《非接觸式機械端面密封技術》.ppt

非接觸式機械端面密封技術 專題講座 主講人 郝木明 實現(xiàn)以人為本 健康安全環(huán)保經濟 現(xiàn)代化生產新理念 中國石油大學機電學院流體機械及動密封研究室山東省東營市東營區(qū)北二路271號 電話 0546 8392752 8393227 傳真JF 目錄 1 非接觸式機械端面密封概述2 非接觸式機械密封工作原理3 非接觸式機械密封與接觸式機械密封比較4 影響非接觸式機械密封性能的主要參數(shù)5 非接觸式機械密封典型結構5 1離心壓縮機用非接觸式機械密封5 2離心泵用非接觸式機械密封5 3低速攪拌器用非接觸式機械密封6 非接觸式機械密封監(jiān)控系統(tǒng)7 中國石油大學流體機械及動密封研究室8 自主開發(fā)非接觸式機械密封專利9 自主開發(fā)非接觸式機械密封應用業(yè)績 1 非接觸式機械端面密封概述 非接觸式機械密封技術包括氣膜潤滑非接觸式機械密封 GasLubricatedNon contactingMechanicalSeal 簡稱 氣膜密封 或GasFilmSeal 和液膜潤滑非接觸式機械密封 liquidLubricatedNon contactingMechanicalSeal 簡稱 液膜密封 或LiquidFilmSeal 氣膜密封和液膜密封是基于現(xiàn)代流體動壓潤滑理論的新型非接觸式機械密封 與普通接觸式機械密封相比 氣膜密封與液膜密封可實現(xiàn)密封介質的零泄漏甚至零逸出 即工藝流體的液態(tài)泄漏量和氣態(tài)逸出量等于零 徹底消除對環(huán)境的污染 同時 由于密封端面之間無直接的固體摩擦磨損而具有使用壽命大大延長 密封可靠性顯著提高 運行維護費用顯著下降 經濟效益明顯提高等技術優(yōu)勢 在國外已在各種旋轉流體機械上推廣應用 2 非接觸式機械密封工作原理 圖1氣膜密封結構示意圖 2 1氣膜密封工作原理 2 2非接觸式機械密封基本組成 當動環(huán)流體動壓槽把外徑側的高壓阻塞氣體在粘性剪切力的作用下泵入密封端面之間 使由外徑至槽徑處氣膜壓力逐漸增加 而自槽徑至內徑處氣膜壓力逐漸下降 因端面膜壓增加使所形成的開啟力大于作用在密封環(huán)上的閉合力 迫使在靜止狀態(tài)下保持接觸的兩端面分離并處于穩(wěn)定的非接觸狀態(tài) 由中性高壓隔離氣體所形成的氣膜完全阻塞了相對低壓的密封介質泄漏通道 實現(xiàn)了密封介質的零泄漏或零逸出 a密封端面結構b下游泵送原理圖2氣膜密封工作原理 圖3氣膜密封力平衡示意圖 2 3液膜密封工作原理 a密封端面結構b上游泵送原理圖4上游泵送機械密封工作原理 圖4零泄漏液膜密封力學分析 圖5零逸出液膜密封力學分析 2 4氣膜密封的產生及發(fā)展上世紀六十年代初 首次基于氣體潤滑軸承理論提出氣膜密封 DryGasSeal 概念 并試圖應用于航空發(fā)動機上 1969年 英國約翰克蘭 JohncraneInternational 公司并開始從事氣膜密封的研究 1976年 約翰克蘭公司設計制造的第一套氣膜密封在海洋平臺輸氣管線離心壓縮機上得到使用 1985年 美國杜拉美特立公司掌握氣膜密封技術并開始制造氣膜密封 1987年 1988年德國的Burgmann公司和美國的EG GSEALOL公司開始從事氣膜密封生產制造 1988年 