（化学工程专业论文）干气密封在炼油企业压缩机中的应用研究.pdf

千气密封在炼油企业压缩机中的应用研究 于仲海( 化学工程) 指导教师：李发永( 教授)郝木明( 教授) 摘要 随着科学技术和石油化工工业的飞速发展，各种离心压缩机得到了 广泛应用。密封是压缩机的重要组成部分，尤其是在高压、易燃、易爆、 有毒气体等苛刻条件，密封技术至关重要。一旦密封发生泄漏，将造成 巨大的经济损失，甚至危及操作人员的生命安全和污染环境。 本文对比分析了离心压缩机常用密封形式的优缺点，认为相对于其 它密封型式，干气密封具有一定的优越性和先进性，同时介绍了国内外 干气密封的研究成果和具体的实践应用。通过建立流体动力润滑方程， 介绍了干气密封的密封机理及不同流体槽型线的区别，分析了端面槽形 几何参数和操作参数对密封性能的影响。根据大港石化公司离心压缩机 的操作参数和密封介质特点，选择适当的干气密封结构型式及适宜的控 制系统；通过总结干气密封应用情况，验证了干气密封的技术优势，分 析了密封系统易出现的问题，并给出了解决方案。 本文对于炼油企业离心式压缩机用干气密封系统的选型、使用和维 护具有一定的指导意义。 关键词：干气密封，螺旋槽，离心压缩机，应用研究 a p p l i c a t i o ns t u d yo fd r yg a ss e a lo nr e f i n e r yc o m p r e s s o r y u z h o n g h a i ( c h e m i c a le n g i n e e r i n 酚 d i r e c t e db yp r o f e s s o rl if a - y o n g & h a om u - m m g a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya sw e l la st h e p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , c e n t r i f u g a le n m p r e s s o r sh a v eb e e nw i d e l yu s e d h o w e v e r , t h es e a l i n gt e c h n o l o g yi ss t i l lv i t a lt oc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r s ， e s p e c i a l l yi ns u c hs e v e r ew o r k i n gc o n d i t i o n sa sl l i g hp r e s s m e ，c o m b u s t i b l e ， e x p l o s i v ea n dp o i s o n o u sg a s e s i ft h es e a ll e a k s ，ah u g ee c o n o m i cl o s sw i l l o c c u ra n de v e nt h eo p e r a t o r sh e a l t hw i l lb ee n d a n g e r e da n dt h ee n v i r o n m e n t w i l lb ep o l l u t e d t h er e l a t i v em e r i t so fg e n e r a ls e a l sf o rc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r sa r e a n a l y z e di nt h et h e s i sa n dt h ec o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tt h ed r yg a ss e a lf d g s ) h a ss o m ea d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t ho t h e r k i n d so fs e a l t h er e s e a r c h f i n d i n g sa n de x a m p l e so fa p p l i c a t i o no fd g sh o m ea n da b r o a d a r e i n t r o d u c e dt o o t h es e a l i n gm e c h a n i s mo fd g sa n dd i f f e r e n c eo fd i f f e r e n t m o l d e dl i n e so fg r o o v ei n s e a l i n gf a c e a l ei n t r o d u c e do nt h eb a s i so f f u n d a m e n t a lh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o ne q u a t i o n t h ee f f e c to fg e o m