（化工过程机械专业论文）轻烃泵群用新型机械密封系统应用研究.pdf

摘要 针对山东神弛化工股份有限公司气分装置中轻烃泵群用接触式机械密封使用周期短、 可靠性和稳定性差、介质泄漏严重等突出问题，根据非接触式气膜密封工作原理，研制开 发出了轻烃泵群用新型机械密封系统。 本文针对原泵群用机械密封系统存在的不足，设计出新型的“接触式密封+ 非接触式 气膜密封 相串联的新型机械密封结构及辅助系统；运用数值计算法，对螺旋槽气膜密封 进行了稳态特性分析，揭示了变转速或变压力条件下密封稳态特性的变化规律；在此基础 上，对开发设计的新型密封进行了实验室性能研究。结果表明，在变转速或变压力条件下， 新型机械密封的密封性能优良、端面温升及摩擦功耗极低，而且气膜密封在氮气压力为零 的情况下也能够实现非接触运转，完全满足工业应用要求。新型机械密封系统在现场的成 功应用，表明该密封具有优良的密封性、可靠性、稳定性和经济性。 本文对于解决炼油化工装置中轻烃泵群用机械密封存在泄漏严重、使用周期短等突出 问题，具有重要的指导意义和工程应用价值。 关键词：气分装置；轻烃泵；气膜密封；特性分析；工业应用 a p p l i c a t i o ns t u d yo nn e w t y p em e c h a n i c a lf a c es e a l f o rl i g h th y d r o c a r b o np u m p s w a n gx i a o y a n ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e d b y p r o fq i ux i n g q i p r o f h a om u m i n g a b s t r a c t i nv i e wo fs h o r t e ru s i n gp e r i o d ，b a dr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t ya n ds e r i o u sl 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 lf o rl i g h th y d r o c a r b o np u m p si ng a ss e p a r a t i o nu n i t so fs h e n c h i c h e m i c a lc o ，l t d s h a n d o n g ，t h en e w - t y p em e c h a n i c a ls e a l sf o rl i g h th y d r o c a r b o np u m p sw e r e d e v e l o p e dw i t hf u n c t i o n a lp r i n c i p l eo fn o n - c o n t a c t i n gg a ss e a l i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m so f c o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a lf o rl i g h th y d r o c a r b o np u m p s t h en e w - t y p et a n d e ms t r u c t u r ec o m b i n e dc o n t a c t i n g - - n o n - c o n t a c t i n gg a sm e c h a n i c a ls e a la n d a u x i l i a r ys y s t e mw e r ed e s i g n e d t h es t e a d ys t a t ec h a r a c t e r i s t i c so fs p i r a lg r o o v e dg a ss e a l sw i t h n u m e r i c a lm e t h o dw e r ea n a l y z e d ，a n dt h ec h a n g er u l ea c c o r d i n gt op r e s s u r eo rs p e e dw e r e p r e s e n t e d b a s e d o nt h a t t h ep e r f o r m a n c e so ft h en e w t y p es e a lw e r er e s e a r c h e dw i t h e x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h en e w - t y p es e a lh a sl o t so fa d v a n t a g e ss u c ha s e x c e l l e n ts e a l i n gp e r f o r m a n c e ，l o wf a c et e m p