（化学工程专业论文）重整循环氢压缩机密封系统技术改造.pdfVIP

摘要 重整循环氢压缩机k - 2 0 1 是天津石化公司2 0 0 k t a 聚酯二阶段工程芳烃联合装 置6 0 0 k t a 连续重整单元中的关键设备，其密封系统，原始设计采用浮环密封，在 运行过程中出现了密封油向工艺系统泄漏的问题，经研究将浮环密封改为非接触式 油膜旋转机械密封。改造后，压缩机在一年内运行基本正常，但在2 0 0 1 年9 月，机 械密封发生了毁灭性损坏，大量的润滑油进入系统。为此，决定对压缩机系统进行 彻底的改造，将机械密封改为干气密封，结果表明，这次改造是成功的。 本文针对这次技术改造的历程、效果及其涉及的技术问题和理论问题进行了充 分阐述。论述了循环氢压缩机轴封系统的技术进展和发展趋势，并详细阐述了螺旋 槽干气密封技术的基本原理、主要技术参数。对改造方案进行了充分的比较和技术 论证。对选定的具有“人”字形槽密封端面的干气密封结构进行了详细的技术性能 计算，并与传统的螺旋槽干气密封性能进行比较，从理论上证明了密封端面具有“人” 字形槽的干气密封具有较大的气膜刚度。 本文对干气密封技术应用于天津石化公司重整循环氢压缩机k _ 2 0 l 的技术改造 过程进行了充分的技术总结，得出了许多有意义的结论，对于将干气密封技术应用 于类似的工况具有重要的技术指导和借鉴作用。 关键词：干气密封；螺旋槽；离心式压缩机；技术改造 a b s t r a c t r e c y c l i n gh y d r o g e nc o m p r e s s o r k - 2 0 1i sak e yd e v i c ei nt h ec o n t i n u o u s l y r e f o r m i n g u n i to ft h e p r o j e c t o ft i a n j i np e t r o c h e m i c a lc o r p o r a t i o n s 6 0 0 k t a c o n t i n u o u s l yr e f o r m i n gu n i t i t ss h a f ts e a l i n gs y s t e m ，o r i g i n a ld e s i g nb e i n gaf l o a t i n g r i n gs e a l ，w a sb e e nf o u n dt h a tt h es e a l i n go i lh a d b e e nl e a k i n gi n t ot e c h n o l o g yg a s t h e n ， t h ef l o a t i n gr i n gs e a lh a db e e nt a k e np l a c eb yt h eo i l - l u b r i c a t e dn o n c o n t a c t i n gs p i r a l g r o o v em e c h a n i c a lf a c es e a l t h em e c h a n i c a ls e a l h a db e e ns u c c e s s i v e l yo p e r a t e df o r n e a r l y o n ey e a r , b u tc o m p l e t e l yf a i l e ds u d d e n l ys e p t e m b e r , 2 0 0 1 ，ag r e a td e a lo f l u b r i c a t i n go i ll e a k i n g i n t ot h es y s t e m ad e c i s i o nh a sb e e nm a d et or e c o n s t r u c tt h e s e a l i n gs y s t e mc o m p l e t e l yb ya p p l y i n gt h ed r yg a ss e a lt ot a k ep l a c eo f t h eo i l l u b r i c a t e d n o n c o n t a c t i n gs p i r a lg r o o v e m e c h a n i c a lf a c es e a l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i s r e c o n s t r u c t i o ni sv e r ys u c c e s s f u l t h i st h e s i sp r e s e n t sad e t a i la n a l y z ec o n c e r n i n go ft h ee f f e c t s ，o ft h et h e o r ya n dt h e t e c h n o l o g yr e l a t e dt ot h i sr e c o n s t r u c t i o n t h ed e v e l o p