e t r i c p a r a m e t e ro fg r o o v ea n do p e r a t i n gp a r a m e t e ro ns e a l i n gp e r f o r m a n c eo f d g s i sd e t a i l e da n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o np a r a m e t e ro fc e n t r i f u g a l c o m p r e s s o ri nd a g a n gp e t r o c h e m i c a li n d u s t r ya n dc h a r a c t e r i s t i c so fs e a l i n g m e d i u m ，s t r u c t u r ea n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo fd g sa r ec h o s e n t h ea d v a n t a g e o fd g sa r ev a l i d a t e db yf i e l da p p l i c a t i o na n dp r o b l e m sh a p p e n e dd u r i n g o p e r a t i o na r ew o r k e do u t t h et h e s i si su s e f u lt oc h o i c e ，o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c eo fd g sf o r r e f i n e r yc o m p r e s s o r k e yw o r d s ：d r yg a ss e a l ，s p i r a lg r o o v e ，c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r , a p p l i c a t i o n 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 文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 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：弛 u 屏 调j 一日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、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、缩印或其它复制手段保 存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：= 冱盛! 垒 导师签名：查童照 ，一 6 6 年，2 一月5日 2 柙缉7 2 旯rb 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究的背景和意义 压缩机组是石油化工行业以及能源工业的重要设备，应用非常广泛， 其中离心式压缩机占据着非常重要的地位，可以说是心脏设备。离心压 缩机属透平压缩机，是压缩和输送气体的一种回转式机械。其作用原理 是通过高速旋转的叶轮把原动机的能量传递给气体，使气体压力和速度 升高，获得压力能和速度能。催化裂化装置及焦化装置的富气压缩机、 重整加氢装置以及加氢裂化装置的循环氢压缩机等都是炼油装置的关键 设备，对装置的正常运行起着举足轻重的作用。离心式压缩机若要取得 良好的运行效果，必须在转子与定子间保留一定间隙，以避免其发生摩 擦、磨损以及碰撞损坏事故的发生。同时由于间隙的存在会引起压缩机 级间以及轴端的泄漏，不仅降低了压缩机的工作效率，而且会导致环境 污染，甚至发生着火爆炸事故。最近随着q h s e 体系的实施，要求质量、 健康、安全、环保等方面全面发展，不仅要追求经济效益，也要追求社 会效益。密封如果发生失效，介质泄漏，就会造成极大的安全隐患，对 环境也产生污染。因此，研究高效节能、安全环保的密封形式，对石化 行业来说具有很强的现实意义，能够带来很好的经济效益和社会效益。 根据被密封气体物理、化学性质及价值的不同，可以选择不同型式 的密封。如以空气为介质的压缩机大多采用迷宫式( 梳齿式) 密封，这 是因为空气既无危险又廉价，其泄漏量的大小只是影响主机的效率；以 氮气、二氧化碳等中性气体为介质的压缩机也大多使用迷宫密封；处理 危险性工艺流程气体的压缩机必须采用性能良好的密封型式，应用最为 广泛的有迷宫式抽充气密封、浮环密封、机械浮环组合密封、双端面机 械密封等。 相比较而言，石油化工行业中出现故障最多、危害最严重的是以危 险性气体为介质的压缩机密封。在这类密封中，迷宫式抽充气密封应用 最早，但仅适用于工况缓和的介质，且维护难度大、费用高、环境污染 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 严重；浮环式密封附属设备庞大、维护难度大、运行费用很高。上述两 类密封型式在国内石化行业占相当大的比例。 