e r a t u r ei n c r e a s ea n df r i c t i o np o w e rl o s sw h e n c h a n g i n gp r e s s u r eo rs p e e dt h eg a ss e a lc o u l dn o n c o n t a c t i n gr u ne v e ni ft h ep r e s s u r eo f n i t r o g e ng a sw a sz e r oi ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n t h es u c c e s s f u lf i e l da p p l i c a t i o np r o v e dt h a tt h e s e a lh a sa ne x c e l l e n ts e a l i n gp e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t ya n d l o wl o s so fe n e r g y t h i sp a p e rs h o w e dg o o dg u i d i n gs i g n i f i c a n c ea n de n g i n e e r i n gv a l u et os o l v es h o r t e ru s i n g p e r i o da n ds e r i o u sl e a k a g eo fm e c h a n i c a ls e a lf o rl i g h th y d r o c a r b o np u m p s i nr e f i n i n gd e v i c e k e y w o r d s ：g a ss e p a r a t i o nu n i t s ；l i g h th y d r o c a r b o np u m p ；g a ss e a l ；c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ； i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n i i 主要符号表 - 一一- 主要符号表 b l 一螺旋槽宽，m m ： 6 ，一螺旋槽堰宽，m m ； 摩擦系数； 一端面流体膜厚，t r l m ； 啊一端面槽深与流体膜厚之和，t n m ： h 一端面膜厚与堰区膜厚比，日= h o 啊； 一端面螺旋槽数； ，摩擦功耗，k w ； p ，一密封介质压力，p a ； 珞一螺旋槽径名处的压力，p a ； 只一密封内径i 处流体压力，p a ； 见一外径匕处的隔离气体压力，p a ； q 一密封泄漏量； 一密封平衡半径，m m ； 名一螺旋槽径，i t i i t i ： 一密封端面内径，i d a ； ，d 一密封端面外径，m m ； 卜螺旋线之螺旋角，o ： 卜径向槽宽环宽比，p = ( 名一n ) i ( r o i ) ； 卜螺旋槽周向堰宽与槽宽之比，厂= 6 ：i b l ； 描面内径与槽径之比，仁名； 卜端面流体的动力粘度，p a s ； 驴一动环的旋转角速度，r a d s ： 人一密封特征准数， 人=一3lo)(r02-ri2)。 pf h ； 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明： 所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大 学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研 究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：j ，_ 爿l l 日期：j ，7 年 月 学位论文使用授权书 一了日 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅 和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或 其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：显亟鸯 指导教师签名：堑龇 日期：j ，= 年 日期：玲1 年 日 日 口1，ld7 叮o 月 月 ， r 中国石油大学( 华东) i 程硕士学位论文 第一章前言 山东神弛化工股份有限公司于2 0 0 7 年投产一套年产1 0 万吨的气分装置，其中有1 3 台离心式轻烃泵，该泵轴封原采用国产单端面多弹簧接触式机械密封。泵送介质为易燃易 爆的c 2 、c 3 类轻烃，泵出、入口压力高，密封腔内介质的饱和蒸汽压力亦较高。该装置 在投产后由于密封端面之间产生大量的摩擦热而使端面温度明显升高，以及装置运行不稳 致使介质压力产生剧烈波动，都可能促使端面间液膜汽化而发生流体膜的相变，即由液相 向气相的转变。