m e n to f t h es h a f ts e a l i n gs y s t e mf o r t h eh y d r o g e nc o m p r e s s o rh a sb e e nr e v i e w e d t h ef u n d a m e n t a l so fs p i r a lg r o o v e n o n c o n t a c t i n g f a c es e a l sh a v eb e e n a n a l y z e d ，p a y i n gm o r e a t t e n t i o nt ot h em a i n p a r a m e t e r s a st ot h er e c o n s t r u c t i o np l a n ，ad e t a i l e dt e c h n o l o g i c a lr e a s o n i n gh a sb e e n c a r r i e do u t ad e t a i lp e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o na st ot h es e l e c t e dh e r r i n g b o n es e a lf a c eh a s b e e nm a d e ，c o m p a r e dt ot h ec o m m o ns p i r a lg r o o v es e a lf a c e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e h e r r i n g b o n es e a lf a c eh a sm u c hg r e a t e rg a sf i l ms t i f f n e s st h a nt h a to fs p i r a lg r o o v es e a l f a c e t h i st h e s i sp r e s e n t sad e t a i lt e c h n o l o g i c a ls u m m i n g - u pa st ot h ed r yg a ss e a l r e c o n s t r u c t i o no ft h eh y d r o g e nc o m p r e s s o rk - 2 0 1i nt i a n j i np e t r o c h e m i c a lc o r p o r a t i o n t h ec o n c l u s i o n sa n de x p e r i e n c e sf r o mt h et h e s i sc a nb eu s e df o rr e f e r e n c ei nt h es i m i l a r g a ss e a lr e c o n s t r u c t i o np r o j e c t k e yw o r d s ：d r yg a ss e a l ，s p i m 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 lt e c h n o l o g i c a l r e c o n s t r u c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得盘垒盘堂或其他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。 学位论文作者签名：签字日期：酬年g 月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解垂壅盘茔有关保留、使用学位论文的规定。特 授权盘壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：擘佬t 蒡 导师签名：嗍 签字日期：矽占年乎月衫日 签字日期：尹彤年矿月矽归 第一章绪论 第一章绪论 1 1 循环氢压缩机密封技术及发展趋势 石油化工行业循环氢气压缩机大多采用离心式压缩机，循环氢气压缩机密封 技术即为离心式压缩机的密封技术。离心压缩机作为石油化工行业的心脏设备， 应用日益广泛，并要求其长周期稳定、可靠运行。对离心式压缩机的密封系统提 出了越来越高的要求。目前应用于离心式压缩机密封系统主要有迷宫密封、浮环 密封、普通机械密封、油膜润滑非接触机械密封和气膜润滑非接触机械密封。气 膜润滑非接触机械密封，又称干式气体密封，简称干气密封，是目前离心式压缩 机采用的最先进的密封技术。 ( 1 ) 迷宫密封 迷宫密封是离心式压缩机应用广泛的密封形式，目前仍被广泛用作为级问 密封、辅助密封等。由于离心式压缩机的转子和定子一个高速旋转而另一个固定 不动，转子和定子之间必定有一定的间隙，因此就一定会有气体在压缩机内部由 一个部位泄漏到另一个部位。同时，还会向压缩机外部进行泄漏。为了减少和防 止气体的这些泄漏，需要采用密封装置。