《非接触式机械端面密封技术》.ppt

非接触式机械端面密封技术 专题讲座 主讲人 郝木明 实现以人为本 健康安全环保经济 现代化生产新理念 中国石油大学机电学院流体机械及动密封研究室山东省东营市东营区北二路271号 电话 0546 8392752 8393227 传真JF 目录 1 非接触式机械端面密封概述2 非接触式机械密封工作原理3 非接触式机械密封与接触式机械密封比较4 影响非接触式机械密封性能的主要参数5 非接触式机械密封典型结构5 1离心压缩机用非接触式机械密封5 2离心泵用非接触式机械密封5 3低速搅拌器用非接触式机械密封6 非接触式机械密封监控系统7 中国石油大学流体机械及动密封研究室8 自主开发非接触式机械密封专利9 自主开发非接触式机械密封应用业绩 1 非接触式机械端面密封概述 非接触式机械密封技术包括气膜润滑非接触式机械密封 GasLubricatedNon contactingMechanicalSeal 简称 气膜密封 或GasFilmSeal 和液膜润滑非接触式机械密封 liquidLubricatedNon contactingMechanicalSeal 简称 液膜密封 或LiquidFilmSeal 气膜密封和液膜密封是基于现代流体动压润滑理论的新型非接触式机械密封 与普通接触式机械密封相比 气膜密封与液膜密封可实现密封介质的零泄漏甚至零逸出 即工艺流体的液态泄漏量和气态逸出量等于零 彻底消除对环境的污染 同时 由于密封端面之间无直接的固体摩擦磨损而具有使用寿命大大延长 密封可靠性显著提高 运行维护费用显著下降 经济效益明显提高等技术优势 在国外已在各种旋转流体机械上推广应用 2 非接触式机械密封工作原理 图1气膜密封结构示意图 2 1气膜密封工作原理 2 2非接触式机械密封基本组成 当动环流体动压槽把外径侧的高压阻塞气体在粘性剪切力的作用下泵入密封端面之间 使由外径至槽径处气膜压力逐渐增加 而自槽径至内径处气膜压力逐渐下降 因端面膜压增加使所形成的开启力大于作用在密封环上的闭合力 迫使在静止状态下保持接触的两端面分离并处于稳定的非接触状态 由中性高压隔离气体所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道 实现了密封介质的零泄漏或零逸出 a密封端面结构b下游泵送原理图2气膜密封工作原理 图3气膜密封力平衡示意图 2 3液膜密封工作原理 a密封端面结构b上游泵送原理图4上游泵送机械密封工作原理 图4零泄漏液膜密封力学分析 图5零逸出液膜密封力学分析 2 4气膜密封的产生及发展上世纪六十年代初 首次基于气体润滑轴承理论提出气膜密封 DryGasSeal 概念 并试图应用于航空发动机上 1969年 英国约翰克兰 JohncraneInternational 公司并开始从事气膜密封的研究 1976年 约翰克兰公司设计制造的第一套气膜密封在海洋平台输气管线离心压缩机上得到使用 1985年 美国杜拉美特立公司掌握气膜密封技术并开始制造气膜密封 1987年 1988年德国的Burgmann公司和美国的EG GSEALOL公司开始从事气膜密封生产制造 1988年 中国石油大学开始从事气膜密封研究工作 上世纪九十年代初 约翰克兰公司开发出泵用气膜密封产品 1992年 约翰克兰公司气膜密封产品随高速透平离心压缩机进口中国 1996年 国产气膜密封产品在巴陵石化鹰山石油化工厂首次使用 至今 已开发出系列透平机组 各类转子泵 多种低速搅拌设备用气膜密封产品并不断推广应用 2 5气膜密封产品的主要技术指标 3 非接触式密封与机械密封比较 图6双端面密封辅助系统 图7气膜密封辅助系统 气膜密封的技术优势 理论 试验研究和工业应用表明 与普通接触式机械密封相比 气膜机械密封具有以下系列技术优势 可以实现密封介质的零泄漏或零逸出 统称零逸出 