当密封端面处于似气相的工作状态，密封端面极易出现开启、气喷现象， 或密封面过度摩擦磨损，使密封失效的概率大大增加。密封失效时，大量的轻烃介质直接 排泄到大气中，造成相当的环境污染，也给生产装置带来一定的安全隐患。 针对该公司气分装置多台轻烃泵用单端面机械密封使用寿命短，频繁发生泄漏的状 况，现场工程技术人员采取了稳定工艺操作、增加自冲洗、静环背冷等措施，减少了密封 端面的摩擦磨损，延长了密封的使用寿命。但仍未从根本上解决密封端面气液混相的摩擦 状态，从而很难实现密封的长周期安全运行。 为了改善密封端面间的润滑状况，延长密封的使用寿命，本文试图通过开发设计一种 新型的串联式机械密封结构及相应的辅助系统。该新型机械密封结构采用串联式结构，介 质侧主密封为接触式机械密封，而大气侧密封采用外径开螺旋槽的气膜密封。 本文利用数值计算法，对螺旋槽气膜密封进行了稳态特性分析，计算了变工况情况下 不同参数对密封稳态特性的影响规律。然后，采用软件和精密加工设备，加工出高质量的 密封环组件。另外，为了验证研制开发的新型非接触式机械密封结构设计的合理性，对其 进行了性能实验研究。重点研究了变转速、变压力等工况条件下，密封的各种性能参数( 如 泄漏量、端面温升、摩擦功耗等) 的可靠性和抗干扰能力。本文在大量的理论分析和实验 研究的基础上，根据轻烃泵具体的工况条件，将新型串联式机械密封系统成功地应用于神 弛化工股份有限公司气分装置中的轻烃泵群，从根本上解决了严重影响气分装置安全运行 的技术瓶颈。 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 概述 时至今日，机械密封以其综合优良的使用性能已在诸多重要工业领域如石化、石油、 化工、造纸、汽车、船舶、家电、机械制造、冶金、矿业开采、原子能工业、航空航天、 军工、电力、医药、食品加工等得到广泛应用。现代工业生产对健康、安全、环保( 即h s e 理念) 的要求越来越高。作为旋转式流体输送机泵用机械密封尤其是非接触式机械密 封得到了广泛的应用和发展。而且，随着新型密封材料的不断涌现、精密加工技术的不断 进步以及计算机技术的广泛应用，机械密封在密封理论、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拓展、丰富、完善和提高，具体体现在以下几 个方面： 密封理论：主要涉及密封机理、密封摩擦副的摩擦与润滑、密封动静环的热力变形分 析、动力学特性、流体动压润滑理论、流体静压润滑理论、热弹性流体动压润滑理论等。 密封结构：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、刃边密封等。 密封工作性能：由最早单纯地追求减少泄漏量向实现零泄漏、零逸出、长寿命、低功 耗、无污染等方面发展。 密封辅助系统：主要包括冲洗系统、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，其目的是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：机械密封不仅适用于各种转子泵，更进一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 接触式机械密封的技术特征及应用 2 2 1 接触式单端面机械密封 图2 1 所示为普通接触式单端面机械密封结构。在某些工业应用场合，如炼油石化装 置轻烃泵群中采用的普通机械密封，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，造成工作状态不稳定而导致密封早期失效，通常采用冲洗、冷却等辅助手 段来控制密封摩擦副的端面温升，使其处于单相( 气相或液相) 稳定的工作状态，以保证 密封工作的稳定性和可靠性。对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。 至今，在绝大多数场合下，单端面机械密封仍然是使用最多的一种机械密封结构，但 对密封工作环境较为恶劣，如炼油化工等输送高危险性、高腐蚀性介质，冶金、造纸等输 送高含固体颗粒流体以及电力、航空航天、原油天然气输送的高压、高温、高速等情况下， 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 单端面机械密封是难以胜任的。 图2 1 接触式单端面机械密封 1 静环2 动环3 传动销4 一弹簧5 弹簧座6 紧定螺钉7 - 传动螺钉 8 、9 、1 0 o 形密封环1 1 防转销1 2 压盖1 3 推环1 4 一轴套 f i 9 2 - 1 c o n t a c ts i n g l e - - m e c h a n i c a ls e a l 1 - s t a t i cr i n g2 r o t a t i n gr i n g3 d r i v ep i n4 - s p r i n g5 - - s p r i n gs e a t6 - s e ts c r e w s7 - d r i v es c r e w s 8 ，9 ，l o - o r i n gs e a l1 1 - a n t i - r o t a t i o np i n1 2 - c o v e r1 3 - t h r u s tr i n g1 4 一s l e e v e 2 2 2 接触式双端面( 或串联) 机械密封 接触式双端面( 或串联) 机械密封出现，则是用以弥补单端面机械密封的不足，通常 由两套普通的单端面接触式机械密封组成。