随着密封技术的不断发展，近些年，国内石化行业引进了气膜润滑 端面密封( 即干气密封) 技术。这种密封是一种气膜润滑的非接触式机 械密封。在它的动环或静环端面上( 或者同时在这两个端面上) 刻有螺 旋槽，旋转时将被密封气体周向吸入螺旋槽内由外径朝向中心流动，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，在密封端面问形成气膜。从理论上讲，干气密封具有很 多优点：端面非接触，使用寿命长，可靠性高；密封功耗低，节约能源； 省去了庞大的密封油系统，重量轻，占地面积小；运行和维护费用低。 但是，由于各种各样的原因，这类密封在实际应用中并未完全显现出它 的优势，甚至出现了许多大的故障，给企业带来较大损失，也在很大程 度上制约了这项新技术的推广应用。但从长远看，干气密封依然是密封 技术的发展趋势。 1 2 论文主要研究内容 本文首先对压缩机密封的发展概况及趋势做了简要介绍，着重介绍 了国内外在干气密封的研究制造方面取得的进展。针对干气密封的特点 及典型结构利用流体动力润滑理论对螺旋槽干气密封的结构和基本理论 进行了研究。通过于气密封在大港石化公司离心压缩机组上的具体应用， 验证了干气密封的技术优势。根据实践经验，对干气密封的使用和维护 提出了一些建议。 第一章介绍了课题的研究背景和意义。 第二章介绍了常用离心压缩机密封包括传统密封型式：迷宫密封、 浮环密封、机械密封以及先进的干气密封的常用结构和优缺点，介绍了 国内外干气密封的研究进展以及知名密封厂家典型的干气密封产品。 第三章主要是对干气密封理的论分析，利用推导的干气密封控制方 程n s 方程阐述了干气密封的密封机理，同时比较分析了干气密封的几种 常用流体槽型，并介绍了端面槽形几何参数和操作参数对于气密封性能 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 的影响。 第四章结合研究结果对干气密封在大港石化公司离心压缩机组的上 应用进行了讨论，对不同机组干气密封的结构形式、工艺流程及控制系 统进行了分析与研究。通过分析应用情况，验证了于气密封的技术优势， 根据应用过程中出现的问题，提出了许多切实可行的解决方案。 第五章是全文的总结，对干气密封系统得优越性以及设计、使用和 维护中的注意事项进行了归纳总结。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 第2 章离心压缩机用密封概述 用于离心压缩机的密封主要包括迷宫密封、浮环密封、液体机械密 封和干气密封。 2 1 传统压缩机密封 2 1 1 迷宫密封 迷宫密封是利用节流降压来减小气体的泄漏量，通过抽气与充气可 以密封危险性气体。如图2 1 所示【1 】。 图2 - 1 迷宫密封 这种密封的主要优点是非接触、结构简单，成本低，维护也比较方 便，但是泄漏量大，因此适用于以空气为介质的压缩机，但如果是化工 行业的危险性工艺气体，泄漏即意味着重大的安全隐患，另外随着环境 保护越来越受到重视，这类密封使用的越来越少。 2 1 2 浮环密封 浮环密封【1 】是液体密封的一种，是压缩危险性工艺气体的离心压缩 机的传统密封形式。简单的说就是以封油来达到封气的目的。如图2 2 所 示，高压气体通过一段迷宫密封后进入密封室，使压力有所下降。浮环 ( 1 、3 、5 ) 位于转轴上，高于气体压力的密封油由注油孔1 3 注入，使密 封油充满轴与浮环之间的间隙，通过油楔作用使浮环与轴与轴套之间保 持一定的距离，避免固体之间的直接接触，由于油膜充满了整个浮环间 隙，所以能阻止气体介质外漏，从而起到了密封的作用。密封油进入浮 环间隙后，一方面向高压侧泄漏，其封油与气体接触成为污油，通过l l 4 黼鲈燃 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 进入到油气分离器进行分离，低压侧泄漏的油一般没有污染，可以循环 使用。 图2 2浮环密封 1 一浮环2 - i 型固定环3 销钉4 - 弹簧5 轴套6 挡油环7 甩油环 8 轴9 高压侧预密封梳齿1 0 梳齿座1 1 高压侧回油环1 2 空腔 1 3 进油孔1 4 一低压侧回油空腔 离心压缩机采用的浮环密封形式很多，下面介绍其中的几种： 1 ) 宽环 宽环的宽度与其直径的比值( 相对宽度) 较大，在相同的压差和泄 漏量条件下，环的数量可以少些，缩短密封的轴向尺寸，使密封结构紧 凑。但因两侧压差较大，环端面上的压力也就较大，浮动较为困难。 2 ) 窄环 窄环的宽度与其直径的比值( 相对宽度) 较小，窄环由于其节流长 度短，产生的流体动压也小，每个浮环所承受的压差要比宽环小些。 3 ) 螺旋槽面浮环密封 浮环内孔开有螺旋槽，实质是螺旋密封与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，泄漏量要比光滑浮环密封 小，尤其适合用于高速工况。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 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。封液通 过锥形缝隙通道时，由于锥形轴套的旋转带动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。