消除环境污染 实现环保功能 密封可靠性大大提高 使用寿命相应延长 在理想工作状态下 由于密封摩擦副处于非接触状态 端面之间不存在直接的固体摩擦磨损 理论使用寿命无限长 能耗明显下降 运行效率相应提高 经济效益显著 工业应用结果表明 气膜密封的能耗不足普通接触式机械密封的1 20 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 相应提高了泵效甚至工艺装置的生产效率 辅助系统相对简单 与双端面接触式机械密封相比 气膜密封装置无需复杂的封油供给 循环系统及与之相配的调控系统 只需供给洁净干燥的中性气体 其压力应高于密封介质的压力 但无须循环 消耗量也小 使用范围拓宽 与普通接触式机械密封相比 气膜密封可以在更高PV值 高含固体颗粒介质等条件下使用 实例对比某石化公司氯碱厂一原料泵 轴径为35mm 为例 原来采用接触式机械密封 后改为气膜密封 使用效果对比如下表 4 影响非接触式密封性能的主要参数 气密封的性能主要体现在密封的泄漏量和使用寿命的矛盾上面 影响气膜密封泄漏量的直接因素就是气膜密封的气膜厚度 亦即气膜密封运转时密封面间形成的工作间隙 将影响气膜密封性能的参数分为密封结构参数和密封操作参数 1 密封结构参数1 1气膜密封动压槽形状从流体动力学角度来讲 在气膜密封端面开任何形状的沟槽 都能产生动压效应 理论研究表明 对数螺旋槽产生的流体动压效应最强 用其作为气膜密封动压槽而形成的气膜刚度最大 及气膜密封的稳定性最好 1 2气膜密封动压槽深度理论研究表明 气膜密封流体动压槽深度与气膜厚度为同一量级时密封的气膜刚度最大 实际应用中 气膜密封的动压槽深度一般在3 10微米 在其余参数确定的情况下 动压槽深度有一最佳值 1 3气膜密封动压槽数量 动压槽宽度 动压槽长度理论研究表明 气膜密封动压槽数量趋于无限时 动压效应最强 不过 当动压槽达到一定数量后 再增加槽数时 对气膜密封性能影响已经很小 此外 气膜密封动压槽宽度 动压槽长度对密封性能都有一定的影响 2 操作参数对密封泄漏量的影响2 1密封直径 转速对泄漏量的影响密封直径越大 转速越高 密封环线速度越大 气膜密封的泄漏量就越大 2 2密封介质压力对泄漏量的影响不难想象 在密封工作间隙一定的情况下 密封气压力越高 气体泄漏量越大 2 3介质温度 介质粘度对泄漏量的影响介质温度对密封泄漏量的影响是由于温度对介质粘度有影响而造成的 介质粘度增加 动压效应增强 气膜厚度增加 但同时流经密封端面间隙的阻力增加 因此 其对密封泄漏量的影响不是很大 气膜密封的功耗 密封尺寸及转速对泄漏量的影响 压力 温度及气体性质对泄漏量的影响 气膜密封端面结构 液膜密封端面结构 气膜密封端面结构双向旋转功能的 T 型槽 气膜密封端面结构单向旋转功能的端面螺旋槽 单端面气膜密封 singledrygasseal 工艺介质侧 大气侧 洁净的阻塞气体 阻塞气体泄漏 双端面气膜密封 doubledrygasseal 工艺流体侧 大气侧 串联式气膜密封 tandemseal 带级间迷宫密封的串联式气膜密封 工艺侧 大气侧 带外置阻塞迷宫密封的串联式气膜密封 阻塞密封气 次级泄漏及阻塞 泵用双端面气膜密封 泵用串联式气膜密封 低速搅拌器用气膜密封 气膜密封监控系统1 1压缩机用单端面气膜密封系统 API614 1 2压缩机用双端面气膜密封系统 API614 1 3压缩机用串联式 带中间梳齿 气膜密封系统 API614 1 4压缩机用串联式 不带中间梳齿 气膜密封系统 API614 泵用双端面气膜密封监控系统 泵用串联式气膜密封监控系统 低速搅拌器用气膜密封监控系统 气膜密封辅助系统 气膜密封的选择 工艺气体是空气或氮气 密封气体为空气或氮气 允许向大气泄漏 工艺气体易燃 易爆 有毒 密封气体 外部工艺气体 单端面气膜密封withtertiaryseal 