泵用干气密封技术与应用2

1、兰州理工大学第二届过程装备工程实践与创新大赛作品课题名称高温高压油泵密封学校名称兰州理工大学专业名称过程装备与控制成员姓名刘扬清(10150114)王凯(10150116)宋引川(10150113)指导教师丁雪兴递交日期：2013 年6 月26日高温高压油泵机械密封摘要文章内容主要从干气密封、波纹管接触式机械密封、动压型非接触机械密封的应用、优 缺点、密封条件、密封性能、经济等方面分析比较，找到干气密封这种密封性能良好、 经济节约型密封技术。关键词：经济（密封周期）、密封阻压（润滑）干气密封泵用干气密封技术与应用一、干气密封概述干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

2、种新型非接触式密封。该密封利用流体动力学原理，通过在密封端面上开设动 压槽而实现密封端面的非接触运行。经过数年的研究，英国的约翰克兰公同于七十年代 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。干气密封最初是为解决高速离心压缩机轴封问题而出现的，由于密封非接触运行， 因此密封摩擦副材料基本不受pv值的限制，特别适合作为高速、高压设备的轴封。随 着干气密封技术的口益成熟，其应用范围也越来越宽广，a前，干气密封正逐渐在离心 泵及搅拌器上得到应用。总之，凡使用机械密封的场合均可采用干气密封。二、离心泵用干气密封离心泵输送的介质为液体。根据不同工况条件，可采用以下儿种密封形式：1、双端

3、面干气密封双端面干气密封可以用在绝大多数离心泵的轴封上，它具有以下特点：1）用“气体阻塞”替代传统的“液体阻塞”原理，即用带压密封气替代带压密封液，保 证工艺介质实现“零逸出”；2）整套密封非接触运行，其功率消耗仅为传统双端面密封的5%,使用寿命比传统 密封长5倍以上；3）结构简单的辅助系统，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0.150.2mpa。泵用双端面干气密封的不足之处是：1）需要一定压力的气源，气源压力至少高于介质压力0.2mpa;2）有微量气体进入工艺流程。2、串联式干气密封泵用串

4、联式干气密封具有如下特点：1）干气密封与接触式机械密封串联使用，机械密封为主密封，干气密封为次密封；2）干气密封与主密封间通入氮气，保证主密封具有一定背压，极大地延长主密封的 使用寿命；3）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；4）主密封失效后，干气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。5）该类密封使用寿命取决于机械密封的使用寿命，一般在23年左右。6）该密封主要用于易挥发介质的场合，如液态烃类介质；对密封气压力要求不高。 该密封的不足之处是：1）该密封还不是完全意义上的干气密封，其总体性能介于机械密封和干气密封之2）该密封适用

5、于易挥发介质的场合，使用范围较窄 二、干气密封的工作原理与其它机械密封相比，干气密封在结构方面基本和同。其主要区别在于，干气密封的一个密封环上面加工有均匀分布的浅槽，干气密封能在非接触状态t运行就是靠这些浅槽在运转时产生的流体动压效应使密封面分开。干气密封端面的槽形主耍分单旋向和双旋向两大类。单旋向槽型只可使用于单向旋转的转动设备，在要求的旋向下才可产生开启力，如反转 则产生负的开启力而可能导致密封的损坏。但相对于双旋向的梢型，它可形成更大的开 启力和气膜刚度，产生更高的稳定性而更可靠的防止端面接触。故在很低的转速1和较大的振动下也可使用，在目前也是使用的最多。常见的主要有图1所示几种：双旋向

6、槽型无旋向要求，正反转皆可使用。转子的反转不会造成密封的损坏。其使用范围较单旋向槽宽，但其稳定性、抗干扰能力较单旋向差。常见如图2所示：图2,对比研宄，最终确认在同样的工作参数下，以螺旋线设计的槽型具有最大的气膜刚度的同时仅有较小的泄漏量。即具有最大的刚漏比。下面主耍介绍这种槽型。图3所示是典型的干气密封螺旋槽端面的示意图。密封面上加工冇一定数量的螺旋槽， 其深度小于15微米。密封运转时，被密封气体周向吸入螺旋梢内，径向分量由外径朝 屮心（即低压侧）流动，而密封坝限制气体流向低压侧。气体随着螺旋槽截面形状的变 化被压缩，在槽根部形成局部的高压区，使端面分幵几微米而形成一定厚度的气膜。在 此厚度