一般情况下，双端面( 或串联) 机械密封适用 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、剧毒流体等等。 对于双端面机械密封，为了阻止被密封流体的泄漏，必须在两套密封之间注入一种相 对高压的阻塞流体；而对于串联式机械密封，为了限制被密封流体的泄漏，必须在两套密 第二章文献综述 封之间注入一种相对低压的缓冲流体。对隔离流体或缓冲流体的基本要求有： 必须与被密封介质之间具有相容性，且不致使工艺系统受到污染，并要求反应程 度最小。 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( 1 0 3 2 ) x 1 0 击m 2 s 的运动粘度。 在长时间内不氧化或变质。 与密封材料和辅助材料相容。 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2 岬过滤器滤清。对 液体密封，应经l o m n 过滤器滤清。 要求运转时能补充或更换使用。 2 2 3 接触式机械密封的不足 基于接触式单端面机械密封和双端面( 或串联式) 机械密封的工作原理，以及在诸多 工程实际应用过程中出现的问题，总结出其存在以下几方面的基本问题： 难以实现密封介质无泄漏。接触式机械密封的密封原理是通过维持一定的端面接 触压力，尽可能减小密封摩擦副端面之间的轴向间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，即难以达到无泄 漏环保的功能要求。 可靠性差，使用周期短。由于端面摩擦副之间存在直接的固体摩擦磨损，磨损积 累的结果必然是使用寿命有限。通常情况下，国产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有固体颗粒的工艺流体，密封的使用寿命只有数 月甚至数天。 影响工艺介质的性质。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，使密封腔工艺流体的物性发生不同程度的变化，如汽化、结焦等，在一定程度上影 响工艺产品的质量。 工作状态不稳定，适应变工况能力差。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。 摩擦副端面温升过高致使密封件产生热变形、热裂、热涨而失效。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) 产生热裂、辅 助密封圈产生热涨等而使密封早期失效。机械密封失效有相当比例是由于密封端面温升过 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 高造成的。 辅助系统复杂、可靠性差。对双端面( 或串联式) 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。 运行费用高、经济效益低。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，从而降低了泵的容积效率。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水处 理的负担。 2 3 非接触式机械密封技术研究及应用 为了克服接触式机械密封存在的问题，以适应高参数、特殊工况条件下对机械密封的 更高要求和更大程度地延长机械密封的寿命，人们希望通过研究密封机理、改进密封结构， 研制密封材料、配置密封系统来达到目的。近三十年来，先后出现了可控膜机械密封、热 流体动压密封以及多端面密封等一些新技术、新概念和新产品。其中，通过在密封端面上 开设各种形状的微米级流体槽来产生流体动压效应，以改善密封端面间的润滑情况，实现 机械密封非接触运行，是行之有效的方法，它已成为当今机械密封领域的高新技术。其中， 实现气膜润滑的非接触式机械密封被称之为气膜密封，而实现液膜润滑的非接触式机械密 封( 以上游泵送机械密封为主) 被称之为液膜密封。 2 3 1 气膜密封技术 2 3 1 1 密封机理 螺旋槽式气膜密封工作原理如图2 2 所示。通常情况下，在硬质动环端面上开有对数 5 第二章文献综述 气体 旋转方向 开启力f _ o 卿 二二二j 鐾 罗7 茎 ( c ) 气膜反力分布 图2 - 2 气膜密封工作原理 f i g2 - 2p r i n c i p l e so ft h eg a sf i l ms e a l 螺旋槽，整个端面分为密封动压槽区、密封堰区和密封坝区。动压槽区主要借助流体动压 效应来提供必需的流体动压力，密封坝区主要阻挡气体向内侧流动以实现气体被压缩形成 动压效应，增大气膜刚度，还可在密封停车时起密封作用。