防止压缩机内部通流部分各空腔之间泄 漏的密封叫作内部密封，如轮盖、定距套和平衡盘上的密封，这些密封一般即采 用迷宫密封；防止或减少气体由压缩机向外界泄漏的密封，称为外部密封或轴端 密封。压缩机的密封技术一般情况下是指压缩机的轴端密封技术。对于轴端密封 来说，如果被压缩的气体无毒、无害，如空气、氮气等，允许少量气体泄漏，也 大多采用迷宫密封，但迷宫密封的泄漏率较大u ，。 对于以空气为介质的压缩机绝大多数采用迷宫式密封，而压缩氮气、二氧 化碳等中性气体的压缩机也可采用迷宫密封，但由于被输送气体的价值较高，常 采用液体润滑的机械密封或泄漏率很低的螺旋槽干气密封。 以前，为了防止易燃、易爆和有毒气体的外泄，采用抽气或充气式迷宫密 封。抽气密封装置需要一个空气源或蒸汽源。将空气或蒸汽通过一个引射器而造 成一个低于大气压的抽气装置，这样由两个迷宫密封( 一个迷宫密封在工艺气体 侧，一个迷宫密封在大气侧) 构成的密封腔的压力将低于大气压力，通过压缩机 侧迷宫密封的机内危险性气体及通过大气侧迷宫密封的大气经过抽气管道( 两种 气体在该管道中混合后) 而被引射到系统外，接受进一步处理或远距离排空。对 于压缩机中危险气体不允许外泄，但又允许混入少量气体时，采用充气式迷宫式 密封。用来作为充气密封的气体可以是空气、氮气或是其它合适的气体。密封气 第一章绪论 的压力高于压缩机的吸入压力，一部分密封气通过迷宫密封进入压缩机而混入被 压缩气体中，而另部分密封气体则通过大气侧的迷宫密封漏至机外脚为了提 高密封的安全可靠性，常将抽气式迷宫密封和充气式迷宫密封组合起来使用，称 为抽充气式迷宫密封。石油化工行业危险性工艺气体( 如氢气) 压缩机使用的第 一代轴端密封即是抽充气式迷宫式密封。这类迷宫将消耗大量的动力蒸汽，运行 维护费用高，污染环境并危及安全生产。沈阳鼓风机厂在2 0 世纪6 0 、7 0 年代采 用的就是这类密封，该厂在2 0 世纪8 0 年代引进意大利新比隆公司的浮环密封技 术之后，就将迷宫式密封淘汰了n ，。 但利用蒸汽作为密封气的蒸汽阻塞密封，即蒸汽充气抽气迷宫式密封在某 些情况下仍具有良好的应用效果和应用前景w 。 ( 2 ) 浮环密封 浮环密封又称为浮环油膜密封，或浮动环间隙密封，它是从套筒式固定间 隙密封发展而来的。它的密封环能沿径向自由浮动。浮环密封是压缩危险性工艺 气体离心式压缩机轴端密封的传统形式，到目前为止，仍是离心式压缩机轴封的 主要配置形式。浮环即是一种可以径向自由浮动但不能转动( 由于防转销作用) 的圆柱形密封环。它能自由浮动的原理和滑动轴承的工作原理一样，利用了油楔 产生的流体动匿力( 浮力) 。浮环密封的基本结构如图卜1 所示。一套浮环轴端 密封通常由内外浮环构成。靠近高压侧的密封环叫内环或高压环；靠近低压侧的 密封环叫外环或低压环。 图1 1 浮环密封基本结构 f i g i 一1t h e b a s i c s t r u c t u r eo f f l o a t i n gr i n gs e a l l 一高压环；2 _ 一防转销；3 旬型密封圈；4 一低压环 2 第一章绪论 图1 2 浮环密封示意图 f i g 1 - 2t h es k e t c hm a po f f l o a t i n gr i n gs e a l l 琏接螺栓：2 _ 毋 侧迷宫密封：争- 密封连接件；4 一内侧迷宫密 5 - - 挡环；6 挡环连接螺栓；7 - - 外浮环；8 - - 弹簧；9 一内浮环； i o 0 型环；l 卜隔离环：1 2 一防转销；1 3 一连接件；1 4 一连接螺栓 浮环密封原理是，在内、外浮环之间引入压力稍高于被密封气体的密封油， 密封油的压力一般比被密封气体的压力高0 0 3 0 0 5 m p a 。密封油的一路经内环 和轴之间的微小间隙流向高压工艺气体侧，在问隙中形成油膜，将工艺气体封住， 但会形成微少的密封油内泄漏。内泄漏的密封油由油气分离器进行回收；另一路 经外环与轴之间的微小间隙流出，由低压侧回油空腔收集后回收。内浮环压差小， 通常间隙也较外浮环小些，故内泄漏比外泄漏小得多，但导致的一个不良后果是 大量的热不能被及时带走，使得浮环和油的温度很高，容易引起抱轴等现象使浮 环损坏，内环的冷却问题需要得到充分考虑。为了使密封得到充分冷却，外浮环 的间隙较内浮环大些，外泄漏量也较大。当密封高压气体时，由于外浮环的压差 过大，为了限制外泄漏量通常需要采用多级外浮环。 浮环密封的优点是它属于非接触密封，寿命长，可靠性高，并且能适应高 速和各种压力等级，工况范围广。正是这些优点，使得浮环密封成为危险性工艺 气体压缩机轴端密封传统上采用的主要形式。然而，浮环密封有两大缺点：第一， 内泄漏仍然很大，并不易调整和控制，回收处理内泄漏油( 污油) 的设备比较复 3 第一章绪论 杂庞大，它包括油气分离器、脱气槽及控制系统。特别是当内泄漏过大和该系统 失灵时，更存在密封油污染工艺回路的危险。第二，浮环密封辅助系统的投资远 远高于密封本身的投资。正是由于上述两大缺点，浮环密封受到了更先进的密封 形式的严重挑战m 。 ( 3 ) 普通机械密封 由于浮环密封的内泄漏很大，且压差小，难以精确控制，而普通接触式机 械泄漏量小，能承受的压差大，出现了用普通机械密封代替浮环密封的发展趋势。 