中國石油大學開始從事氣膜密封研究工作 上世紀九十年代初 約翰克蘭公司開發(fā)出泵用氣膜密封產品 1992年 約翰克蘭公司氣膜密封產品隨高速透平離心壓縮機進口中國 1996年 國產氣膜密封產品在巴陵石化鷹山石油化工廠首次使用 至今 已開發(fā)出系列透平機組 各類轉子泵 多種低速攪拌設備用氣膜密封產品并不斷推廣應用 2 5氣膜密封產品的主要技術指標 3 非接觸式密封與機械密封比較 圖6雙端面密封輔助系統(tǒng) 圖7氣膜密封輔助系統(tǒng) 氣膜密封的技術優(yōu)勢 理論 試驗研究和工業(yè)應用表明 與普通接觸式機械密封相比 氣膜機械密封具有以下系列技術優(yōu)勢 可以實現(xiàn)密封介質的零泄漏或零逸出 統(tǒng)稱零逸出 消除環(huán)境污染 實現(xiàn)環(huán)保功能 密封可靠性大大提高 使用壽命相應延長 在理想工作狀態(tài)下 由于密封摩擦副處于非接觸狀態(tài) 端面之間不存在直接的固體摩擦磨損 理論使用壽命無限長 能耗明顯下降 運行效率相應提高 經濟效益顯著 工業(yè)應用結果表明 氣膜密封的能耗不足普通接觸式機械密封的1 20 而且 用于降低端面溫升的密封沖洗液量和冷卻水量大大減少 相應提高了泵效甚至工藝裝置的生產效率 輔助系統(tǒng)相對簡單 與雙端面接觸式機械密封相比 氣膜密封裝置無需復雜的封油供給 循環(huán)系統(tǒng)及與之相配的調控系統(tǒng) 只需供給潔凈干燥的中性氣體 其壓力應高于密封介質的壓力 但無須循環(huán) 消耗量也小 使用范圍拓寬 與普通接觸式機械密封相比 氣膜密封可以在更高PV值 高含固體顆粒介質等條件下使用 實例對比某石化公司氯堿廠一原料泵 軸徑為35mm 為例 原來采用接觸式機械密封 后改為氣膜密封 使用效果對比如下表 4 影響非接觸式密封性能的主要參數(shù) 氣密封的性能主要體現(xiàn)在密封的泄漏量和使用壽命的矛盾上面 影響氣膜密封泄漏量的直接因素就是氣膜密封的氣膜厚度 亦即氣膜密封運轉時密封面間形成的工作間隙 將影響氣膜密封性能的參數(shù)分為密封結構參數(shù)和密封操作參數(shù) 1 密封結構參數(shù)1 1氣膜密封動壓槽形狀從流體動力學角度來講 在氣膜密封端面開任何形狀的溝槽 都能產生動壓效應 理論研究表明 對數(shù)螺旋槽產生的流體動壓效應最強 用其作為氣膜密封動壓槽而形成的氣膜剛度最大 及氣膜密封的穩(wěn)定性最好 1 2氣膜密封動壓槽深度理論研究表明 氣膜密封流體動壓槽深度與氣膜厚度為同一量級時密封的氣膜剛度最大 實際應用中 氣膜密封的動壓槽深度一般在3 10微米 在其余參數(shù)確定的情況下 動壓槽深度有一最佳值 1 3氣膜密封動壓槽數(shù)量 動壓槽寬度 動壓槽長度理論研究表明 氣膜密封動壓槽數(shù)量趨于無限時 動壓效應最強 不過 當動壓槽達到一定數(shù)量后 再增加槽數(shù)時 對氣膜密封性能影響已經很小 此外 氣膜密封動壓槽寬度 動壓槽長度對密封性能都有一定的影響 2 操作參數(shù)對密封泄漏量的影響2 1密封直徑 轉速對泄漏量的影響密封直徑越大 轉速越高 密封環(huán)線速度越大 氣膜密封的泄漏量就越大 2 2密封介質壓力對泄漏量的影響不難想象 在密封工作間隙一定的情況下 密封氣壓力越高 氣體泄漏量越大 2 3介質溫度 