为了改善高压侧浮环的工作条件，在高压侧浮环上 开冷却孔，同时将封液先引入高压侧浮环来冷却浮环。 浮环密封具有下列主要优点：属于非接触式密封，因此寿命长， 可靠性高；适用于高速和各种压力等级。正是这种优点使它成为危险 性工艺气体压缩机密封的传统型式。然而它也有两大缺点：内泄漏量 大，回收处理内泄漏油的设备要用到油气分离器、脱气槽以及控制系统 等复杂的设备，而且一旦内泄漏量很大，会有污染工艺回路系统的危险， 后果比较严重。浮环密封的油气压差很小，控制系统复杂，浮环密封 辅助系统的投资远远高于密封本身的投资。为了克服浮环密封内泄漏量 大的缺点，出现了一种由螺旋密封与浮环密封组合的密封型式一螺旋浮 环密封，其主要原理是在内浮环内孔的外侧加工出一段起增压所用的螺 旋槽，形成具有增压效果的增压段；在靠近被密封气体的内侧加工出一 段起反向泵作用的螺旋槽，形成具有防漏效果的防漏段。 2 1 3 机械密封 随着密封技术的发展，机械密封和干气密封相继推广使用。离心压 缩机采用的传统的浮环密封正在逐步被先进的机械密封所取代，因为机 械密封的泄漏率明显低于浮环密封。这不仅减少了密封油的消耗，更重 要的是减少了密封油对工艺回路的污染。机械密封是一种依靠弹性元件 对动、静环端面密封副的预紧和介质压力与弹性元件的压紧而达到密封 的轴向端面密封装置，也被称为端面密封。机械密封的润滑和控制系统 更简单、操作更方便且安全可靠。尽管机械密封比浮环密封的成本高， 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 但从总的技术经济特性分析，优越性十分明显。 图2 3机械密封 1 静环2 动环3 传动销4 弹簧5 一弹簧座6 - 紧定螺钉7 一传动螺钉 8 动环o 形圈9 静环o 形圈l o 一防转销1 1 压盖1 2 推环 i 、v 、泄漏点 机械密封基本元件的作用和要求如下1 2 】： 1 ) 端面密封副( 静、动环) 端面密封副的作用是使密封面紧密贴合，防止介质泄漏，这就要求 动、静环具有良好的耐磨性；动环可以轴向移动，自动补偿密封面的磨 损，使之与静环紧密贴合；静环具有浮动性，能够起到缓冲作用。因此， 密封面的加工精度要求很高，这样才能保证密封副的良好贴合性能。 2 ) 弹性部件( 弹簧、波纹管等) 它主要起预紧、缓冲和补偿的作用，要求始终保持足够的弹性来克 服辅助密封和传动元件的摩擦和动环等的惯性，保证密封端面摩擦副良 好的贴合和动环的追随性，材料要求耐腐蚀耐疲劳。目前，波纹管机封 发展很快，如果克服成本较高的缺点，将会得到更多的利用。 3 ) 辅助密封( o 型圈) 它主要起静环与压盖和动环与轴或轴套之间的密封作用，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 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 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间 的密封性和动环的浮动性。材料的选择上要求具有耐热、耐冷并且不与 介质发生反应。 4 ) 传动件( 传动销、传动环、传动座等) 、紧固件( 紧定螺钉、弹 簧座、压盖、轴套) 、防转件( 防转销) 传动件起到将轴的转矩传给动环的作用。材料要求耐磨和耐腐蚀。 紧固件则起到静、动环的定位、紧固和承装的作用。要求轴向定位正确， 保证有一定弹簧压缩量，使密封副的密封面处于正确的位置并保持良好 的贴合。动环辅助密封件与轴套配合处要求耐腐蚀和耐磨损。防转件则 起到防止静环转动和脱出的作用。 根据密封介质以及操作条件的不同，机械密封的型式也有很多种， 常见的结构型式有平衡式( 动环左、右侧介质作用力自动抵消，用于高 压工况) 、非平衡式( 动环左、右侧介质作用力没有抵消，用于低压工 况) 、单弹簧式( 动环上仅有一只弹簧) 、多弹簧式( 动环圆周均布多 只弹簧) 、波纹管式( 以波纹管取代弹簧) 、单端面式( 仅有一对动静 环) 、双端面式( 有两对动静环联合使用，相当于两个单端面机封面对 面布置) 、串联式( 相当于两个单端面机封串联布置) 等。 机械密封主要有以下优点： 密封性能好，泄漏量通常可控制在3 5 m l h 甚至更小，远小于迷 宫、浮环、填料等密封； 使用寿命长，尤其是与填料、橡胶油封相比，机械密封使用寿命 要长的多； 无需经常调整，由于机械密封具有补偿机构，正确安装后，无需 象填料密封经常调整； 功率损耗小，由于机械密封端面接触面积小，摩擦功耗小，仅为 软填料密封的2 0 3 0 ： 轴( 轴套) 表面不易磨损。由于机械密封与轴( 轴套) 的接触部 位几乎没有相对运动，因此对轴( 轴套) 的摩擦损伤很小。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 抗振性强，缓冲性好。随着波纹管适合全补热式机械密封的出现 和发展，使得机械密封有了很好的抗震性，从而保证了它在恶劣工况下 使用的可靠性。 机械密封的主要缺点有： 结构复杂，不同工况要使用不同的结构形式，品种多，材料特殊。 装配比填料、迷宫密封复杂，不容易更换。 价格较贵，往往是填料、油封等密封的价格数倍，但总体的经济 效益却很好。 