其工作原理如下：当动环按图 示逆时针方向旋转时，由于粘性作用气体以速度v 进入螺旋槽；速度v 可分解为垂直于 螺旋槽速度圪和与螺旋槽相切速度圪，其中圪主要提供流体动压力，而气流以速度圪运 动到坝区后被压缩体积减小压力升高使密封面打开，从而实现非接触运转。气膜密封正常 工作时，端面间气膜一方面提供开启力平衡闭合力，另一方面可起润滑冷却作用，因而省 去复杂的封油系统。图示气膜密封为泵入式( 气体从上游向下游流动) 结构。 理想设计工况下，密封端面气膜开启力等于闭合力( 密封介质压力和弹簧力) 。若密封 受到外界扰动端面间隙减小，则流体动压效应增强，开启力大于闭合力，密封增大间隙重 新恢复原来工作状态；反之，如果在外界干扰下间隙增大，则流体动压效果减弱，开肩力 小于闭合力，密封减小间隙并恢复到设计工作状态。如果设计合理，密封受到外界扰动可 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论空 以自行恢复到原来工作状态，可见螺旋槽气膜密封对外界扰动不敏感。 23 12 密封结构布置 螺旋槽气膜密封结构布置主要取决于密封工况条件( 包括被密封介质组分、压力、温度， 轴的转速等1 、安全性以及环保要求等。典型的结构布置有单端面、双端面及串联式结构等。 ( 1 ) 单端面气膜密封 单端面气膜密封是最基本的密封结构形式，主要用于被密封介质压力较低且允许少量 气体泄漏到大气侧的场合。因此，要求工艺介质对环境无污染如空气、二氧化碳或蒸气等。 国2 3 为典型单端面气膜密封，其中阻塞气体压力一般比工艺介质高0 2 m p a 左右，既可阻 止工艺介质泄漏，又可使螺旋槽密封端面实现非接触状态下运转。 图2 - 3 单端面气膜密封 f i g2 - 3s i n g l e - g a sf i l mf a c es e a l ( 2 ) 双端面气膜密封 图2 4 为典型双端面气膜密封，双端面气膜密封可以用在绝太多数透平式机械如离心 第二章文献综述 图2 4 双端面气膜密封 f i g2 - 4d o u b l e - g a sf i l mf a c es e a l 压缩机、离心泵的轴封上，具有以下突出优点： 用“气体阻塞”替代传统的“液体阻塞”原理，即用相对高压的密封气替代带压密封 液，保证工艺介质实现“零逸出”。 密封非接触式运行，其功率消耗仅为传统双端面密封的5 。 辅助系统简单，保证工艺介质不受污染及工艺介质不向大气泄漏，彻底摆脱了传 统双端面机械密封对油系统的依赖。密封气采用工业氮气或工业仪表风，其压力高于介质 0 15 0 2 m p a 。 ( 3 ) 串联式气膜密封 图2 5 为典型的串联式气膜密封结构，主密封为接触式机械密封，辅助密封为气膜密 封。泵用串联式气膜密封具有如下特点： 雠i 臻7 ( 件入 l l 图2 - 5 串联式气膜密封 f i g2 - 5 t a n d e mg a sf i l ms e a l 气膜密封与接触式机械密封串联使用，接触式机械密封为主密封，而非接触式气 膜密封为次密封。 气膜密封与主密封间通入相对低压的氮气，保证主密封具有一定背压，极大地延 长了密封的使用寿命。 主密封泄漏的工艺介质随密封气排入火炬，保证工艺介质不向大气泄漏，是一种 环保型密封。 主密封失效后，气膜密封短时间内起到主密封作用，防止工艺介质向大气大量泄 漏。 该类密封使用寿命取决于接触式机械密封的使用寿命，一般在2 3 年左右。 该密封主要用于易挥发介质的场合，如易汽化液态烃类或氨类介质，对缓冲氮气 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 压力要求不高。 2 3 1 3 发展进程 气膜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 u m b e l 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 1 】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 a n 2 1 在其博士论文中较详尽地阐述了螺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。 1 9 7 4 年，美国的j o h nc r a n e 公司将螺旋槽气膜密封成功应用于炼油厂的透平膨胀机上， 然后通过优化结构参数和工作参数，增强了密封的流体动压效果，发展了轴线自对中机理 与自对中心机理的密封新概念，并获得成功的商业应用，形成了国际先进的气膜密封技术 【3 】 0 理论研究方面，1 9 7 8 年，g a b r i e r l 4 】采用源于m u i j d e r m a n 的螺旋槽轴承理论的近似解 析方法对螺旋槽机械密封的基本问题进行了较全面的研究，他认为影响浅槽机械密封性能 的因素主要有密封的结构参数：螺旋角、螺旋槽槽宽与坝宽比、螺旋槽槽长与坝长比、螺 旋槽槽数和密封的工作参数：转速、密封压力等。 1 9 9 6 年，胡丹梅、吴宗祥【6 】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；并以一较大刚度时的 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。 