干氣密封的原理及使用分析.doc

一、引言干氣密封是一種新型的無接觸軸封，由它來密封旋轉(zhuǎn)機(jī)器中的氣體或液體介質(zhì)。與其它密封相比，干氣密封具有泄漏量少，磨損小，壽命長(zhǎng)，能耗低，操作簡(jiǎn)單可靠，維修量低，被密封的流體不受油污染等特點(diǎn)。因此，在壓縮機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，干氣密封正逐漸替代浮環(huán)密封、迷宮密封和油潤(rùn)滑機(jī)械密封。干氣密封使用的可靠性和經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)被許多工程應(yīng)用實(shí)例所證實(shí)。目前，干氣密封主要用在離心式壓縮機(jī)上，也還用在軸流式壓縮機(jī)、齒輪傳動(dòng)壓縮機(jī)和透平膨脹機(jī)上。干氣密封已經(jīng)成為壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和操作可靠的重要元件，隨著壓縮機(jī)技術(shù)的發(fā)展，干氣密封正逐步取代浮環(huán)密封、迷宮密封和油潤(rùn)滑密封。本文針對(duì)德國(guó)博格曼公司的干氣密封產(chǎn)品進(jìn)行了研究，結(jié)合壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)，重點(diǎn)論述壓縮機(jī)干氣密封的原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、密封材料、使用要求和制造等方面的內(nèi)容。二、干氣密封工作原理分析干氣密封的一般設(shè)計(jì)形式是集裝式，圖1表示出了壓縮機(jī)干氣密封的具體結(jié)構(gòu)。圖1壓縮機(jī)干氣密封示意圖干氣密封和普通平衡型機(jī)械密封相似，也由靜環(huán)和動(dòng)環(huán)組成，其中：靜環(huán)由彈簧加載，并靠O型圈輔助密封。端面材料可采用碳化硅、氮化硅、硬質(zhì)合金或石墨。干氣密封與液體普通平衡型機(jī)械密封的區(qū)別在于：干氣密封動(dòng)環(huán)端面開有氣體槽，氣體槽深度僅有幾微米，端面間必須有潔凈的氣體，以保證在兩個(gè)端面之間形成一個(gè)穩(wěn)定的氣膜使密封端面完全分離。氣膜厚度一般為幾微米，這個(gè)穩(wěn)定的氣膜可以使密封端面間保持一定的密封間隙，間隙太大，密封效果變差；而間隙太小會(huì)使密封面發(fā)生接觸，因干氣密封的摩擦熱不能散失，端面間無潤(rùn)滑接觸將很快引起密封端面的變形，從而使密封失效。氣體介質(zhì)通過密封間隙時(shí)靠節(jié)流和阻塞的作用而被減壓，從而實(shí)現(xiàn)氣體介質(zhì)的密封，幾微米的密封間隙會(huì)使氣體的泄漏率保持最小。動(dòng)環(huán)密封面分為兩個(gè)功能區(qū)(外區(qū)域和內(nèi)區(qū)域)。氣體進(jìn)入密封間隙的外區(qū)域有空氣動(dòng)壓槽，這些槽壓縮進(jìn)來的氣體。為了獲得必要的泵效應(yīng)，動(dòng)壓槽必須被開在高壓側(cè)。密封間隙內(nèi)的壓力增加將保證即使在軸向載荷較大的情況下也將形成一個(gè)不被破壞的穩(wěn)定氣膜。干氣密封無接觸無磨損的運(yùn)行操作是靠穩(wěn)定的氣膜來保證的，穩(wěn)定的氣膜是由密封墻的節(jié)流效應(yīng)和所開動(dòng)壓槽的泵效應(yīng)得到的。密封面的內(nèi)區(qū)域(密封墻)是平面，靠它的節(jié)流效應(yīng)限制了泄漏量。干氣密封的彈簧力很小，主要目的是為了當(dāng)密封不受壓時(shí)確保密封面的閉合。選擇干氣密封時(shí)，決定性的判斷是動(dòng)環(huán)上所開動(dòng)壓槽的幾何形狀。對(duì)于壓縮機(jī)的某些操作點(diǎn)，如啟動(dòng)和停車時(shí)，一套串聯(lián)密封在低速或無壓操作的情況下，旋轉(zhuǎn)的動(dòng)壓槽必須在密封面之間產(chǎn)生一個(gè)合適的壓力。