经过多年的应用，机械密封技术已经相当成熟，其密封性能好、工 作寿命长、摩擦损失小的优点使得它的应用相当广泛，正朝着更大的使 用范围( 于运转、无泄漏、无油润滑、含颗粒介质) 、更严格的泄漏量、 更好的稳定性和可靠性、更长的工作寿命的方向发展。 2 2 新型密封一干气密封 2 2 1 国外千气密封发展 于气密封是二十世纪六十年代末期从气体动压轴承的基础上发展起 来的一种新型非接触式密封，又称为气膜润滑端面密封，其中典型代表 是螺旋槽密封【3 ，4 1 。该密封利用流体动压润滑原理，通过在密封端面上开 设动压槽实现密封端面的非接触运行。经过数年的研究，英国约翰克兰 公司于七十年代末期率先将干气密封应用到海洋平台的气体输送设备 上，并获得成功。n 8 0 年代初，已完全达到实用化的程度。干气密封最 初是为解决高速离心压缩机密封问题而出现的，由于密封非接触运行， 因此密封摩擦副材料基本不受p 瞄的限制，特别适合作为高速、高压设 备的密封。随着干气密封技术的日益成熟，其应用范围也越来越宽广， 目前，干气密封正逐渐在离心泵及搅拌设备上得到应用。理论上可以认 为，原先使用机械密封的地方都可以使用干气密封【5 】。很多专家也对干 气密封进行了理论和实验研究 6 - - 9 1 。目前，国外干气密封的主要制造厂家 有约翰克兰公司、伯格曼公司、f l o w s e r v e 公司，近年来，日本的伊 格尔公司也开发了自己的干气密封产品，并取得了相当成功的应用。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 1 ) 约翰克兰公司 约翰克兰公司【1 0 1 是英国一家专业生产密封的跨国公司，它对干气密 封的工业化应用起了很大的作用。该公司的千气密封产品广泛应用于泵、 压缩机和反应釜及搅拌器上。典型的密封产品有： 泵用干气密封产品 该公司的泵用干气密封产品主要有2 8 0 0 、2 8 0 0 e 、2 8 0 0 e r 、2 8 5 、2 8 a t 等型号，图2 - 4 是该公司的2 8 0 0 型泵用干气密封，是一种集装式双端面密 封，主要应用温度范围为4 0 - , + 2 6 0 c ，压力最高3 0 m p a ，线速度为2 5 m s 。 图2 - 42 8 0 0 型泵用干气密封图2 - 5c k 7 2 5 型反应釜用干气密封 反应釜及搅拌器用干气密封 该类型干气密封广泛使用在化工、医药和食品等工业领域。主要有 3 2 、7 7 0 0 、7 5 f s 、c k 7 2 5 7 2 6 等系列，图2 5 是c k 7 2 5 型反应釜用干气密 封，主要应用温度范围为3 0 , , - , + 2 0 0 c ，真空度为0 6 m p a ，转速为5 0 0 r p m 。 离心式压缩机用于气密封 约翰克兰公司的干气密封有三个系列可用于离心式压缩机：2 8 a t 、 2 8 x p 和2 8 e x p ，如图2 - 6 和2 7 所示。这类密封具有以下主要特点： ( 1 ) 采用先进的螺旋槽技术，在静环上刻有螺旋槽，槽型如图2 8 所示，气体从螺旋槽入口进入没有螺旋槽的动环面，压缩的气体充当密 封气垫阻塞被密封的易挥发的介质泄漏至大气中； ( 2 ) 泄漏量小，性能可靠，密封寿命长，功率消耗小； 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 ( 3 ) 采用套装动环减少了由于动环碰磨时引发的次生事故； ( 4 ) o 形圈采用特殊设计，密封压力稳定，不易脱出和变形； ( 5 ) 根据需要可以采用单级，双级对置或双级串联等布置形式。 j o h nc r a n e 公司的2 8 系列干气密封自2 0 世纪7 0 年代用于离心压缩机以 来已经成为一种工业标准配置，已广泛用于石油化工等各个行业。该系 列密封运行时气膜厚度大约5 岬，使用范围如下：温度：1 4 0 3 1 5 ； 图2 - 62 8 a t 型干气密封图2 - 72 8 ) 【p 型干气密封 图2 - 82 8 系列干气密封槽型 压力：最高可达4 5m p a ；线速度：最高2 0 0 m s ：轴径：最大3 3 0 m m 。 2 ) f l o w s e r v e 公司 美国f l o w s e r v e 公司的主要压缩机干气密封产品是g a s p a c 系列，其 干气密封产品的主要特点是槽型独特。 f l o w s e r v e 干气密封根据单双向运行的不同有两种槽型。一种是单向 先进型槽a p g s ( a d v a n c 俄tp a t t e mg r o o v es y s t e m ) ，一种是对称t 型槽 ( s y m m e t r i c a lt - g r o o v e ) ，两种槽型都是该公司专利技术。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 单向先进型槽 f l o w s e r v c 单向先进型槽槽型由外至内深度变浅，接近环形槽处最浅， 如图2 - 9 所示。单向先进型槽技术比传统的螺旋槽技术优越的地方是： 它悬浮需要的速度及压力更低，不仅气膜开启力小，而且气膜刚度更好。 图2 - 9 单向先进型槽图2 1 0 对称t 型槽 在静态条件下，先进型槽技术使密封气压力穿过密封端面，环形槽将压 力均匀分配。