实验研究方面，1 9 9 0 年，p e c h t 7 】通过实验室试验和现场试验，发现气膜密封可以在 轻烃类介质中应用，并且可以适应恶劣的工作条件，可以满足低泄漏、低扭矩的要求，并 且可以长周期运行( 1 年1 0 个月2 年) 。1 9 9 8 年，胡丹梅等【8 】对直线槽气体端面密封进 行了低速条件下的试验研究，试验表明，在低速下端面几何参数对密封性能有较大的影响。 经过不断的探索、研究，经过气膜密封在压缩机上成功应用的经验积累，人们开始尝 试把气膜密封应用到转子泵上来，取得了预期效果。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 ei 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气膜密封技术产品。气膜密封在国内也得到了快速的应用发 展。1 9 9 9 年，气膜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【9 j 。2 0 0 1 年，双端面气膜密封在北京燕山石化炼油事业部重油催化装置的2 m c l 6 0 6 4 型富气压缩机 上得到成功应用【1 0 1 。2 0 0 2 年，气膜密封在液胺输送泵( g 31 0 1 0 ) 上得到成功应用【l 。 2 3 1 4 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。与所有已用过的密封 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 期也大大地延长。其优点在于： 摩擦功率消耗低。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 9 第二章文献综述 比为2 0 ：1 。 正常运行状态下无磨损运转。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。 无需封油系统。密封油系统通常是复杂而昂责的，并有不可避免的故障危险。液 体冷却密封依赖于封液系统的完善化。气膜密封能够在过滤的中性缓冲气中运行，对系统 没有任何污染。 理论上无使用p v 值限制。虽然通常有一个极限速度强加于气体密封，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 此端面间温度过高，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。 不存在油、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的三次方成正比。 非接触式气膜密封与接触式湿运转机械密封相比，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。由于气体导热系数较小，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 膜刚度，以防密封面互相接触。 2 3 2 液膜密封( 以上游泵送机械密封为主) 技术 早在1 9 8 4 年，英国约翰克兰密封公司尼采尔在第一届国际泵研讨会上发表了上游 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 ls e a l ) 新概念，即利用密封面上开流槽将由 高压上游侧向低压下游侧泄漏的少量工艺流体反输回上游侧，并实现密封摩擦副的非接触 运行。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。1 9 9 0 年，中国石油大学( 华 东) 【1 2 】研制出了泵出式圆弧槽端面密封，并获国家实用新型专利。这两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。在气膜密封成功开发应用的基 础上，研究开发非接触式上游泵送机械密封，进而开创了机械密封技术不断进步的新局面。 2 3 2 1 密封机理 如图2 - 6 所示，上游泵送机械密封硬质环上的径向密封坝和周向密封堰组成密封和承 l o 叠r 卜_ t 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 图2 - 6 零泄漏上游泵送机械密封端面结构 f i 9 2 - 6z e r o - l e a k a g eu p s t r e a mp u m p i n gm e c h a n i c a ls e a ls t r u c t u r e 载两部分。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。 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 - 6 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9 ，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，即用粘性剪切流抵抗压差流。 