7、气膜下，由气膜作用力形成的开启力与由弹簧力和介质作用力形成的闭合力达到 平衡，于是密封实现非接触运转。干气密封的密封面间形成的气膜具有一定的正刚度， 保证了密封运转的稳定性。为了获得必要的流体动压效应，动压梢必须开在高压侧。旋向图4所示所示为螺旋槽干气密封的作用力图，从图上可以看出气膜刚度是如何保证密封 运转的稳定性的。在正常情况下，密封的闭合力等于开启力。当受到外来干扰（如工艺 或操作波动），气膜厚度变小，则气体的粘性剪力增大，螺旋槽产生的流体动压效应增 强，促使气膜压力增大，幵启力随之增大，为保持力平衡，密封自动恢复到原来的间隙; 反之，密封受到干扰气膜厚度增大，则螺旋槽产生的动压效应减弱

8、，气膜压力减小，开 启力变小，密封也会恢复到原来的间隙。因此，只要在设汁范围内，当外来干扰消除后, 密封总能恢复到设计的工作间隙，即干气密封具有自我调节的功能而保证运行稳定可 靠。衡量密封稳定性的主要指标就是密封产生气膜刚度的大小，气膜刚度是气膜作用力 的变化与气膜厚度的变化之比，气膜刚度越大，表明密封的抗干扰力越强，密封运行越稳定。fs弹簧作用力fp介质作用力a.正茗间陳闭合力=开启力fo-气肢反力h*气肢厚度闭合力=fs+fp开启力=foc.间陳滅小闭合力开启力b.间陳墦大 闭合力开启力与机械密封相比，干气密封具有如下优点：1、密封使用寿命长、运行稳定可靠；2、密封功率消耗小，仅为接触式机

9、械密封的5%左右；3、与其他非接触式密封相比，干气密封气体泄漏量小;4、可实现介质的零逸出，是一种环保型密封；5、密封辅助系统简单、可靠，使用中不需要维护；波纹管接触式机械密封1单端面波纹管密封存在问题催化装置p208泵输送介质为催化油浆，原密封采用单端面波纹管密封加水背冷装置， 在使用过程中该密封装罝经常泄漏，寿命仅3个b左右，密封解体后发现端面出现裂 痕。波纹管机械密封因其使用温度高（町达400 °c）、耐腐蚀等特点，在炼油行业可 于常压塔底泵（重油）、减压塔底泵（渣汕）和催化分馏塔底泵（油浆）中，其密封寿命 可长达68个月，有的甚至超过12个月。但在实际使用中，单端面波纹管密封

10、也 存在诸多突出问题：（1）密封介质存在泄漏，造成原料损失和环境污染。接触式机械 密封的密封原理是在被密封流体与外界存在压力差（一般是压力高于外界压力）的前 润滑与密封第35卷提下，通过维持一定的端面接触压力，来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。随着现代环保要求的不断提高，普通接触式机械密封的应用 将受到越来越多的限制。（2）密封端面存在摩擦磨损，使用寿命短。由于密封摩擦副 之间存在着直接的固体摩擦磨损，磨损的积累必然导致密封损坏。一般地，普通接触 式机械密封的使用寿命不超过一年，而对一些润

11、滑性差的密封流体或含一定量固体颗 粒的密封流体，密封的使用寿命只有数月甚至数天。（3）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导致端面温升过高，密封件产生较大热 变形，使摩擦磨损严重和不均，并使密封材料的机械性能降低，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。机械密封工业失效记录中 有相当比例是由于密封端面温升过高造成的。（4）密封适应变工况能力差。当流体机 械处于变工况（变压力、变转速、频繁开停等）下，密封的始终处于不稳定的运行状态， 极易出现早期失效。（5）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