这些特性综合起来可以提供出色的静压悬浮，因而启动时 扭矩低。在动态操作时先进型槽比传统的槽型产生的附加压力大，悬浮 早，低速运行更稳定。其有深度梯度的槽型结构在工艺状况波动时，端 面能很快调整，稳定运行。同时由于端面外径处的槽较深，密封介质从 外径泵送到中心坝处需要的功率损失小。 对称t 型槽 对称t 型槽使得密封可以正反转，这是对反转工况的一种保护设计， 同时它可以减少备件数量，因为压缩机两侧的密封完全相同。该结构在 静态条件下开启力小，而在动态时泄漏率低。 f l o w s c r v e 公司的压缩机干气密封使用范围如下：温度：1 0 0 2 3 0 ：压力：最大2 3 m p a ；线速度：最高2 0 0 m s ；轴径：4 6 3 0 0 m m 。 该公司主要有g a sp ：a c t s9 8 5 、g a s p a i 玎d 9 8 7 、g a s p a c t t 9 8 6 、 g a s p a c tl9 8 4 等四个系列干气密封产品。 3 ) b u r g m a n n 公司 b u r g m a n n 公司是德国的一家专业密封公司，应用于压缩机上的干气 密封产品主要有d g s 、t d g s 和p d g s 三大系列，其典型结构如下： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 d g s 双端面系列 它使用氮气等作为缓冲气，氮气泄漏到介质侧以及大气侧，适用于 压力 3 5 m p a 、温度小于2 3 0 c 、线速度小于2 0 0 m s 的场合，如图2 1 l 所 示。 图2 - 1 1d g s 双端面系列 ( 茎) p d g s 系列( 图2 - 1 2 ) 主要特点是使用聚四氟乙烯( p t f e ) 作密封圈，并且应用碳钨合金 支撑环，使之能够适应很宽的温度和压力范围，并且耐化学腐蚀性强， 抗挤压，且耐反压，可以使用单端面、双端面以及串联组合，其槽型能 够在很低的压力也保持较好的气膜刚度。此外，由于在密封面上含有d l c 涂层，故而启停机时密封面的耐磨性也大大增加。它的最高压力可达 3 5 m p a ，温度范围1 7 0 + 2 3 0 ，应用于乙烯压缩机上较多。 图2 1 2p d g s 干气密封系列图2 1 3t i x ；s 干气密封系列 t o g s 系列 该系列的干气密封产品主要用于汽轮机，能够延长汽轮机的检修周 期，避免冷凝蒸汽对润滑油造成污染，能够减少轴承和密封之间的温度 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 压降，并且允许机组反转。如图2 1 3 所示。 2 2 2 国内千气密封进展 在国内，近年来很多专家也对干气密封进行了研究。他们通过八节 点有限单元法计算螺旋槽气体密封的端面压力、密封性能等等。石油大 学的顾永泉、王建荣等首先试验研制了泵入式圆弧槽气体端面密封【儿1 。 在工业生产中，天津鼎名密封有限公司研制开发了第一套国产千气密封， 并于1 9 9 6 年底在巴陵石化鹰山石油化工厂首次应用成功，目前已经获得 干气密封技术的6 项中国专利和l 项美国专利。另外，四川日机密封件有 限公司、浙江宁波镇海长久气体机械密封研究所、丹东克隆集团、兵器 工业润滑技术研究中心都在于气密封产品的开发和研制上投入了很大的 力量。下面介绍一下鼎名密封公司的干气密封产品【1 2 1 。 图2 - 1 4t m 0 2 a 型干气密封图2 1 5t m 0 2 c 型串联式干气密封 在气体密封情况下，关键是气体要有足够的分子量和粘度产生泵送 作用形成间隙；而对有害气体，如可燃性及有毒气体，必须采用缓冲气。 因此，布置安装方式类似于油密封系统。对于无害气体如空气、c 0 2 以 及氮气等，可采用单端面密封形式，如图所示2 1 4 。 对于允许少量工艺气泄漏到大气的工况，可以使用串联式干气密封 ( 图2 1 5 ) 。一套串联式干气密封可看作是两套或更多套干气密封按照 相同的方向首尾相连而构成的。与单端面结构相同，密封所用气体为工 艺气体本身。通常情况下采用两级结构，第一级主密封承担全部或大部 分负荷，而另外一级作为备用密封不承受或承受小部分压力降，通过主 密封泄漏出的工艺气体被引入火炬燃烧。剩余极少量的工艺气通过二级 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 密封漏出，引入安全地带放空。当主密封失效时，第二级密封可以起到 辅助安全密封的作用，可保证工艺介质不大量向大气泄漏。有时单级密 封无法达到密封压力要求时，可采用串联结构，控n - - 级密封压力使其 为一级密封压力的一半，起到分压作用。 如果既不允许工艺气泄漏到大气中，又不允许阻封气进入机内的工 况，可选用带中间进气的串联式干气密封，密封结构如图2 1 6 所示。用 图2 1 6t m 0 2 d 型干气密封 于酸性、腐蚀性或易燃、易爆、危险性大的介质气体，可以做到完全无 外漏。如h 2 压缩机、h 2 s 含量很高的天然气压缩机、乙烯、丙烯压缩机等。 所用气体除用工艺气本身以外，还需另引一路氮气作为第二级密封和中 间迷宫间的使用气体。通过一级密封泄漏出的工艺气体被氮气全部引入 火炬燃烧。而通过二级密封漏入大气的全部是氮气。