可否得到分离气体 经用户同意选择单端面气膜密封 密封气体 工艺气体 否 否 否 否 是 否 是 是 是 是 阻塞气体 外部中性气体 惰性气体如N2 漏入大气 外部气体允许进入工艺流程 双端面气膜密封 串联式气膜密封 中间迷宫密封 密封气体具有腐蚀性 否 否 需要辅助密封及密封气体 串联式气膜密封 是 是 需要低流量阻塞气体 是 单端面气膜密封 否 外部工艺气体允许进入工艺流程 气膜密封的选择程序 密封环材料特性 密封环端面热变形 Thermalfacedistortion 1 WC C石墨 热量输入 1kW温度梯度 29 6 C碳环锥度 21my WC SiC 热量输入 1kW温度梯度 3 5 C碳化硅环锥度 1 3my 7 中国石油大学机电学院流体机械及动密封研究室 在我国著名密封专家顾永泉教授的领导下 石油大学流体机械及动密封研究室早在上世纪六十年代在国内率先研究和推广应用机械密封技术 作为国内第一位密封专业方向的研究生导师 顾教授长期从事混合摩擦机械密封和混相润滑机械密封的研究开发工作 曾负责石油部七种压缩机新产品的设计和研制工作 负责多项中石化总公司密封技术重点科技攻关项目 获国家科技进步三等奖1项 中石化总公司和山东省科技进步二等奖4项 公开出版了流体动密封 机械密封等四部专著 在国内外发表了200余篇论文 并取得国家12项密封实用新型专利 自上世纪七十年代以来 该研究室深入开展流体机械密封技术 不同相态机械密封 新型软填料密封 蒸汽阻塞密封等的研究开发工作 于上世纪八十年代在国内率先从事气膜密封 非接触式液膜机械密封等新型流体润滑非接触式机械密封 流体动压弹性体密封和热流体动压润滑机械密封等高性能密封的机理研究和产品开发工作 研究成果达到国际先进水平 近五年来 先后承担了中石油集团公司 无泄漏逆流泵送机械密封在石油石化工业的应用研究 中石化集团公司 轻烃泵用非接触式液膜机械密封的研究及开发应用 和 无泄漏低磨损泵用新型机械密封技术的开发应用 等多项重大研究课题 在新型密封的机理研究 结构优化 软件开发和加工制造方面达到国际先进水平 获得四项具有自主知识产权的国家专利 并成功开发出针对等不同特殊工况条件下 密封易汽化介质 高危险性介质 高含固体颗粒介质 变工况 高参数等 的非接触式液膜机械密封和气膜机械密封工业产品 取得了明显的经济效益和社会效益 如自主开发的非接触式液膜机械密封于2002年在齐鲁石化橡胶厂螺杆压缩机上替代英国Johncrane公司进口的接触式机械密封 使用寿命超过一年 原密封不超过四个月 基本消除了泄漏 并成功地在扬子石化同类机组上推广应用 年产生直接经济效益超过2000万元 鉴定委员会专家一致认为 该项技术填补了国内外空白 达到了国际先进水平 实验装置及仪器 研究室现建有可实现自动测控的 泵用密封技术实验装置 低速搅拌设备密封实验装置 和投资近80万元的石油大学 211 重点建设项目 多功能高速密封实验装置 以及配套齐全的密封性能 质量监测仪器 表面轮廓仪 密封端面改形精密加工设备 膜厚测微仪 自动研磨机 转子振动频谱分析仪器及软件多套等 固定资产超过200万元 为从事新型密封技术的研究开发工作奠定了坚实的物质基础 图1多功能高速密封实验装置 图2泵用密封实验装置 图3搅拌设备用密封实验装置 图4高精度表面轮廓仪 图5端面槽型精密加工设备 8 自主开发非接触式机械密封专利技术 图4单列交错流体动压槽非接触式液膜机械密封 图5单列流体动压槽非接触式液膜机械密封 图6双列流体动压槽自润滑非接触式机械密封 图7双列同向流体动压槽非接触式液膜机械密封 主要研究成果 1 无泄漏逆流泵送机械在石油化工工业中的应用研究该项目为中国石油天然气集团公司1999年重点科技开发项目 该成果首次以零泄漏前提下的最大流体膜刚度对非接触式逆流泵送机械密封进行结构优化 