12、，在消耗大量冷却油的同时，部分程度地降低了泵的容 积效率，相应降低了工艺装置的生产效率。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新型油膜润滑 波纹管串联非接触式密封2. 1结构特点新型汕膜润滑波纹管串联非接触式密封，其主要特点有：（1）串联式波纹管机械密封为 两套波纹管密封串联布置，介质侧密封为非接触式密封，火气侧密封为接触式机械密 封，通过可为一套生产装置中的热油泵群提供冲洗冷却油的辅助系统（如图3所示），向两套密封之间注入一定量的低温冲 洗油，其主要作用是把密封产生的摩擦热带走，除极少量的冷却油经内侧非接触式 机械密封进入泵内（1

13、l/h）,绝大部分在封油辅助系统内冷却后循环使用。两套密 封基木上处于相对低温的洁净环境，运行条件大大改善，密封工作的稳定性和可靠 性显著提高的同时，封油的消耗量大人减少。（2）介质侧密封为波纹管非接触式机械密封，其端面结构采用流体动压槽结构，动压槽 的加工采用国际上比较先进的激光一次成型加工法，梢型质量高。端面动压梢的作 用首先是把内径侧的微量冷却介质泵送至密封端而之间，在流体动压效应的作用下， 密封端面流体膜压増加，一方面，可以使密封处于全液膜非接触稳定状态k工作，避 免高温油气化、结焦、泵抽空、压力波动等原因造成密封失效，可靠性显著提高， 使用周期大大延长；另一方面，端面液膜压力高于密封

14、介质压力，可有效阻止高温介 质的泄漏，达到安全生产的目的。（3）大气侧密封一般采用普通的接触式波纹管机 械密封，其主要作用是防止冷却油向外界泄漏。另外，一旦主密封失效，该密封马 上起安全密封的作用。由于处于完全的相对低温、低压和洁净的环境下运行，该密封 运行的可靠性和稳定性远远优于常规的单端面接触式波纹管机械密封。2. 2技术优 势自行研制开发的新型高温油泵机械密封系统替代普通的接触式波纹管机械密封及 辅助系统，具有以卜*突出优势：（1）密封的使用寿命大大延长，运行安全性和可靠性 明显提高。由于密封处于低温、洁净的冷却油环境，运行条件大大改善，密封 的使用寿命自然得到延长。主密封为非接触式结构

15、，摩擦温升小，消除了 波纹管因高温失弹、结焦失弹、断裂等现象，避免密封端而过度磨损、热裂而失效。 对于塔底泵、渣油泵等输送含固体颗粒的热油泵，由于非接触式主密封具有优良的 防固体颗粒能力，因固体颗粒造成端面磨粒磨损而失效的概率显著下降。密封处 于和对稳定的条件下运行，大大降低了在泵抽空、误操作、人为流量调节等变工况条 件下出现早期随机失效的可能性。外侧副密封具有安全密封的功能，一旦主密 封失效，副密封能迅即发挥作用，从根本上避免高温热油外漏而引发火灾等灾难性 事故。（2）可大大减少冷却油和冷却水的消耗量，显著降低运行能耗，提高泵的运行 效率。新型密封冷却油消耗量不足单端面波纹管密封1/6,完全

16、省去了冷却水 消耗。3使用效果催化油浆泵油膜润滑波纹管串联非接触式密封，为集装式结构，整体安装简洁、方便。 该密封于2008年3月安装，一次调试成功，到目前为止己累计运转18个月，保证 了装罝安全、可靠运行。截至目前，该密封已为企业节约波纹管密封至少6套，价值24 000元， 此外，省去了冷却水的消耗，至少节水400 t，减少了维修维护成本，经济效益显著。 4结朿语目前，炼油行业高温泵采用的单端面波纹管机械密封普遍存在端面摩擦磨损 严重、使用寿命短、安全性差等突出问题。工业应用结果表明，新型油膜润滑波纹管 串联非接触式密封可实现端面非接触运转，减少端面摩擦磨损，改善端面润滑状态， 具有使用寿命

17、长、无泄漏、安全可靠等优点，ii无需复杂的封油系统，封油消耗量 大大降低，省去了冷却水系统，经济效益显著，因此具有广阔应用前景。动压型非接触机械密封机械密封机理的研宂主要集中在密封中流体动压效应的研宂。无论是接触式机械密封 还是非接触式机械密封，都希望通过流体动压效应来提高密封的承载能力，从而减小 摩擦、磨损和漏损，提高密封的可靠性以延长密封的寿命。决定机械密封中的流体动 压效应的理论基础是英w著名的科学家雷诺$%&（）*+，-.!/年提出的润滑理论的基本方程雷诺方程。对机械密封的流体动压效应的研宄从本世纪！年代初开始，至今己取得了不少的研究成果，但仍然存在一些尚未解决的问题，研究工作