在离心式压缩机中应用的普通机械密封即为接触式机械密封，一般采用的 型式为机械密封浮环密封组合或双端面机械密封。主要应用于中低压工艺气 体离心式压缩机领域。 图卜3 为一种机械密封一浮环密封组合密封。浮环密封内浮环的功能由 一普通接触式机械密封来代替。外浮环的功能仍采用浮环密封。图卜4 为一种双 端面机械密封的结构示意图。内外浮环的功能均由机械密封来实现，两个机械密 封共用一个旋转环，形成了“面对面”双端面机械密封。 机械密封浮环密封组合或双端面机械密封克服了浮环密封内泄漏量过 大、辅助系统复杂等缺点，且其寿命和可靠性不亚于传统的浮环密封，在中低压 压缩机领域正逐步替代传统的浮环密封。 图l - 3 机械密封浮环密封组合密封 f i 9 1 - 3c o m b i n e ds e a lo f m e c h a n i c a ls e a la n df l o a t i n gr i n gs e a l l 一动环：2 静环：3 - - - 弹簧座；4 弹簧；5 - - - 浮动碳环 6 o 形密封圈；7 一驱动销：g 一迷宫密封 4 高压翻 第一章绪论 图1 4 离心式压缩机用双端面机械密封 f i g i - 4d o u b l es e a lf o r c e n t r i f u g a lc 0 p r e s s w ( 4 ) 油膜润滑非接触机械密封 由于普通接触式机械密封端面直接接触，摩擦磨损严重，难以适应高速和 高压工况，受螺旋槽轴承的启发，研究开发了能适应高速和高压工况的油膜润滑 螺旋槽端面非接触机械密封。图1 - 5 为一种非平衡型油膜润滑非接触机械密封机 构示意图，适用于压力较低的情况；图卜6 为一种平衡型油膜润滑机械密封结构 示意图，可以应用到较高的压力工况。目前该技术已经完全成熟，此类密封的端 面线速度可达1 2 0m s ，内泄漏接近于零。这类密封的结构类似于普通双端面机 械密封，只是在旋转环上或非旋转环上加工有数个深度很浅的螺旋线槽。这类密 封已获得了成功的工业应用，实现了高速度、微泄漏、微磨损和长寿命，并成功 改造了多台离心式压缩机”。 图1 - 5 非平衡型油膜润滑非接触机械密封结构示意图 f i g 1 51 1 1 es k e t c hm a po f u n b a l a n c ea n do i ll u b r i c a t en o n c o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a l 5 第一章绪论 图1 6 平衡型油膜润滑非接触机械密封结构示意图 f i g 1 6t h es k e t c hm a po f b a l a n c e a n do i ll u b r i c a t en o n c o n 协c f i n gm e c h a n i c a ls e a l 由于该类密封仍然使用密封油来密封工艺气体，并实现密封端面的润滑， 如果密封失效就存在密封油涌入系统并严重污染工艺气体的危险。 ( 5 ) 气膜润滑非接触机械密封( 干气密封) 气膜润滑非接触机械密封是机械密封发展的最先进技术，它利用气体动压 或静压力来实现密封端面的非接触，而使密封能够长周期稳定运转，称为干式气 体密封或简称为干气密封。它彻底取消了油密封系统，完全避免了油对系统污染 的可能性。它是离心式压缩机轴封技术的主要发展方向。 1 2 课题的目的和意义 重整循环氢压缩机k - 2 0 1 是天津石化公司2 0 0 k t a 聚酯二阶段工程芳烃联合 装置6 0 0 k t a 连续重整单元中的关键设备，由沈阳鼓风机厂制造，其轴封系统改 造过程充分体现了循环氢压缩机各种轴封技术的特点和发展趋势。其原始设计采 用浮环密封，该压缩机在安装、清洗、单机试运过程中未发现异常，但在装置开 车期间却出现了密封油向工艺系统泄漏的问题，虽经多次调整密封油系统运行参 数，对内外浮环、浮环密封座等配件进行了更换，仍未找出漏油的原因。后经解 体检查发现机组外侧的内浮环间隙超差、机组传动侧的内浮环呈椭圆状、内浮环 密封端面与浮环密封座的密封端面存在不均匀磨损等问题。经研究将浮环密封改 为非接触式油膜机械密封。改造后，压缩机在一年内运行基本正常，尽管出现过 联锁停机，在停机检查时发现机械密封有磨损现象，但并未对生产造成威胁。后 来机械密封发生了毁灭性损坏，大量的润滑油进入系统，部分重整催化剂受到污 染，造成了一定的经济损失。为此，决定利用装置大检修时间对压缩机系统进行 彻底的改造，将机械密封改为干气密封，机组改造后经历长周期运行和多次停电 6 第一章绪论 和联锁停车的考验，均未出现异常，这些充分证明这次改造是成功的。 本课题将对这次技术改造的历程、效果及其涉及的技术问题和理论问题进 行充分阐述。论述循环氢压缩机轴封系统的技术进展和发展趋势，并详细阐述螺 旋槽干气密封技术的基本原理、主要技术参数。对改造方案进行充分的比较和技 术论证。对选定的具有“人”字形槽密封端面的干气密封结构进行详细的技术性 能计算，并与传统的螺旋槽干气密封性能进行比较，从理论上证明密封端面具有 。人”字形槽的干气密封具有较大的开启力和气膜刚度。 