介質粘度對泄漏量的影響介質溫度對密封泄漏量的影響是由于溫度對介質粘度有影響而造成的 介質粘度增加 動壓效應增強 氣膜厚度增加 但同時流經密封端面間隙的阻力增加 因此 其對密封泄漏量的影響不是很大 氣膜密封的功耗 密封尺寸及轉速對泄漏量的影響 壓力 溫度及氣體性質對泄漏量的影響 氣膜密封端面結構 液膜密封端面結構 氣膜密封端面結構雙向旋轉功能的 T 型槽 氣膜密封端面結構單向旋轉功能的端面螺旋槽 單端面氣膜密封 singledrygasseal 工藝介質側 大氣側 潔凈的阻塞氣體 阻塞氣體泄漏 雙端面氣膜密封 doubledrygasseal 工藝流體側 大氣側 串聯(lián)式氣膜密封 tandemseal 帶級間迷宮密封的串聯(lián)式氣膜密封 工藝側 大氣側 帶外置阻塞迷宮密封的串聯(lián)式氣膜密封 阻塞密封氣 次級泄漏及阻塞 泵用雙端面氣膜密封 泵用串聯(lián)式氣膜密封 低速攪拌器用氣膜密封 氣膜密封監(jiān)控系統(tǒng)1 1壓縮機用單端面氣膜密封系統(tǒng) API614 1 2壓縮機用雙端面氣膜密封系統(tǒng) API614 1 3壓縮機用串聯(lián)式 帶中間梳齒 氣膜密封系統(tǒng) API614 1 4壓縮機用串聯(lián)式 不帶中間梳齒 氣膜密封系統(tǒng) API614 泵用雙端面氣膜密封監(jiān)控系統(tǒng) 泵用串聯(lián)式氣膜密封監(jiān)控系統(tǒng) 低速攪拌器用氣膜密封監(jiān)控系統(tǒng) 氣膜密封輔助系統(tǒng) 氣膜密封的選擇 工藝氣體是空氣或氮氣 密封氣體為空氣或氮氣 允許向大氣泄漏 工藝氣體易燃 易爆 有毒 密封氣體 外部工藝氣體 單端面氣膜密封withtertiaryseal 可否得到分離氣體 經用戶同意選擇單端面氣膜密封 密封氣體 工藝氣體 否 否 否 否 是 否 是 是 是 是 阻塞氣體 外部中性氣體 惰性氣體如N2 漏入大氣 外部氣體允許進入工藝流程 雙端面氣膜密封 串聯(lián)式氣膜密封 中間迷宮密封 密封氣體具有腐蝕性 否 否 需要輔助密封及密封氣體 串聯(lián)式氣膜密封 是 是 需要低流量阻塞氣體 是 單端面氣膜密封 否 外部工藝氣體允許進入工藝流程 氣膜密封的選擇程序 密封環(huán)材料特性 密封環(huán)端面熱變形 Thermalfacedistortion 1 WC C石墨 熱量輸入 1kW溫度梯度 29 6 C碳環(huán)錐度 21my WC SiC 熱量輸入 1kW溫度梯度 3 5 C碳化硅環(huán)錐度 1 3my 7 中國石油大學機電學院流體機械及動密封研究室 在我國著名密封專家顧永泉教授的領導下 石油大學流體機械及動密封研究室早在上世紀六十年代在國內率先研究和推廣應用機械密封技術 作為國內第一位密封專業(yè)方向的研究生導師 顧教授長期從事混合摩擦機械密封和混相潤滑機械密封的研究開發(fā)工作 曾負責石油部七種壓縮機新產品的設計和研制工作 負責多項中石化總公司密封技術重點科技攻關項目 獲國家科技進步三等獎1項 中石化總公司和山東省科技進步二等獎4項 公開出版了流體動密封 機械密封等四部專著 在國內外發(fā)表了200余篇論文 并取得國家12項密封實用新型專利 自上世紀七十年代以來 該研究室深入開展流體機械密封技術 不同相態(tài)機械密封 新型軟填料密封 蒸汽阻塞密封等的研究開發(fā)工作 