18、主要集中 在以下几个方面。机械端面密封的动压效应关键词：工程机械密封润滑动压向阀都属于开关式液压控制阀，从而为采用可编程序控制器（234）对系统进行数字控 制和整个石材磨机的机电液一体化创造了有利条件，目前国内外厂商开发和生产的石 材连续磨机基本上均采用了 234控制。（”）采用气动进给系统的磨机，“绿色”无 污染，介质成本低，但由于常规方法获得的压缩空气压力较低，故同等压紧力的磨机 其气缸直径较大，对于减小磨机的结构尺寸及质量一功率比不利。采用液压进给系统 的磨机，由于容易获得较高系统压力，故液压缸的直径较小，对于缩小磨机的结构尺 寸及质量一功率比有利，但常因油液的泄漏污染石材和工作环境，且

19、介质成本较高， 然而如果采用纯水液压介质，这些问题即可获得阒满解决。平面端面密封中的流体动压效应研究标准的平衡型和非平衡型机械密封通常是在边界润滑条件下工作，其摩擦系数一般 为！#$%& ！&%&（。在该工况下，虽然在密封缝隙中存在液体层，但是液层可能局 部中断，而且几乎没有压力，因而也就没有显著的粘性效果。由于高的端而摩擦生热， 即使是具冇最好的热传导和冷却特性的端面配对材料，其压力"速度极限即）*值极限 也很低。为了提高密封的）*值极限，拓宽平面端面密封的使用范围，必须借助于密 封端面液膜的流体动压效应。+，-./!01!2通过试验首次观察到两密封端面是被

20、一层薄的 液膜所隔离。自此以后，为了更好地理解机械端而密封的工作机理，许多研宂者做了 大量的工作，这些工作大部分是涉及流体膜压的产生机理。密封端面上的流体膜压主 要取决于端面间隙的形状和尺寸，即流体膜的几何形状和厚度。文献#$、&详细地 回顾了曾经提出的各种压力产生机理。这些机理包括：偏心和偏斜、表面波度、表面 粗糙度、相变、热弹效应和振动。研宂成果表明，平面端面密封主要是在混合摩擦状 态下工作，流体膜承枳很大一部分载荷，其余载荷由端面微凸体接触来承扪。根据 经典的流体动压润滑理论，平行平面滑动中液膜不具有承载能力。然而3,4,56/!0 78 通过整理和分析滑动轴承和机械端面密封中有

21、关平行平面滑动众多研究者的大量试 验数据，得出在平行平面滑动屮流体膜也具有一定的流体动压效应，能够产生有用的 承载能力。在对各种可能的承载机理/热楔、热密度、热粘度、微凸体润滑、微凸体碰 撞、挤压效应2进行详细的理论分析和比较后指出，这些机理在特定的密封设计中可 能起到一定的作用，但是一般情况下不可能产生明显的承载能力，然而表而的整体倾 斜、锥度和波度能够产生很强的流体动压承载能力，理论和试验研究都表明表面宏观 波度是最可能的流体动压承载机理。表面波度分两类：一类是加工过程中形成的表面 微观波度；另一类是由磨损、弹性变形和热变形共同作用产生的表面宏观波度，表面 波度的流体动压效应逐步引起了各国

22、学者的普遍重视，相继提出了机械端面密封的各 种波度模型。平面端面密封虽然存在一层薄的流体膜，能够承扔一部分载荷，但在一 般情况下，这层薄的流体膜是不完整的，存在部分微凸体的直接接触。在高压、高速和低粘工况下，微凸体的直接接触将是主要的承载部分，此时密封中产生的摩擦 和磨损很大，可能导致密封端而温度急剧上升，液膜气化，以至密封失效。为了克服接触式机械密封存在的问题，提出了非接触式机械密封流体动压和流体静压机械密封。9:流体动压机械密封中的流体动压效应研究流体动压机械密封属非接触式密封，密封而被一层完整的膜厚为几个微米的流体膜所 隔开，摩擦状态是纯粹的流体润滑工况。这些密封用在高压差、高速和润滑性