本文将对干气密封技术应用于天津石化公司芳烃装置重整循环氢压缩机 k - 2 0 1 的技术改造过程进行了充分的技术总结，寻求有意义的结论，对于将干气 密封技术应用于类似的工况提供技术指导和技术支持。 1 3 本论文的主要内容 本论文紧密结合天津石化公司芳烃联合装置6 0 0 k t a 连续重整单元中的关 键设备重整循环氢压缩机k - 2 0 1 的轴封改造历程。在分析离心式压缩机轴封系统 现状和发展趋势的基础上，系统地对循环氢压缩机密封系统改造方案进行理论论 证、技术论证，并组织实施了改造方案。对整个改造过程进行了充分的技术总结。 论文主体分为5 章。第1 章绪论，介绍了循环氢压缩机密封技术的技术进 展和发展趋势、课题的目的和意义。第2 章密封系统技术改造的理论论证，重 点归纳和总结了干气密封技术的发展历程、干气密封技术的基本原理、螺旋槽干 气密封的基本理论和主要技术参数及其影响规律。第3 章密封系统技术改造方 案的技术论证和确定，重点分析原密封系统存在的问题，改造方案的详细技术论 证、计算、分析，改造方案的最终确定。第4 章密封系统改造方案的实施及效 果，重点归纳总结改造干气密封的设计、制造、实验、现场安装、调试和最后运 行的情况，使用效果分析等。第5 章结论，主要归纳总结所获得的主要结论。 7 第二章循环氢压缩机密封系统技术改造的理论论证 第二章循环氢压缩机密封系统技术改造的理论论证 2 1 干气密封的基本原理” 町 干气( d r yg a s ) 密封一般特指依靠几微米的气体薄膜润滑的机械密封它 是一种新型的、先进的旋转轴密封。在离心式压缩机领域正获得越来越多的应用。 干气密封使用的可靠性和经济性已被许多工程应用所证实。 对干气密封较深入的研究始于1 9 6 9 年，到7 0 年代中期开始在离心式压缩机 领域获得工业应用。随后其技术不断完善，应用领域逐渐扩大，已发展成为了很 先进的流体密封技术。图2 - 1 为一种典型的螺旋槽干气密封产品结构示意图，其 旋转环的端面加工有深度仅为几微米的螺旋形浅槽。 图2 - 1 一种典型的螺旋槽气膜密封产品 f i g 2 - 1t y p i c a ls p i r a lg r o o v ef a c es e a l 干气密封和传统上的液相用机械密封类似，只不过干气密封的两端面被一稳 定的薄气膜分隔开，成为非接触状态。由于气体的粘度很小，需要依靠强有力的 流体动压效应来产生分离端面的流体压力，同时使气膜具有足够的刚度以抵抗外 界载荷的波动，保持端面的非接触。图2 - 2 表示出了气膜密封的主要构件和密封 机理。浮动环在弹簧力和介质压力的作用下，形成闭合力。该力与动环( 旋转环) 是否旋转无关，属于静压力。当动环( 旋转环) 旋转时，气体由于槽台的作用将 产生流体动压力，提高了气体本身的压力。不同槽形产生流体动压力的能力不一 8 第二章循环氢压缩机密封系统技术改造的理论论证 样。该压力形成了迫使端面分开的开启力。形成开启力的气体压力实际上是进入 端面间气体的静压力和由于旋转形成的气体动压力之和。静压力与端面是否旋转 无关，而动压力与端面旋转速度密切相关。当旋转端面达到一定速度时，开启力 和闭合力相等，端面开启，形成非接触状态。转速进一步提高，端面间隙增大， 开启力仍维持与闭合力的平衡，保持非接触状态。正常操作时，端面维持在一个 较小的平衡间隙( 1 5 l im ) 下稳定运转，形成稳定气膜。稳定气膜既起到对工作 介质的密封作用，又起到对摩擦副的润滑作用，使得气膜机械密封工作在流体润 滑非接触状态下，从而实现了无磨损运转。 采 匪 擎 宅 星 毫 碧 均端面压力 图2 _ 2 气膜润滑机械密封的原理 f i g 2 - 2p r i n c i p l eo fg a sl u b r i c a t e n oc o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a l 端面间气膜的刚度对维持密封的稳定操作十分重要，当某种原因引起端面彼 此靠近，端面间隙的缩小将引起端面气膜压力迅速升高，迫使端面恢复到原来的 9 第二章循环氢压缩机密封系统技术改造的理论论证 分离间隙；反之，当某种原因引起端面的彼此远离，气膜压力将迅速下降，使得 闭合力大于开启力，迫使端面在闭合力的作用下彼此靠拢，恢复到原来的分离间 隙。气膜密封的间隙恢复机制保证了弹簧作用的浮动环对静止环轴向位移、角位 移或偏摆的良好追随性。 机械密封端面的分离气膜可以通过流体静压效应和流体动压效应获得。流体 静压效应与流体流经端面形成压差有关，而转速无关；流体动压效应由于粘性剪 切作用和膜厚变化而形成。流体静压效应由于与转速无关而极具吸引力，但存在 着不足。当压差较小时，仅依靠流体静压力并不能使弹簧加载的端面分离，况且 流体膜的剐度很差。纯粹依靠流体静压效应的气膜密封，动态稳定性极差。所以， 气膜密封必须在流体静压作用的基础上增加流体动压效应，以保证密封端面具有 足够的开启力和气膜刚度。 增加流体动压效应是通过在密封端面上加工流体动压槽来实现的，不过该流 体动压槽同时具有提供、控制气膜流体静压效应和动压效应的作用，所以气膜密 封被认为是同时具有静压效应和动压效应的混合型密封。 