当主密封失效时， 第二级密封同样起到辅助安全密封的作用。 图2 1 7 双端面干气密封 富气压缩机的工艺气为富气，属于易燃易爆气体，不允许泄漏到大 气中，但允许少量氮气进入到压缩机内，对于这种工况的压缩机采用 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 t m 0 2 a 型双端面干气密封。它适用于不允许工艺气泄漏到大气中，但允 许阻封气( 如氮气) 进入机内的工况，比如工艺气比较脏、不稳定或者 存在负压的危险，密封结构见图2 - 1 7 。双端面密封相当于面对面布置的 两套单端面密封，有时两个密封分别使用两个动环，如图2 1 8 。在两套 密封之间通入阻封气而成为一个性能可靠的阻塞密封系统，控制阻封气 体的压力使其始终维持在比工艺气体压力高0 2 o 3 m p a 的水平，这样 气体泄漏的方向总是朝向工艺气和大气，从而保证了工艺气不会向大气 泄漏。 图2 - 1 8 双动环的双端面干气密封 干气密封具有如下优点： 密封效果好，几乎达到轴端无泄漏。 能耗小，仅相当于接触式机械密封能耗的6 0 ，是浮环密封的十 几分之一。 降低了对润滑油的污染，由于采用氮气作密封气，因此对润滑 油无污染，润滑油可以循环使用； 使用寿命长，动环与静环之间几乎没有磨损( 密封面之间的间隙 大约为3 5 岫) 。 综合造价和运行维护费用低，因为气源和控制系统比较简单，投 资费用约为油膜密封的2 3 ，运行费用低，检修维护工作量小。 目前干气密封的主要缺点是进口密封价格较高，而且由于动环通常 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 为碳化硅等脆性材料，一旦发生事故动环容易碎裂，修复难度大。表2 1 是干气密封系统与其它机械密封系统的对比情况。 表2 1 各种密封型式优缺点比较 类别优点缺点 非接触式，寿命长。泄漏量大，运行维护费用高。 结构简单，制造成本低，有环境污染的危险。 维护方便。向机内充水蒸汽的方案会加剧中 迷宫密封 采用抽气式、充气式。或冷器腐蚀，抽气强度控制不好会使 抽充气式，可密封危险性气轴承油进水或抽走润滑油。 体。 非接触式，寿命长。密封油内泄漏量大 对转速和压力的使用范 ( 一般q = 2 0 0 0 3 0 0 0 m 胁) 。 围大( v m a x = 1 0 0 m s ，阻封气体消耗量大 p m a x - - 2 0 3 0 m p a ) ( q = 2 0 0 3 0 0 n m h ) 。 浮环密封 油系统复杂、投资大，占地面积 极大，辅助设备多，运行维护费用 高。 密封油污染工艺回路的危险性 大。 内泄漏较低属接触式，极限速度 。 ( q = 1 0 0 - 5 0 0 m l h ) ，污油处理 v m a x = l o o m s 系统较简单。仍然存在内泄漏和污染工艺回路 机械密封 油气压差较大。控制较容的危险。 易，可取消高位油罐。阻封气体消耗量大( q = 2 0 0 3 0 0 n m l h ) o 非接触式，寿命长。制造精度高，动环容易碎裂，修复 极限速度高难度大 v m a x = 1 2 0 m s 承压能力高p m 稍o m p a 干气密封 ( d 内泄漏降低1 0 0 倍左右， q l m l h 阻封气体消耗量降低1 0 倍以上，般q i o n m 3 h 。 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 2 3 干气密封材料的选择 螺旋槽干气密封的操作极限与密封组件的许用载荷有关，温度和压 力极限由所用的辅助密封橡胶和端面材料决定。因此，材料的选择对于 干气密封的设计以及在实际装置中的长周期可靠运行十分重要【1 3 】。 1 ) 密封端面材料 螺旋槽干气密封的端面材料需要有低的热膨胀系数和高的导热性， 这样可以有较好的热流动性，从而降低动、静环的热变形。为了减小端 面的压力变形，需要其材料有高弹性模量和强度系数。同时，由于压缩 机启、停过程中密封副必然会产生接触，因此密封副材料还需要有较好 的耐磨性能。常用材料如表2 2 所示。 表2 - 2 干气密封常用材料性能对比 性能参数 密度导热系数热膨胀系数弹性模量抗压强度硬度 材料 1 0 3 k g m 3w ( m 。、 1 0 g p am p a 洛氏a 浸s b 石墨 2 2 5o 8 4 2 0 4 05 0 02 0 s 妃 3 1 71 24 54 5 0 1 0 3 4 1 4 0 t i c4 53 0 7 3 7 99 0 09 2 w c 二n i1 4 51 866 0 01 1 0 08 9 w c c 01 4 52 05 54 0 0 5 3 01 0 0 09 0 s i 3 n 4 3 2 643 2 82 2 0 3 2 01 2 0 08 5 动环材料一般选择碳化钨或碳化硅，其优点是变形小、导热系数高、 自润滑性能好和硬度高，有些厂家也有试验采用表面氮化或硼化的铁合 金来产生一个硬的耐磨表面来取代碳化钨材料。静环常采用浸锑石墨。 石墨作为静环材料具有以下特点： 具有良好的自润滑性和低的摩擦系数； 具有高的导热系数和低的线膨胀系数： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 具有良好的耐温性： 具有优良的耐腐蚀性。 