23、差的介 质密封/气体、沸腾液体、低温液体等2条件下工作。在流体动压密封中，为了使端面 摩擦副楔开，利用了密封面的动能。在静止时密封面接触，消除泄漏。当密封高速旋 转时，由薄层流体膜将密封面分幵，出现有限的泄漏，甚至无泄漏。为了保持密封面的 非接触工况，密封面间隙内液体介质或气体介质流体膜层要承受挤压载荷，即流体膜 应具有流体力学刚度。在流体动压密封中摩擦副表面的分离和承受挤压载荷，是靠 液体在摩擦力作用下从间隙收敛部分被压出并产生作用力来实现的。朝着滑动速度方 向间隙收敛段落也可通过密封而开槽、开口或台阶来产生。使用最广泛的结构是雷列 台阶式、斜面式和螺旋槽面式密封。螺旋槽面密封用于密封液体，

24、可作上游泵送密封。 在上游泵送密封中，密封相当于一小流量高压泵，它将少量的封液从低压侧沿着螺旋 槽泵送到高压侧的密封室内。；<=<-等提出了考虑螺旋梢面上游泵送密封中的空化 效应的解析模型。；<=<-> 等在文献中研宂了流槽/浅槽8贯穿整个密封而的情形，并研 究了流槽形状/斜线槽和螺旋槽8对泄漏量的影响。许多文献介绍了雷列台阶式、斜平 面式、圆叶形和直叶形非接触式上游泵送密封和相应的算法。综上所述，流体动压密 封是利用密封端面的宏观儿何形状模型来产生流体动压效应的机械密封，其理论基础 仍然是雷诺方程。这些宏观几何形状模型包括倾斜块/周向斜面、周向台阶、周向斜平 面

25、8和各种流槽/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、人字形槽8。工程机械热流体动压机械密封中的流体动压效应研究标准的平衡和非平衡型机械密封通常是在边界润滑条件下工作。由于端面摩擦生热， 即使是具有最好的热传导系数和冷却特性的端而配对材料，其#$值极限也很低。为 了提高密封的#$值极限，拓宽平面端面密封的使用范围，适应现代工业向高参数发 展的需要，机械密封必须设计在低摩擦系数下工作。密封端面间的一层完整的薄膜， 将改善密封的润滑工况，有助于降低密封端面摩擦系数。这方面，热流体动压机械密 封证明是非常成功的。由于压力变形产生的非平行面楔效应叫压力楔效应，由于温差 局部

26、热变形产生的楔效应叫热楔效应，由压力变形和局部热变形产生的楔效应叫热流 体动力楔效应。热流体动压机械密封就是利用热流体动力楔效应产生流体动压作用力 的机械密封，它是一种新型的机械密封。热流体动压机械密封的结构和普通的机械密 封没有多大差别，只是在密封的动环或静环端而上开设了各种形状的流槽，这些流槽 的深度为毫米量级，属深槽密封。热流体动压机械密封静止时，摩擦副表面是平行 平面。在运转时，由于摩擦生热的缘故，密封环被加热而且受热是不均匀的。受热最 厉害的区域是密封环由工作介质冷却的槽间或镗孔间的中间段落。由于受热冷却的不 均匀，密封而的平而度遭到破坏并形成收敛型间隙区域。热流体动压机械密封根据它

27、 的过程的复杂性和间隙与泄漏量的人小，居于接触式机械密封和非接触式机械密封之 间。&（）*+在非平衡型机械密封上靠测压孔测量密封缝隙中的压力吋，第一个发 现并提出热流体动力效应。在他的博士论文中对径向矩形梢密封进行了试验研究 年&（）*+发表了圆弧形循环槽热流体动压机械密封的试验研究结果。通过大量的 试验研究表明，圆弧形循环槽热流体动压机械密封可以人人提高密封的#$值极限， 得出这类密封优于普通机械密封之处在于：随着#$值的增加，摩擦系数反而降 低。&（）*+对热流体动压机械密封的作用机理作过一些定性的描述，认为圆弧形 循环槽热流体动压机械密封实际就是 /012*33或4/56789+）止推轴承与机械密封 的联合。在旋转的过程屮，由于槽