流体动压槽的形状有多种形式，图2 - 3 ( a ) 所示的螺旋槽或三角形槽为单向 槽，只允许轴向一个方向旋转。图2 3 ( b ) 所示的锤形槽或方形槽为双向槽，对 轴的旋转方向无限制。由于单向槽可充分采用具有较大流体动压效应的槽形结 构，且不存在双向槽中降低流体动压效应的反作用槽，从而使单向槽气膜密封具 有较大的流体动压效应和气膜稳定性。各种槽形均有一共同特点，即槽与被密封 的高压气体相通，而在低压侧由一密封坝截断。高压气体沿槽进入密封端面产生 较大的流体静压力，同时由于密封环的相对旋转，槽的输送效应和台阶效应使气 膜产生流体动压力并被进一步压缩，提高了端面间气膜的总压力，气体越过密封 坝后急剧降压膨胀，最后到达低压侧作为泄漏量。未开槽密封坝的节流作用进一 步提高气膜压力的同时，限制了泄漏量。密封端面由于气膜的流体静压力和流体 动压力联合作用，使得两端面彼此分离成为非接触。气膜密封的弹簧力很小，主 要目的是为了保证密封不受压时端面的贴合和保证密封在受到外界干扰时，端面 具有良好的追随能力。 l o 第二章循环氢压缩机密封系统技术改造的理论论证 ( a ) 螺旋槽 三角形槽 ( b ) 图2 - 3 不同的端面槽型结构 a 单向槽b 双向槽 f i g 2 - 3d i f f e r e n tg r o o v em o d e i ( ) g r o o v e o f s i n g l e d i r e c t i o n ( b ) g r o o v e o f d o u b l e d i r e c t i o n 干气密封的实际应用结构可以是单端面式，双端面式或串级式。图2 - 4 为一 种单端面干气密封。这种单端面密封可以单独使用，主要用于中低压条件，并且 工艺气体泄漏对健康危害较小即允许少量工艺气体泄漏到环境中的场合，如空 气、氮气、二氧化碳等气体的密封。它也可以串级使用。串级使用时可用于高压 环境以降低每级密封的负荷；或将一级密封作为主密封，另一级密封作为备用密 封以应付主密封突然失效的情况。 图2 _ 4 单端面气膜密封 f i g 2 - 4 s i n g l es e a lw i t hg a sl u b r i c a t e d 图2 5 为一双端面干气密封结构。它采用双端面机械密封结构，并从外部引 入隔离气体。隔离气体的压力一般高于工艺流体的压力。该结构适用于有毒、可 燃或含有颗粒状物质的工艺气体。密封工作在非接触状态下，具有很长的使用寿 命及很低的功率消耗。主要用于密封有毒、易燃易爆气体的场合。一般采用氮气 感 第二章循环氢压缩机密封系统技术改造的理论论证 或工艺气体作为阻封气体。 图2 _ 6 所示为一种串联式干气密封结构，它也采用隔离气体，其压力比工艺 气体的压力高，工艺流体可以是气体或液体。密封采用串联结构，主密封内侧开 槽，次密封外侧开槽，这种布置泄漏率极小，主要用于允许一定的隔离气体进入 工艺流体的情况下。 图2 _ 5 双端面气体润滑机械密封 f i g 2 - 5 d o u b l e s e a lw i t hg a sl u b r i c a t e d 图2 - 6 串联式气膜密封 f i g 2 - 6t a n d e ms e a l w i t hg a sl u b r i c a t e d 值得注意的是，为了保障干气密封的稳定可靠运行，需要一套阻封气的保 障控制系统。它一般具有气体过滤、流量调节与控制、压力调节与控制等功能。 2 2 干气密封的发展历程 干气密封的发展是随着高压、高速旋转机械的出现，普通机械密封端面摩擦 磨损严重而无法胜任而出现的。对干气密封的理论研究和实验研究始于2 0 世纪 6 0 年代，到2 0 世纪7 0 年代已获得了工业应用。 1 9 6 8 年g a r d n e r 研制并实验了圆弧面螺旋槽非接触式机械密封，并于1 9 6 9 年在第四届国际流体密封会议上发表了非接触式机械密封的流体动静压混合润 滑原理。，1 9 7 4 年，螺旋槽干气密封首次成功应用于炼油厂的透平膨胀机上“， 随后，技术不断成熟、完善，得到了迅速发展，成为了标志国际先进水平的干运 转密封技术“”1 。国内从2 0 世纪9 0 年代开始，对于气密封进行了理论研究和实 验研究，并取得了长足的进步，获得了工业应用。 目前已有很多国内外机械密封生产商能够生产成系列的干气密封产品，例如 j o h nc r a n e 公司t 2 8 系列产品，德国b u r g m a n n 公司的干气密封产品，国内天津 鼎名密封公司的n i 系列产品( 现在公司为：约翰克兰鼎名密封( 天津) 有限公 司) 。国内离心式压缩机应用干气密封已有非常多的成功案例，例如t 2 8 干气密 封成功应用于循环氢压缩机1 ，国产干气密封产品成功应用于2 i d c l 5 2 7 富气压缩 1 2 第二章循环氢压缩机密封系统技术改造的理论论证 机等“。 在干气密封产品中，以端面开螺旋形流体动压槽技术最成熟、应用最为广泛。 2 3 螺旋槽干气密封的基本理论 端面开螺旋槽干气密封的密封端面上加工有深度仅几微米至十几微米的螺 旋形浅槽。螺旋槽可以是单排，也可以是双排：可以加工在旋转环( 动环) 上， 也可以加工在非旋转环上( 静环) 。 