石墨材料由于本身所具有的优点，特别适于作为密封材料。为了增 加石墨材质的硬度及抗拉抗压强度，采用浸锑石墨取代普通石墨。石墨 浸锑后，耐高温的性能有所增强，这保证了干气密封静环在表面摩擦热 较高时，不仅有很好的自润滑性，同时也具有良好的导热性能；同时， 材料本身又有较高的强度来抵抗热变形，以保证密封的性能。 常用的材料配对情况如表2 3 所耐1 4 1 。 表2 - 3 干气密封常用材料配对情况 材料组合静环动环应用环境优缺点 软，硬高硬度浸锑石墨 w c c o 低压环境抗冲击性强，硬度略低 软，硬高硬度浸锑石墨w c - n i低压环境抗腐蚀性强，硬度略低 软硬高硬度浸锑石墨 s i c低压环境抗腐蚀性强，较脆 硬，硬碳化硅表面喷金碳化硅表面高压环境性能好，加工难度大 刚砂喷金刚砂 2 ) 辅助密封材料 辅助密封材料指的是干气密封中除动、静环配合密封以外的其余软 性密封材料，主要是0 形圈。0 形圈的作用就是防止气体从轴向及径向的 泄漏。静环密封端面与组合密封件之间关键的密封点就是静环后部的泄 漏点。这一泄漏点既为静泄漏点，也为动泄漏点。当运行平稳，端面间 的气膜厚度一定时，承载力与介质力达到平衡，静环保持不动，此时， o 形圈为静态密封。当工艺变化或承载力发生变化时，其膜厚也发生变 化。静环端面在轴向上就要采取相应的调整，以适应不同承载力的平衡。 此时，o 形圈就为动态密封。所以，保证0 形圈材料的性能比较关键。辅 助密封最重要的特性是温度极限、挤压特性及与压力相关的气吸现象。 在气吸环境下，密封腔的压力突然下降将导致o 形圈的变形。为了消除 气吸的损害，压力下降率应低于2 m p a m i n 。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封概述 常用o 形圈材料如表2 _ 4 所示。 表2 - 4 常用o 型圈材料 压力，m p a温度，o 形圈材料硬度应用场合 p 9 0 2 0 + 1 5 0标准氟橡胶 7 5 9 0 富气、循环氢、空气、c 0 2 、n 2 2 0 + 1 5 0氟橡胶9 0富气、循环氢、天然气 3 0 h 2 ，这样入1 3 流量大于出口流量，这不符 合质量守恒定律。所以，流体内部将产生压力升高，各截面速度不是都 呈线性分布。 由于存在能承受一定载荷的润滑膜，使得作相对运动的固体表面避 免了直接接触，从而大大减少了摩擦阻力，降低了表面磨损，延长了使 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章干气密封理论分析 用寿命，保证了设备正常运转。由此可见，流体动力润滑的形成需要三 个条件： 相对运动两表面必须形成一个收敛楔形。 被油膜分开的两表面必须有一定的相对滑动速度v s ，其运动方向 必须使润滑从大口流进，小口流出。 两表面之间有润滑剂( 有粘度) 。 3 2 流体动力润滑基本方程【1 6 】 t 缸c i z 倒3 - 2 流体动力润滑计算 取图3 - 2 中微元为研究对象。 前后向压力分别为p 和p + 孚出 上下面剪切应力分别为f 和f + 宴巧， 由x 方向力平衡，得警= 一考 带入牛顿粘性流体定律：f = 一，7 娑 a pa z “ 言2 叩丽 舻五嵩y l q y + 吃 l 劾2 善由，d ： 号妒) 缸d 2 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章干气密封理论分析 罔时，俐；y = h 时，u - - o ，得积分常数q ，c 2 甜一v ( h - y ) y ( h - y ) 塑 ( 3 7 ) h2 “o x 不计侧漏，沿x 方向，任意截面单位宽度的流量为 铲p = 南謇矿 ( 3 - 8 ) 0 一，“ p = 风。处油膜厚度为，流量：吼= 量 三h o = 三h - 去争( 3 - 9 ) 一维雷诺流体动力润滑方程： 面o p = 6 r v 生手 ( 3 1 0 ) 对工取偏导数：昙( 堡罢) ：西罢 ( 3 1 1 ) 班r 靠盘 考虑沿z 方向的流动可得到二维雷诺流体动力润滑方程： 昙( 堡罢) + i a 【一h 3 罢) ：6 v 罢 ( 3 - 1 2 ) 缸、缸7 瑟、瑟7苏 目前用于干气密封动力学分析的基本方程有两大类：雷诺润滑方程 和涡量流函数方程，这两类方程为一维或二维方程，是对三维流动方 程的简化。其中涡量流函数方程是通过简化纳维一斯托克斯方程 堕+ 丝+ 堡：上( 盟十堕+ 盟+ 堕)( 1 3 ) 3 - 二+ + = l 一十上+ _ 二+ l 8 f 8 8 n融、a t8 t0 qa q 1 来实现的。通过引入涡量国和流函数把控制方程简化得到： i o w + ( 矿v ) w = v v 2 w 、壬，= 一w( 3 - 1 4 ) 卿御 却缸 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章干气密封理论分析 为了精确描述流体流动对干气密封的影响，根据目前的研究成果，采 用三维纳维一斯托克斯方程直接描述干气密封端面间的流动更为精确。 根据如下假定：( 1 ) 流动是不可压缩的层流流动，( 2 ) 气体温度与密度是均 匀的，( 3 ) 气体作稳态流动，( 4 ) 忽略重力的影响，(