如图2 7 所示，流经密封端面间隙的总泄漏量q 为： 纛 袖环 p - l 删。 。 q p 图2 7 上游泵送机械密封工作原理 f i g2 - 7u p s t r e a mp u m p i n gm e c h a n i c a ls e a lw o r k i n gp r i n c i p l e q = q 口一q 若q q 时，9 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。 q 。= q s 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，定义对应此条件下的密 封为零泄漏上游泵送机械密封f 1 5 】。 由于独特的密封端面设计，与普通接触式机械密封相比，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。 第二章文献综述 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量大大减少，提高了 运行效率。 无需复杂的封油系统、循环系统及与之相配的调控系统，且对辅助系统的可靠性 要求不高。 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、螺旋槽或其组合【1 3 - 1 4 】，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 e 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，就容易确定其它密封性 能，如承载力、刚度、摩擦扭矩、泄漏率和稳定特性等。 2 3 2 2 发展历程 实际上，非接触式液膜密封的研究与应用研究开始于上世纪6 0 年代，并成功应用在 高温液钠环境中【16 1 。1 9 7 3 年，g a r d n e r 1 7 1 对水润滑螺旋槽机械密封的性能进行了试验研究， 并将之成功地应用于潜水泵上。1 9 8 4 年，s h a p i r o 等将螺旋槽机械密封应用于高速( 1 8 3 m s ) 、 高压f 5 1 7 m p a ) 的液氧环境中。1 9 9 4 年，l a i 3 l 】对叶形、螺旋槽、y 字形螺旋槽和人字形螺 旋槽在内的六种机械密封进行了实验室试验和现场试验，认为非接触式机械密封可以提供 很高的泵送率来减少和消除泄漏，并指出y 字形和人字形螺旋槽上游泵送机械密封不需要 普通上游泵送机械密封所必需的下游流体保障系统。 自2 0 世纪8 0 年代末以来，国内有关科研、生产单位开始从事上游泵送机械密封的研 究工作。先后有中国石油大学密封技术研究所1 5 1 8 。2 1 】、天津鼎名密封有限公司、四川日机 密封件有限责任公司2 2 1 、四川联合大学2 3 之7 1 等单位相继开展有关的研究开发工作，并取得 了具有自主产权的研究成果幽j 。近年来，中国石油大学先后承担了中石化集团公司“八五” 重点科技攻关项目“干气端面机械密封的研究开发 ，以及中国石油天然气集团公司1 9 9 9 年科技攻关项目“零逸出上游泵送机械密封的开发应用”等项目，至今已申请并获得7 项 国家专利，并成功应用于工程实际。 王玉明院士于1 9 9 2 年研制成功了八字形油膜润滑螺旋槽机械密封，利用航空油实现 对气相的密封，先后在离心压缩机及冷冻机【3 0 】上获得应用。 1 9 9 8 年，彭建【3 2 】根据理论优化结果对螺旋槽、人字槽、斜线槽三种槽型的上游泵送机 械密封进行了试验研究。试验结果表明，根据优化结果研制的三种槽型的泵送结构性能稳 定可靠，能够实现微泄漏、微磨损，保证密封的长周期运行；三种槽型相比，螺旋槽密封 的综合性能比斜线槽和人字槽稍微好些。 中国石油大学较早地进行了上游泵送机械密封的研究工作。1 9 9 0 年，顾永泉和董飙研 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 制了泵出式圆弧槽液体端面密封并获得国家专利。 2 0 0 1 年，郝木明l l5 】简要介绍了不同结构的上游泵送机械密封各自的应用范围。2 0 0 2 年，郝木明【3 5 】对泵用零逸出非接触式机械密封技术分气膜密封和上游机械密封两类分别进 行了叙述，给出了各自的使用条件及范围。经过多年研究，郝木明获得了多项上游泵送机 械密封专利3 6 拼】，并且多项产品得到了现场应用。 2 3 2 3 产品开发及应用 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。 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。