此力靠特殊措施三維的、弧形的槽來獲得。壓縮機(jī)干氣密封設(shè)計(jì)和使用為兩種槽型：雙向的(U形)和單向的(V形)槽型。兩種槽型的特性見表1。表1V形槽和U形槽的特性V形槽單向U形槽雙向反向運(yùn)轉(zhuǎn)僅能短期的反向運(yùn)轉(zhuǎn)所有操作速度均可以間隙(m)31028無壓的情況下啟離速度*(m/s)0.61.2靜止時(shí)，啟離壓力*(MPa)0.60.6*注意：DGS在低于那些被采用的值以下操作仍能被保證，但是一個(gè)分離層是必要的。 三、密封材料分析1.端面材料干氣密封的操作極限與密封各個(gè)元件的許用載荷有關(guān)。溫度和壓力極限由所用的輔助密封橡膠和端面材料決定。使用的端面材料對(duì)干氣密封的工作起著決定性的作用。端面材料對(duì)壓縮機(jī)密封的操作影響很大。端面材料組對(duì)的選擇與壓力、軸徑和轉(zhuǎn)速有關(guān)(見表2 )。表2端面材料材料組對(duì)靜環(huán)動(dòng)環(huán)硬/軟高硬度浸銻石墨Buko03碳化硅Buka25硬/硬碳化硅表面噴涂金剛砂Buka251碳化硅表面噴涂金剛砂Buka251圖2壓縮機(jī)干氣密封的形式圖3V形槽U形槽硬對(duì)軟材料組對(duì)僅被用于低壓范圍。博格曼干氣密封的端面材料主要為碳化硅，碳化硅與其它材料相比在滿足溫度和壓力的要求方面均顯示出特殊的優(yōu)勢(shì)，又因密封間隙的幾何形狀受端面材料的壓力和溫度分布的影響，從表3材料的物理特性分析碳化硅做端面材料的優(yōu)勢(shì)最大。表3各種端面材料的物理特性浸Sb石墨WC(Ni)SiC燒結(jié)Si3N4韌性材料密度(kg/dm3)22.514.53.13.2679E-模量(GPa)2040600420350200220導(dǎo)熱系數(shù)(W/m*K)7128010012530525熱膨脹系數(shù)(10-6/K)454.842.1020碳化硅的彈性模量(420GPa)較高保證了壓力和溫度的影響下密封面和輔助件的變形最小。因此，在所有操作期間，確保了密封間隙的穩(wěn)定。碳化硅優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性(導(dǎo)熱系數(shù)為100125W/m.K)保證必要的熱量消散，因此密封端面的溫度分布也是均勻的。密封面采用硬對(duì)硬組對(duì)，為了在啟動(dòng)和停車時(shí)，增強(qiáng)偶然端面接觸的自潤(rùn)滑性，博格曼干氣密封在采用硬對(duì)硬材料組對(duì)時(shí)，碳化硅表面噴涂金剛砂-即DLC=diamond-like carbon。2.輔助密封材料輔助密封材料見表4。對(duì)于輔助密封最重要的特性是溫度極限，擠壓特性和壓力相關(guān)的氣吸現(xiàn)象。在氣吸的環(huán)境，密封腔的壓力突然下降將導(dǎo)致O型圈氣體側(cè)爆炸減壓，因此引起橡膠圈的變形。為了消除氣吸的損害，壓力下降率應(yīng)低于2MPa/min。 表4輔助密封材料O型圈材質(zhì)博格曼代碼DIN24960代碼溫度極限硬度(Sh)應(yīng)用氫化晴膠HNBRX4*-40+125(-54+135)75乙烯氟膠VV-20+2007590空氣、CO2、N2、氦和天然氣FluorazV9V9*-10+240(275)75含H2S的氣體全氟橡膠KK+260(300)6590高腐蝕和高溫注：*博格曼代碼3.彈簧和其他結(jié)構(gòu)件彈簧和其他結(jié)構(gòu)件通常用鉻鋼、不銹鋼、Mo2Ti不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼和哈氏C-4等。四、基本結(jié)構(gòu)與使用分析1.單端面密封結(jié)構(gòu)如圖4，此結(jié)構(gòu)可作為一種無泄漏結(jié)構(gòu)選擇，此結(jié)構(gòu)有一個(gè)可把泄漏引到一個(gè)適合的火炬或排氣口接口。在這種情況下主要的泄漏與分離氣一起被輸送到火炬或排氣口。