螺旋槽 图2 - 7 加工有螺旋槽的干气密封环 f i g 2 - 7v i e wo f s e a i n gf a c ew i f as c n ag r o o v e s 螺旋形槽的开口与被密封的高压气体连通。密封环沿半径方向分为开槽区和 密封屏障区。密封开槽区圆周方向由槽和堰( 台) 组成，一槽和一堰构成一个单 元。密封屏障区称为密封坝( s e a l i n gd a m ) 。密封环的主要结构参数包括密封环 的外径，内径，槽径、螺旋槽参数等。 构成螺旋槽的线型一般采用对数螺旋线。对数螺旋线如图2 - 8 所示。 1 3 第二章循环氢压缩机密封系统技术改造的理论论证 图2 4 对数螺旋线示意图 f i g 2 - 8t h es k e t c hm a po f l o g a r i t h m i cs p i r a l 对数螺旋线的方程为： r ：，n p 0 t a n 口 r o 为螺旋线的基圆半径，r 为极半径，0 为极角，当0 等于0 时，r ：r o ：a 为 螺旋角，它是螺旋线切线与极半径垂线之间的夹角。对数螺旋线的螺旋角a 为一 常数，故又称为等角螺旋线。有时也采用螺旋线切线与极半径之间的夹角b 来表 示螺旋角。a 与b 之间的关系是： a + 口= 三2 端面开螺旋槽干气密封最早而全面的基本理论是1 9 7 9 年由r p g a b r i e l 在美国摩擦学家和润滑工程师协会会刊润滑工程( l u b r i c a t i o ne n g i n e e r i n g ) 上发表的论文“螺旋槽非接触端面密封基本原理”d 6 ，该文作为经典文献，1 9 9 4 年3 月重新全文发表“”。该文全面阐述了密封操作的基本原理，操作条件对密封 性能的影响，泄漏率，典型的密封结构形式，密封件的材料和实验室的测试情况 等方面的内容。 螺旋槽干气密封最核心的内容是如何确定密封端面问的气膜压力。端面间气 体的流动规律，一般认为是等温层流流动，其流动控制方程为雷诺润滑方程。在 极坐标下的表现形式为： ! r 旦0 0 f 丝! 鱼1 + ! 旦f 正r 望1 =学 , 1 2 1 xr0 0 ) ro r 。 1 2 t n - - a ( w h ) + 0 00 0 1 2 to r ) 2 r0 0 a 不考虑时间项的影响时，即得到稳态运行时的雷诺润滑方程。该方程只能用 1 4 第二章循环氢压缩机密封系统技术改造的理论论证 数值法进行求解，可以采用的方法有有限差分法、有限元法或边界元法。使用最 多的是有限元方法“”。 对螺旋槽干气密封端面压力进行分析的另一种方法称为“窄槽”理论的解析 分析方法，m u i j d e r m a n 针对螺旋槽轴承进行了十分详细的分析。对螺旋槽气体 密封端面压力分布的解析计算一般均采用m u ij d e r m a n 所获得的公式“”1 。 密封坝区的气体膜压力满足的微分方程为： 亟；6 9 q , r t 。上 咖z h 3 p 1 r 对于开螺旋槽部分气体膜压力满足的微分方程为： 警= 半h 皆古 g 。、g 。和g ，分别为螺旋线函数。 对于普通螺旋槽干气密封，其压力边界条件为： ，2 ，p j = a 72 龟 a2 p 2 r 。r “p 2 2p o 对上述微分方程的求解，可以采用龙格一库塔数值方法进行求解，获得压 力分布p ( r ) 后，在整个密封面上进行积分即可获得密封端面开启力、气膜刚 度、泄漏率等密封性能参数：并可以进一步分析研究密封操作参数和几何参数对 密封性能的影响。 2 4 螺旋槽干气密封的主要技术参数 螺旋槽密封端面的几何参数对密封性能有重要影响，各参数对密封性能的影 响规律已进行了广泛研究，获得了许多重要规律，对螺旋槽干气密封的设计提供 了重要的技术依据。 1 9 9 5 年彭建等利用有限元法( f e m ) 求解无量纲稳态雷诺方程，获得了一些 端面结构参数对密封性能的影响规律1 。主要规律有： ( 1 ) 气膜端面压力分布 端面压力分布如图2 _ 9 所示，气体在螺旋槽部分被压缩，在螺旋槽的根部气 膜压力达到了最大值，最大压力超过了密封环外径处的压力p o 。气膜压力在密封 坝部分非线性下降至密封内径处的压力p ；。 1 5 第二章循环氢压缩机密封系统技术改造的理论论证 图2 - 9 螺旋槽气体密封端面压力分布 f i g 2 - 9p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na l o n gr a d i u s ( 2 ) 螺旋槽槽深对密封性能的影响 无量纲螺旋槽槽深h 。( 螺旋槽槽深h 。与密封坝区膜厚h 。之比) 对密封性能 的影响关系如图2 - 1 0 所示。无量纲泄漏率q 、承载能力w 、刚度s 、刚漏比s q 受槽深h ，的影响非常明显，当h 。等于3 5 左右，即槽深是工作膜厚的3 5 倍时， 各曲线出现最大值。螺旋槽槽深是螺旋槽干气密封的一个重要参数，对密封性能 有重要影响，需要精心设计和控制。 图2 - 1 0 螺旋槽槽深对密封性能的影响 f i g 2 - 1 0i n f l u e n c e so fg r o o v ed e p t ho np e r f o r m a n c eo fs e a l ( 3 ) 螺旋角a 对密封性能的影响 螺旋角。