内径开槽型( 图2 8a ) a 内径开槽型b 外径开槽型c 中间开槽型 图2 - 8 单列螺旋槽型上游泵送机械密封 f i 9 2 - 8s i n g l es p i r a lg r o o v eu 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 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 8b ) ， 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 8c ) 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，是一种值得开发应用的上游泵送机械密封结构。 双列螺旋槽型 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 - 9a ) ，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 - 9b ) 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 - 9c ) 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 - 9d ) 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 - 9 中的双列螺旋槽型结构的泵送方向亦可以由 1 3 第二章文献综述 蛋强霍铽泸强雳 昧 纱越拶。魁拶憋 心、 a 八字型槽b 人字型槽cy 型槽d 分段型槽 图2 - 9 双列螺旋槽型上游泵送机械密封 f i g2 - 9 d o u b l er o wo fs p i r a lg r o o v eu 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 外径指向内径，只是外侧槽的径向高度必须大于内侧槽。 工业应用 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。作为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。作为备用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。 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，可用于密封一些高污染性、高危险性介质。用作输送饱和蒸汽压高于环境大气压的各 种介质，如炼油石化企业中易汽化的液态烃、轻烃、液氨等类介质。 2 4 轻烃泵用机械密封系统 2 4 1 机械密封结构 ( 1 ) 密封机理分析 轻烃类介质具有一些较独特的物理、化学特性。它们在泵内输送过程中呈低沸点液体 状态，不仅存在低温材料脆化，液体容易汽化等问题，而且还具有低引火点、低粘度、高 蒸汽压等特征。该类介质在密封的摩擦副端面难以形成和维持连续、稳定的流体膜，容易 导致因流体膜汽化引起的干摩擦，造成端面早期磨损。现场设备管理人员在长期的使用及 维修过程中发现，发生泄漏的密封拆下后密封面通常有两种形念：一是端面几乎没有接触 的痕迹，即液态烃介质在端面间形成了过大的液膜反力，将密封面推开，造成泄漏；另一 种情况是载荷系数、弹簧比压过大，密封仅运行了很短时间即发生严重磨损。 轻烃泵通常采用单端面多弹簧接触式机械密封( 图2 1 0 ) ，其密封端面之间并不存在 一个完整的液膜。密封端面之间产生的大量摩擦热会导致密封端面温度升高，而促使端面 1 4 中国石油入学( 华东) 工程硕士学位论文 图2 - 1 0 轻烃泵用单端面接触式机械密封结构 f i 9 2 1 0c o n t a c t i n gs i n g l em e c h a n i c a ls e a ls t r u c t u r ef o rl i g h th y d r o c a r b o np u m p 间液膜汽化，使液体变成蒸汽而发生相变。另外，由于液化气的饱和蒸汽压高于环境大气 压，气体流经密封端面间隙时产生压降，必然在某一位置发生汽化( 相变) 。因此液化气流 端面流体膜相态可分为液相密封、气相密封以及气液相混合密封( 如图2 1 1 所示) 。在 蒸蒸蓼苠 图2 1 1 端面流体膜模型 f i g2 - 1 1 e n d - f l u i df i l mm o d e l 不同的流体膜状态下，密封装置的工作特征有较大区别。 液相密封。密封端面之间充满一层完整的液膜，见图2 - 1l a ，泄漏可能以液体或气 体形式出现。其特点是膜压系数为一定值，工作状态稳定，摩擦因数小，泄漏量也小。 气液混相密封。密封端面之间充满一层由液体和蒸汽形成的混合膜( 图2 - 1 1 b ) ， 泄漏以气相形式出现。其特点是膜压系数随温度不同而变化，工作状态不稳定，易出现明 显的气喷振动、端面鸣叫等现象，密封端面摩擦磨损严重，极易出现早期失效。在工程实 际中，因工艺条件变动或操作不当等原因，当密封腔内介质压力降低到额定值后仍继续降 1 5 第二章文献综述 低时，即使密封腔里的液体还没有发生汽化，其摩擦面间液膜的汽化半径已在逐渐增大， 使液相面积减小，端面间的润滑状态恶化，可能成为半干摩擦状态，从而产生大量的摩擦 热，端面温度急剧升高，导致密封面烧伤和异常磨损并产生呜叫现象，也