A介質(zhì)沖洗C火炬D分離氣體圖4單端面密封結(jié)構(gòu)(如：BURGMANN DGS)如果輸送的氣體介質(zhì)含有雜質(zhì)，介質(zhì)必須被過濾后才能通過接口“A”輸送到密封腔。這樣，過濾的介質(zhì)從密封腔流向葉輪側(cè)，從而阻止雜質(zhì)從葉輪側(cè)進(jìn)入密封。2.串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)如圖5，串聯(lián)結(jié)構(gòu)是一種操作可靠性較高的干氣密封結(jié)構(gòu)。作為油和氣工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，它是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且僅需要一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的氣體輔助系統(tǒng)。典型應(yīng)用是介質(zhì)氣體少量泄漏到大氣中是容許的工況。A介質(zhì)沖洗C火炬D分離氣體S排氣口圖5串聯(lián)結(jié)構(gòu)(如：BURGMANN DGS)A介質(zhì)沖洗B緩沖氣體C火炬D分離氣體S排氣口圖6帶中間迷宮的串聯(lián)結(jié)構(gòu)(如：BURGMANN DGS)A介質(zhì)沖洗B緩沖氣體D分離氣體S排氣口圖7雙端面密封結(jié)構(gòu)(如：BURGMANN DGS)在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)單封被前后放置形成兩級(jí)密封。介質(zhì)側(cè)密封(主密封)和大氣側(cè)密封(輔助密封)能夠承受全部壓力差。在一般的操作中，介質(zhì)側(cè)的密封承受了全部壓差。介質(zhì)側(cè)密封和大氣側(cè)密封之間的泄漏可通過接口“C”引到火炬。大氣側(cè)密封所承受的壓力與火炬壓力相同，因此介質(zhì)泄漏到大氣側(cè)和到排氣口的量幾乎為零。此結(jié)構(gòu)使用過程中，當(dāng)主密封失敗時(shí)，輔助密封可作為安全密封，保證介質(zhì)不會(huì)泄漏到大氣中。3.帶中間迷宮的串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)如果工藝介質(zhì)不允許泄漏到大氣中和緩沖氣體不允許泄漏到工藝介質(zhì)中，此時(shí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩級(jí)密封間可加迷宮密封。典型的應(yīng)用是不允許介質(zhì)泄漏到大氣中，如H2壓縮機(jī)，H2S含量較高的天然氣壓縮機(jī)(酸氣)，和乙烯、丙烯壓縮機(jī)。此種結(jié)構(gòu)的密封工作時(shí)，工藝氣體的壓力通過介質(zhì)側(cè)密封被降低。泄漏的工藝氣體通過接口“C”排到火炬。大氣側(cè)密封通過接口“B”被緩沖氣體(氮?dú)饣蚩諝?加壓。緩沖氣體的壓力保證有連續(xù)的氣流通過迷宮到火炬的出口。4.雙端面密封結(jié)構(gòu)當(dāng)沒有火炬，但具有可以提供合適壓力的緩沖氣體的時(shí)候，使用雙端面密封結(jié)構(gòu)。由于密封熱量的產(chǎn)生，對(duì)于每一種工況，操作極限必須通過計(jì)算。此結(jié)構(gòu)，典型的應(yīng)用是不允許介質(zhì)泄漏到大氣側(cè)，主要用于石油化工行業(yè)和其他有害氣體壓縮機(jī)。雙端面密封是一種有效地防止介質(zhì)氣體逃逸到周圍環(huán)境中的密封結(jié)構(gòu)。它包括供給緩沖氣體，如氮?dú)?，在兩道密封之間通過接口“B”加一個(gè)比介質(zhì)壓力高的緩沖氣體(一般緩沖氣體的壓力比介質(zhì)壓力高0.2MPa)。緩沖氣體一部分泄漏到大氣，另部分泄漏到介質(zhì)中。五、設(shè)計(jì)與操作范圍1.壓力為了確定最大允許壓力必須考慮與密封元件的擠壓間隙和擠壓特性相關(guān)的密封端面的變形。所有間隙必須被計(jì)算來排除在操作壓力和操作溫度下輔助密封元件的擠壓。