对密封性能的影响如图2 - il 所示，在a = 1 4 。左右时，气膜刚度s ， 刚漏比s q 。承载力( 开启力) 达到最大值，此时的泄漏率q 也较大。螺旋角较 小时，虽然泄漏率小，同时气膜刚度也很小，将会导致气膜的稳定性降低。密封 1 6 第二章循环氢压缩机密封系统技术改造的理论论证 端面的螺旋角d 一般取1 4 0 2 0 0 。 a f 。) 图2 - 1 1 螺旋角u 对密封性能的影响 f i g 2 - l li n f l u e n c e so fg r o o v ea n g l eo np e r f o r m a n c eo fs e a l ( 4 ) 螺旋槽槽长与密封坝长之比l d 对密封性能的影响 螺旋槽槽长与密封坝长之比l d 指密封端面上开螺旋槽部分半径方向的长度 ( r o - r 1 ) 与密封坝部分的长度( r i r i ) 之比。槽长与坝长之比l d 对密封性能的 影响规律如图2 - 1 2 所示，当l a t j , 于1 5 时，泄漏率q ，承载力，刚度s 和刚 漏比s q 都变化很大，k 越小，则它们的值越小。当l d = 2 3 5 刚度s ，s o 、w 均具有较大值。 图2 - 1 2 槽长与坝长之比l _ 对密封性能的影响规律 f i g 2 - 1 2i n f l u e n c e so fr a t i oo fg r o o v el e n g t ha n dp l a t f o r ml e n g t ho n p e r f o r m a n c eo fs e a l ( 5 ) 槽台比y 对密封性能的影响 1 7 第二章循环氢压缩机密封系统技术改造的理论论证 槽台比y 指螺旋槽圆周方向的宽度b i 与堰( 台) 在圆周方向的宽度之比。 槽台比y 对密封性能的影响规律如图2 - 1 3 所示，当y = o 0 4 时，q ，霄，s ，s l q 变化均较大。在y = o 4 1 时，承载力，刚度s ，刚漏比s o 均有较大值，且变 化不大。因此，槽台比y 一般情况下取i 左右的数值。 图2 - 1 3 槽台比y 对密封性能的影响 f i g 2 - 1 3i n f l u e n c e so fr a t i oo fg r o o v ew i d t ha n d p l a t f o r mw i d t ho l lp e r f o r m a n c eo fs e a l ( 6 ) 螺旋槽槽数n l 对密封性能的影响 利用有限元法可以分析螺旋槽槽数对密封性能的影响，其影响规律如图 2 - 1 4 所示。随着槽数的增加，泄漏量q 、承载力、刚度s 和刚漏比s o 均有所 增加。当n g 大于4 0 后，四条曲线均变得很平缓。由于槽数越多，加工越困难， 所以螺旋槽的槽数在2 0 4 0 比较合适。 1 8 第二章循环氢压缩机密封系统技术改造的理论论证 图2 一1 4 槽数n 。对密封性能的影响 f i g 2 - 1 3i n f l u e n c e so fg r o o v en u m b e ro np e r f o r m a n c eo fs e a l 值得注意的是不同的研究者针对不同的工况所获得的规律会有所出入，这需 要使用者针对具体情况进行分析、比较和判断。2 0 0 2 年日本学者w x c a i 等同 样利用有限元法( f e m ) 研究了螺旋槽气体密封的性能，分析了操作参数和结构 参数对密封性能的影响规律。“，下面将其揭示的具体规律与文献“所报道的规律 进行对比分析。 文献o ”计算的密封结构尺寸和操作工况：密封内半径r i = 5 8 m ；外半径 r o = l o o m m ；螺旋槽半径r l ：_ 8 踟：螺旋角n = l o o ；螺旋槽数n i = l o ，槽占槽台区 的比率为o 7 ，即槽台比y = 7 3 = 2 3 3 ：槽深h g = o 0 0 4 m ，外半径处的线速度 v = 9 4 2m s 。介质为空气，温度为3 0 。 ( 1 ) 槽深对密封性能的影响 w x c a i 等计算所得的槽深对密封性能的影响如图2 - 1 5 所示，泄漏率随槽 深的增加而迅速增加，气膜刚度随槽深的增加而增加，当槽深与工作膜厚的比超 过2 时，刚度的增加变得平缓，当该比值在2 3 之间时，气膜刚度有较大值。 彭建在其公开发表的论文上表明h ，= 3 5 时，气膜刚度有最大值，如图2 1 0 所示 ，但在其硕士论文里，表示h 。= 2 5 时，其气膜刚度最大。如果考虑其硕士 论文的表达结果，则和图2 - 1 5 所揭示的结果吻合，即当h 。= 2 0 左右时，气膜刚 度有最大值。 1 9 第二章循环氢压缩机密封系统技术改造的理论论证 封 引 图2 - 1 5 槽深与膜厚比对密封性能的影响 f i g 2 - 1 5i n f l u e n c e so fr a t i oo fg t o o v ed e p t ha n d f i l mt h i c k n e s so n