非接触式机械密封技术

《非接触式机械密封技术》专题讲座实现以人为本—健康安全环保经济—现代化生产新理念目录1．非接触式机械密封概述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1．非接触式机械端面密封概述气膜密封：即干气密封—气膜润滑非接触式机械密封（GasLubricatedNon-contactingMechanicalSeal，或“GasFilmSeal”，目前广泛称之为“DryGasSeal”)。液膜密封：液膜润滑非接触式机械密封（liquidLubricatedNon-contactingMechanicalSeal，或LiquidFilmSeal）。理论依据：现代流体动压润滑理论。技术优势（与普通接触式机械密封相比）：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；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、运行维护费用大大降低、经济效益明显提高等技术优势。理论依据：1886年，雷诺(Reynolds)提出润滑理论的基本方程（即N-S方程）。压差流剪切流挤压流JF2.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气膜密封气膜密封的基本组成动环弹簧盒静环动环O形圈推环静环O形圈弹簧弹性元件a密封端面结构b下游泵送原理图2气膜密封工作原理气膜密封的工作原理图3气膜密封力平衡示意图2.2液膜密封工作原理普遍采用的液膜润滑螺旋槽上游泵送机械密封端面结构。若动环外径侧为高压被密封液体（规定为上游侧），内径侧为低压流体（可气体亦可液体，规定为下游侧），当动环旋转时，在螺旋槽粘性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、内径压力差作用下，高压被密封液体产生由外到内的压差流Qp，而螺旋槽流体动压效应所产生的粘性剪切流Qs方向由内径指向外径，与压差流Qp方向相反，此为上游泵送概念的由来。包括零泄漏密封和零逸出密封两种。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5零逸出液膜密封力学分析

2.3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。2.4气膜密封产品的主要技术指标密封公司压力，MPa温度，℃周向速度m/s轴径，mmJohnCrane45400200330Burgmann20550200300Flowserve23230200300国内152001503003.非接触式密封与机械密封比较

气膜密封机械密封应用时间1976年1900年工作原理气膜润滑、非接触式密封混合摩擦润滑、接触式密封使用寿命3年以上平均1年左右功率消耗不足机械密封的5%与密封轴径、转速有关辅助系统辅助系统简单、可靠性高、使用中无需维护、无功率消耗。密封辅助系统复杂，需专用阻塞流体泵送及压力控制系统，压力控制要求严格；辅助系统故障率高，运行、维护成本高。对工艺影响程度密封介质为工艺气体本身或氮气，对工艺无任何影响。密封介质为液体，密封介质泄漏进入工艺流程后会对后续工艺产生极大影响，甚至破坏工艺造成停产。对环境污染程度仅有微量氮气往大气泄漏，对环境无污染，是环保型密封。有密封油或工艺介质泄漏，对环境有一定污染。泄漏量过大时对生产带来较大安全隐患。运行费用一次性投入大，运行成本极低一次性投入小，运行成本高各种密封的泄漏对比（计算结果）计算数据：直径为140,转速为5000rpm，下游压力为0.6MPa，上游压力为0.75MPa，密封介质为空气，阻塞介质为油。密封形式特征值质量泄漏量(kg/h)气体泄漏量（m3/min)气体润滑迷宫密封15个齿141.61.82碳环密封4环,各10mm,0.05mm间隙28.80.37气膜密封膜厚5微米4.80.06液体润滑油泄漏介质侧大气侧kg/hL/hkg/hL/h浮环密封2环,各20mm,0.05mm间隙6.67.231.836机械密封膜厚1微米0.0660.0720.090.102图6压缩机用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：与普通接触式机械密封相比，气膜密封具有以下系列技术优势：零泄漏或零逸出（统称零逸出），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，经济效益显著。气膜密封的能耗不足普通接触式机械密封的1/20；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，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1（气膜密封）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：比较内容接触式单机械密封双端面气膜密封泄漏运行一开始出现泄漏无泄漏使用寿命不超过6个月三年以上产品价格1650元/套13000元/套+3000元系统费用3年备件费用9900元16000元摩擦功耗0.85kW0.05kW3年电能消耗20196kW，10098元1188kW，594元密封水气消耗每分钟3升脱盐水，3年消耗4277吨，合计64152元0.04NM3/小时氮气，3年消耗950NM3氮气，合计950元费用核计84150元17544元节约费用66606元实例对比2（液膜密封）中铝公司某氧化铝厂一进料泵（轴径为80mm）为例：原来采用接触式机械密封，后改为双端面液膜密封，使用效果对比如下表：比较内容双端面集装式机械密封双端面集装式液膜密封泄漏运行不久出现泄漏无泄漏使用寿命不超过3个月半年以上产品价格6,500元/套21,000元/套年备件费用26,000元42,000元摩擦功耗8.85kW0.5kW半年电能消耗38,232kW，19,116元2,160kW，1080元半年水蒸汽消耗0.39吨/小时，103元/吨，合计17,3534元0.01吨/小时，103元/吨，合计4450元一年费用核计218,650元26,530元年节约费用192,120元原机械密封使用情况液膜密封使用情况4.

影响非接触式密封性能的主要参数影响非接触机械密封性能的参数为密封结构参数和密封操作参数。1.

密封结构参数1.1密封端面动压槽形状（下图）理论研究表明，在气膜密封端面开任何形状的沟槽，都能产生动压效应。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密封端面动压槽深度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。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密封端面动压槽数量、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。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，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5.气膜密封典型结构

压缩机用单端面气膜密封(singledrygasseal)

工艺介质侧大气侧洁净的阻塞气体阻塞气体泄漏压缩机双端面气膜密封(doubledrygasseal)

泄漏泄漏工艺流体侧大气侧阻塞气体压缩机串联式气膜密封(tandemseal)阻塞气体工艺介质侧大气侧泄漏泄漏压缩机带级间迷宫密封的串联式气膜密封工艺侧大气侧干净阻塞气体中性阻塞气体泄漏中性阻塞气体压缩机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6.气膜密封监控系统6.1压缩机用单端面气膜密封系统（API617）6.2压缩机用双端面气膜密封系统（API617）6.3压缩机用串联式（带中间梳齿）气膜密封系统（API617）6.4压缩机用串联式（不带中间梳齿）气膜密封系统（API617）泵用串联式气膜密封监控系统泵用双端面气膜密封监控系统泵用干气密封控制盘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