每一個(gè)氣體密封的間隙情況必須根據(jù)有效的操作溫度檢查。2.溫度為了確定最大允許操作溫度，不僅考慮被密封氣體的使用溫度也要考慮密封間隙間的渦流和摩擦所產(chǎn)生的熱。這些熱與密封的速度、壓力、氣體和密封設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，在應(yīng)用溫度下，密封的每一個(gè)元件都應(yīng)被計(jì)算。這些計(jì)算的溫度應(yīng)低于材料的特性溫度，即密封元件的最大允許溫度。3.端面速度端面的最大滑移速度以端面材料允許作用的載荷為基礎(chǔ)，計(jì)算的安全系數(shù)至少為1.5，允許靠離心力來減少張力。它們?cè)谛D(zhuǎn)試驗(yàn)中檢查。最大滑動(dòng)速度數(shù)值根據(jù)用來計(jì)算的直徑不同，每種制造也是不同的。動(dòng)環(huán)的內(nèi)徑或外徑和靜環(huán)的動(dòng)態(tài)的或氣動(dòng)的直徑全是可能的。碳化硅動(dòng)環(huán)外徑的最大滑動(dòng)速度可以達(dá)到200m/s。4.一般操作范圍壓縮機(jī)氣體密封的基本形式應(yīng)用范圍如下：公稱直徑46250mm此直徑指的是動(dòng)環(huán)的內(nèi)徑(小于或大于此范圍的公稱直徑也是可以的)。壓力210MPa(絕)(橡膠輔助密封)1025MPa(絕)(非橡膠輔助密封)最大壓力差與材料和公稱直徑有關(guān)。溫度-20+200(橡膠輔助密封)-55+250(非橡膠輔助密封)滑動(dòng)速度動(dòng)環(huán)外徑的最大速度Vg為200m/s。最大操作速度與滑動(dòng)面的材料有關(guān)。允許的軸位移軸向：DN46118標(biāo)準(zhǔn)為1.0mmDN130220標(biāo)準(zhǔn)為2.0mmDN230250標(biāo)準(zhǔn)為3.0mm特殊形式為：最大4.0mm徑向：DN46250標(biāo)準(zhǔn)為0.6mm六、干氣密封制造質(zhì)量要求壓縮機(jī)密封和它們的緩沖氣系統(tǒng)產(chǎn)品由質(zhì)量部嚴(yán)格控制。重要的材料和組件的試驗(yàn)被記錄。這確保了密封及相應(yīng)的緩沖氣系統(tǒng)產(chǎn)品的質(zhì)量恒定和操作的可靠性。1.標(biāo)準(zhǔn)檢查計(jì)劃干氣密封和緩沖氣系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)和檢查屬于標(biāo)準(zhǔn)檢查計(jì)劃。附加材料和組件試驗(yàn)也可以要求。標(biāo)準(zhǔn)檢查計(jì)劃的要點(diǎn)為：.對(duì)于關(guān)鍵性零件符合EN 10204/3.1B標(biāo)準(zhǔn)的材料證明.動(dòng)環(huán)的速度試驗(yàn)(旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)).動(dòng)環(huán)的表面破裂試驗(yàn).靜壓和動(dòng)壓功能試驗(yàn).平衡符合平衡等級(jí)G2.5(標(biāo)準(zhǔn))或G1.0。2.旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)在操作期間被加載的動(dòng)環(huán)的抗拉應(yīng)力因離心力而減少。金屬材料制造保證材料的抗拉強(qiáng)度，但碳化硅制造和其他非金屬端面材料將僅采用失效概率因子作為加載功能。每一個(gè)動(dòng)環(huán)的強(qiáng)度都要試驗(yàn)，因此，在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)需要的速度為最大操作速度的1.225倍。試驗(yàn)壓力為操作時(shí)壓力的1.5倍。如果碳化硅環(huán)經(jīng)住此試驗(yàn)，它就能保證組件能長(zhǎng)時(shí)間承受工作載荷。3.功能試驗(yàn)壓縮機(jī)密封總是由制造商進(jìn)行靜壓和動(dòng)壓功能試