于上世紀八十年代在國內率先從事氣膜密封 非接觸式液膜機械密封等新型流體潤滑非接觸式機械密封 流體動壓彈性體密封和熱流體動壓潤滑機械密封等高性能密封的機理研究和產品開發(fā)工作 研究成果達到國際先進水平 近五年來 先后承擔了中石油集團公司 無泄漏逆流泵送機械密封在石油石化工業(yè)的應用研究 中石化集團公司 輕烴泵用非接觸式液膜機械密封的研究及開發(fā)應用 和 無泄漏低磨損泵用新型機械密封技術的開發(fā)應用 等多項重大研究課題 在新型密封的機理研究 結構優(yōu)化 軟件開發(fā)和加工制造方面達到國際先進水平 獲得四項具有自主知識產權的國家專利 并成功開發(fā)出針對等不同特殊工況條件下 密封易汽化介質 高危險性介質 高含固體顆粒介質 變工況 高參數(shù)等 的非接觸式液膜機械密封和氣膜機械密封工業(yè)產品 取得了明顯的經濟效益和社會效益 如自主開發(fā)的非接觸式液膜機械密封于2002年在齊魯石化橡膠廠螺桿壓縮機上替代英國Johncrane公司進口的接觸式機械密封 使用壽命超過一年 原密封不超過四個月 基本消除了泄漏 并成功地在揚子石化同類機組上推廣應用 年產生直接經濟效益超過2000萬元 鑒定委員會專家一致認為 該項技術填補了國內外空白 達到了國際先進水平 實驗裝置及儀器 研究室現(xiàn)建有可實現(xiàn)自動測控的 泵用密封技術實驗裝置 低速攪拌設備密封實驗裝置 和投資近80萬元的石油大學 211 重點建設項目 多功能高速密封實驗裝置 以及配套齊全的密封性能 質量監(jiān)測儀器 表面輪廓儀 密封端面改形精密加工設備 膜厚測微儀 自動研磨機 轉子振動頻譜分析儀器及軟件多套等 固定資產超過200萬元 為從事新型密封技術的研究開發(fā)工作奠定了堅實的物質基礎 圖1多功能高速密封實驗裝置 圖2泵用密封實驗裝置 圖3攪拌設備用密封實驗裝置 圖4高精度表面輪廓儀 圖5端面槽型精密加工設備 8 自主開發(fā)非接觸式機械密封專利技術 圖4單列交錯流體動壓槽非接觸式液膜機械密封 圖5單列流體動壓槽非接觸式液膜機械密封 圖6雙列流體動壓槽自潤滑非接觸式機械密封 圖7雙列同向流體動壓槽非接觸式液膜機械密封 主要研究成果 1 無泄漏逆流泵送機械在石油化工工業(yè)中的應用研究該項目為中國石油天然氣集團公司1999年重點科技開發(fā)項目 該成果首次以零泄漏前提下的最大流體膜剛度對非接觸式逆流泵送機械密封進行結構優(yōu)化 首次開發(fā)出逆流泵送機械密封技術和產品的工業(yè)設計開發(fā)軟件 可研制開發(fā)出輕烴泵 輸送含固體顆粒介質泵 頻繁開停泵 高速高壓泵等高難密封場合下的逆流泵送機械密封 具有無泄漏 無污染 超常壽命 運行費用低 經濟效益明顯等系列技術優(yōu)勢 在石油石化 化工 生物制藥 食品加工 造紙等行業(yè)具有廣泛的工業(yè)應用前景 已取得兩項專利技術 單列交錯流體動壓槽非接觸式液膜機械密封 專利號 ZL01279563 1 和雙列同向流體動壓槽非接觸式液膜機械密封 專利號 ZL01279564 x 達到國際先進水平 主要研究成果 2 螺桿壓縮機非接觸式機械密封開發(fā)應用該項目為中石化股份公司齊魯分公司2001年重大科技攻關項目 該成果的核心技術是借助現(xiàn)代流體動壓潤滑理論開發(fā)出一種螺桿壓縮機用新型非接觸式機械密封 以替代普通的接觸式機械密封 