首次开发出逆流泵送机械密封技术和产品的工业设计开发软件 可研制开发出轻烃泵 输送含固体颗粒介质泵 频繁开停泵 高速高压泵等高难密封场合下的逆流泵送机械密封 具有无泄漏 无污染 超常寿命 运行费用低 经济效益明显等系列技术优势 在石油石化 化工 生物制药 食品加工 造纸等行业具有广泛的工业应用前景 已取得两项专利技术 单列交错流体动压槽非接触式液膜机械密封 专利号 ZL01279563 1 和双列同向流体动压槽非接触式液膜机械密封 专利号 ZL01279564 x 达到国际先进水平 主要研究成果 2 螺杆压缩机非接触式机械密封开发应用该项目为中石化股份公司齐鲁分公司2001年重大科技攻关项目 该成果的核心技术是借助现代流体动压润滑理论开发出一种螺杆压缩机用新型非接触式机械密封 以替代普通的接触式机械密封 并获得具有自主知识产权的专利技术 专利号为 ZL00239203 8 该密封技术可基本消除密封介质和润滑油的泄漏 使用寿命大大延长 至少超过一年 工作稳定性和抗外界干扰能力明显增强 经济效益明显 可在石油 石化 化工等行业各类进口或国产螺杆压缩机 高速离心压缩机和高参数机泵上推广应用 具有广泛的工业应用前景 该项技术填补国内外空白 达到国际先进水平 该成果已在中石化股份公司扬子石化公司烯烃厂进口丁二烯螺杆压缩机上成功推广应用 实现了润滑油的无泄漏 至今已平稳运行14个月 取得直接经济效益超过1800万元 主要研究成果 图8齐鲁石化公司胜利炼油厂丁二烯螺杆压缩机 图9螺杆压缩机新型密封动环 主要研究成果 3 轻烃泵用非接触式液膜机械密封开发应用本课题为中国石油化工集团公司2001年科学技术研究开发项目 目前 石油化工集团公司诸多炼油化工企业大量运行的转子泵 以离心泵为主 输送的多为轻烃类介质 这些轻烃类介质 如液化汽 丙二烯等 具有易汽化 易挥发 污染严重等特点 使普遍使用的接触式机械密封处于不稳定的气液 或汽液 混相工作状态 一方面 密封摩擦副处于极端的干摩擦状态而使密封早期失效 严重影响装置生产的安全性和可靠性 另一方面 轻烃类介质以汽相形式大量外漏 造成严重的环境污染 主要研究成果 3 轻烃泵用非接触式液膜机械密封开发应用为提高密封的使用寿命及防止轻烃的大量外泄 现场常采用自冲洗和外冷却等措施改善密封的工作环境 自冲洗 冲洗量一般为10升 分钟左右 使泵的效率明显降低 并增高加能耗而影响装置的生产效率 对密封进行外部冷却 冷却水量一般为3 5升 分钟 致使污水排放量明显增加并相应增加治污投入 可见 轻烃泵用普通的接触式机械密封具有泄漏量大 污染严重 使用寿命短 摩擦功耗大 运行费用高等缺憾 越来越不能满足现代石化工业生产无污染 长周期 低能耗等客观要求 主要研究成果 3 轻烃泵用非接触式液膜机械密封开发应用本课题拟研制开发一种轻烃泵用非接触式液膜机械密封以替代普通的接触式机械密封 其特征是是依靠一开有流体动压槽的端面与另一平行端面 或两端面均开流体动压槽 之间的相对运动把从高压侧流向低压侧的流体反输回压侧而实现被密封流体的无泄漏 包括液相泄漏和气相逸出 的新型机械密封 它具有低微泄漏 使用寿命长 为普通接触式机械密封3 5倍甚至更长 摩擦功耗少 不到普通机械密封的1 3 运行费用低 仅为普通机械密封的1 6 密封辅助系统简单 密封工作的稳定性 可靠性及抗外界干扰能力明显增强 突发失效事故的可能性大大降低等综合优势 由此带来的经济 社会效益是相当可观的 是九十年代初开始研究开发的具有广泛应用前景的机械密封技术 是未来机械密封技术发展的主要趋势之一 3 轻烃泵用非接触式液膜机械密封开发应用至今 已成功研制开发出汽油泵 丙烷泵用非接触式液膜机械密封 并进一步开发出可实现 双向零泄漏密封 功能的非接触式液膜机械密封 成功应用在齐鲁石化公司胜利炼油厂丁烷压缩机上 不仅替代了进口接触式机械密封 并实现了工艺气体和润滑油的无泄