高的导热性。碳的导热系数2 0 4 0 w ( 1 i l i ( ) ，石墨的导热系数4 0 1 2 8w ( i n k ) ，仅次于银、铜和铝，是非金属材料中具有高导热率的材料，比某些金属的导 热率高的多。因此，能及时将产生的摩擦热散失，从而降低密封端面的温度，这对提 高其可靠性和使用寿命都是非常必要的。 ( 2 ) 较低的线膨胀系数。石墨的线膨胀系数大约是金属的1 2 1 4 。在温度升高 时，其热变形很小，对保持密封端面的平行是有利的。低的膨胀系数加上高的导热率， 使其具有良好的热稳定性，耐热、耐寒和耐热冲击性能好，在承受温度剧变的时候不 产生裂纹。 ( 3 ) 良好的耐腐蚀性。石墨的化学稳定性很好，在空气中4 0 0 以下稳定，除强 氧化性介质如王水、铬酸、浓硫酸及卤族元素外，可耐其他酸、碱、盐及一切有机化 合物的腐蚀。需要说明的是其耐腐蚀程度随石墨的种类和浸渍剂的不同而异。 第审牵整循邛氧件缩机轴封系统国产化改过 ( 4 ) 极好的自润滑性。这是因为石墨与金属或其他材料相对摩擦时，石墨转移到 金属表面，形成石墨与石墨的相对摩擦。此时石墨还有低的摩擦系数，石墨与金属对 磨的摩擦系数为0 0 4 o 0 5 ，在全液润滑条件下，摩擦系数仅为0 0 0 8 0 0 1 。 ( 5 ) 石墨的抗拉强度较低，抗压强度较高，属于一种脆性材料。由于硬度较低， 因此常用做摩擦副中的软环。可以很方便地进行各种加工。 2 动环材料的选择( 密封面硬材料) ( 1 ) 金属材料 铸铁和模具钢、轴承钢等特殊钢不耐腐蚀，不能用于水类液体和药液，通常用于 低负荷、油类液体，一般工艺过程中很少用它。斯太利( 钴铬钨合会) 也属于此类。 ( 2 ) 工程陶瓷 氧化铝( a 1 2 0 3 ) 整体和氧化铬( c r 2 0 3 ) 覆层的耐腐蚀性好，中等负荷、药液、 工艺过程和海水等密封使用较多。氧化铝的也可以用作配环材料。它的硬度高、耐磨 性好，但是耐热冲击能力很低。工业陶瓷在机械密封中使用许多年以来，继续被高性 能的碳化硅所代替，只有纯度高的9 9 5 氧化铝，石油化工中使用水平仍然较高。 ( 3 ) 硬质合金 硬质合金一直是机械中常用的密封面硬材料，因为韧性和刚性特别大，而且耐磨 性很好。常用的粘结剂有钴和镍两种。6 钴基碳化钨使用范围广；镍基碳化钨由于耐 腐蚀性有所改进，在石油化工工业中用得比钴基更普遍。同时使用碳化钨的主密封环 和配环，在石油炼制、矿业和非腐蚀性工艺用途中使用较广。机械密封中不含粘 结剂的碳化钨是耐腐蚀硬质合金的主流。 ( 4 ) 新型陶瓷 碳化硅和氮化硅等称之为新型陶瓷。 氮化硅的破坏韧性较大，在轴承中使用，但在机械密封中它的硬度和耐腐蚀性有 些欠缺，实际使用较少。 碳化硅的硬度接近金刚石，具有突出的耐磨性。特别实在很大的温度范围内保持 耐腐蚀性和耐磨性。在很高的耐磨性和高性能场合。机械密封制造厂和用户更多地使 用碳化硅代替石墨和其他材料。 综合以上论述，串联式干气密封的摩擦副的材料选择如下： 动环材料：镍基碳化钨；静环材料：碳石墨。 4 4 1 2 串联式干气密封的密封端面宽度的确定 密封端面的宽度一般是首先决定软面的宽度，硬面宽度自不待说。泄漏量与端面 宽度关系不大。但是，从产生的摩擦热量来说窄一些较好，产生的热量较少，温度梯 度小，热变形也小，磨损较均匀：从受力角度考虑过窄不利，破坏和变