并獲得具有自主知識產權的專利技術 專利號為 ZL00239203 8 該密封技術可基本消除密封介質和潤滑油的泄漏 使用壽命大大延長 至少超過一年 工作穩(wěn)定性和抗外界干擾能力明顯增強 經濟效益明顯 可在石油 石化 化工等行業(yè)各類進口或國產螺桿壓縮機 高速離心壓縮機和高參數(shù)機泵上推廣應用 具有廣泛的工業(yè)應用前景 該項技術填補國內外空白 達到國際先進水平 該成果已在中石化股份公司揚子石化公司烯烴廠進口丁二烯螺桿壓縮機上成功推廣應用 實現(xiàn)了潤滑油的無泄漏 至今已平穩(wěn)運行14個月 取得直接經濟效益超過1800萬元 主要研究成果 圖8齊魯石化公司勝利煉油廠丁二烯螺桿壓縮機 圖9螺桿壓縮機新型密封動環(huán) 主要研究成果 3 輕烴泵用非接觸式液膜機械密封開發(fā)應用本課題為中國石油化工集團公司2001年科學技術研究開發(fā)項目 目前 石油化工集團公司諸多煉油化工企業(yè)大量運行的轉子泵 以離心泵為主 輸送的多為輕烴類介質 這些輕烴類介質 如液化汽 丙二烯等 具有易汽化 易揮發(fā) 污染嚴重等特點 使普遍使用的接觸式機械密封處于不穩(wěn)定的氣液 或汽液 混相工作狀態(tài) 一方面 密封摩擦副處于極端的干摩擦狀態(tài)而使密封早期失效 嚴重影響裝置生產的安全性和可靠性 另一方面 輕烴類介質以汽相形式大量外漏 造成嚴重的環(huán)境污染 主要研究成果 3 輕烴泵用非接觸式液膜機械密封開發(fā)應用為提高密封的使用壽命及防止輕烴的大量外泄 現(xiàn)場常采用自沖洗和外冷卻等措施改善密封的工作環(huán)境 自沖洗 沖洗量一般為10升 分鐘左右 使泵的效率明顯降低 并增高加能耗而影響裝置的生產效率 對密封進行外部冷卻 冷卻水量一般為3 5升 分鐘 致使污水排放量明顯增加并相應增加治污投入 可見 輕烴泵用普通的接觸式機械密封具有泄漏量大 污染嚴重 使用壽命短 摩擦功耗大 運行費用高等缺憾 越來越不能滿足現(xiàn)代石化工業(yè)生產無污染 長周期 低能耗等客觀要求 主要研究成果 3 輕烴泵用非接觸式液膜機械密封開發(fā)應用本課題擬研制開發(fā)一種輕烴泵用非接觸式液膜機械密封以替代普通的接觸式機械密封 其特征是是依靠一開有流體動壓槽的端面與另一平行端面 或兩端面均開流體動壓槽 之間的相對運動把從高壓側流向低壓側的流體反輸回壓側而實現(xiàn)被密封流體的無泄漏 包括液相泄漏和氣相逸出 的新型機械密封 它具有低微泄漏 使用壽命長 為普通接觸式機械密封3 5倍甚至更長 摩擦功耗少 不到普通機械密封的1 3 運行費用低 僅為普通機械密封的1 6 密封輔助系統(tǒng)簡單 密封工作的穩(wěn)定性 可靠性及抗外界干擾能力明顯增強 突發(fā)失效事故的可能性大大降低等綜合優(yōu)勢 由此帶來的經濟 社會效益是相當可觀的 是九十年代初開始研究開發(fā)的具有廣泛應用前景的機械密封技術 是未來機械密封技術發(fā)展的主要趨勢之一 3 輕烴泵用非接觸式液膜機械密封開發(fā)應用至今 已成功研制開發(fā)出汽油泵 丙烷泵用非接觸式液膜機械密封 并進一步開發(fā)出可實現(xiàn) 雙向零泄漏密封 功能的非接觸式液膜機械密封 成功應用在齊魯石化公司勝利煉油廠丁烷壓縮機上 不僅替代了進口接觸式機械密封 并實現(xiàn)了工藝氣體和潤滑油的無泄