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，由它來密封旋轉機器中的氣體或液體介質。與其它密封相比，干氣密封具有泄漏量少，磨損小，壽命長，能耗低，操作簡單可靠，維修量低，被密封的流體不受油污染等特點。因此，在壓縮機應用領域，干氣密封正逐漸替代浮環(huán)密封、迷宮密封和油潤滑機械密封。干氣密封使用的可靠性和經(jīng)濟性已經(jīng)被許多工程應用實例所證實。目前，干氣密封主要用在離心式壓縮機上，也還用在軸流式壓縮機、齒輪傳動壓縮機和透平膨脹機上。干氣密封已經(jīng)成為壓縮機正常運轉和操作可靠的重要元件，隨著壓縮機技術的發(fā)展，干氣密封正逐步取代浮環(huán)密封、迷宮密封和油潤滑密封。本文針對德國博格曼公司的干氣密封產(chǎn)品進行了研究，結合壓縮機的工作特點，重點論述壓縮機干氣密封的原理、結構特點、密封材料、使用要求和制造等方面的內容。二、干氣密封工作原理分析干氣密封的一般設計形式是集裝式，圖1表示出了壓縮機干氣密封的具體結構。圖1壓縮機干氣密封示意圖干氣密封和普通平衡型機械密封相似，也由靜環(huán)和動環(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、硬質合金或石墨。干氣密封與液體普通平衡型機械密封的區(qū)別在于：干氣密封動環(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，以保證在兩個端面之間形成一個穩(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。氣體介質通過密封間隙時靠節(jié)流和阻塞的作用而被減壓，從而實現(xiàn)氣體介質的密封，幾微米的密封間隙會使氣體的泄漏率保持最小。動環(huán)密封面分為兩個功能區(qū)(外區(qū)域和內區(qū)域)。氣體進入密封間隙的外區(qū)域有空氣動壓槽，這些槽壓縮進來的氣體。為了獲得必要的泵效應，動壓槽必須被開在高壓側。密封間隙內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不被破壞的穩(wěn)定氣膜。干氣密封無接觸無磨損的運行操作是靠穩(wěn)定的氣膜來保證的，穩(wěn)定的氣膜是由密封墻的節(jié)流效應和所開動壓槽的泵效應得到的。密封面的內區(qū)域(密封墻)是平面，靠它的節(jié)流效應限制了泄漏量。干氣密封的彈簧力很小，主要目的是為了當密封不受壓時確保密封面的閉合。選擇干氣密封時，決定性的判斷是動環(huán)上所開動壓槽的幾何形狀。對于壓縮機的某些操作點，如啟動和停車時，一套串聯(lián)密封在低速或無壓操作的情況下，旋轉的動壓槽必須在密封面之間產(chǎn)生一個合適的壓力。此力靠特殊措施三維的、弧形的槽來獲得。壓縮機干氣密封設計和使用為兩種槽型：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形槽雙向反向運轉僅能短期的反向運轉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，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元件的許用載荷有關。溫度和壓力極限由所用的輔助密封橡膠和端面材料決定。使用的端面材料對干氣密封的工作起著決定性的作用。端面材料對壓縮機密封的操作影響很大。端面材料組對的選擇與壓力、軸徑和轉速有關(見表2 )。表2端面材料材料組對靜環(huán)動環(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壓縮機干氣密封的形式圖3V形槽U形槽硬對軟材料組對僅被用于低壓范圍。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，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)勢最大。表3各種端面材料的物理特性浸Sb石墨WC(Ni)SiC燒結Si3N4韌性材料密度(kg/dm3)22.514.53.13.2679E-模量(GPa)2040600420350200220導熱系數(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)良的熱傳導性(導熱系數(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。密封面采用硬對硬組對，為了在啟動和停車時，增強偶然端面接觸的自潤滑性，博格曼干氣密封在采用硬對硬材料組對時，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致O型圈氣體側爆炸減壓，因此引起橡膠圈的變形。為了消除氣吸的損害，壓力下降率應低于2MPa/min。 表4輔助密封材料O型圈材質博格曼代碼DIN24960代碼溫度極限硬度(Sh)應用氫化晴膠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.彈簧和其他結構件彈簧和其他結構件通常用鉻鋼、不銹鋼、Mo2Ti不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼和哈氏C-4等。四、基本結構與使用分析1.單端面密封結構如圖4，此結構可作為一種無泄漏結構選擇，此結構有一個可把泄漏引到一個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介質沖洗C火炬D分離氣體圖4單端面密封結構(如：BURGMANN DGS)如果輸送的氣體介質含有雜質，介質必須被過濾后才能通過接口“A”輸送到密封腔。這樣，過濾的介質從密封腔流向葉輪側，從而阻止雜質從葉輪側進入密封。2.串聯(lián)密封結構如圖5，串聯(lián)結構是一種操作可靠性較高的干氣密封結構。作為油和氣工業(yè)的標準結構，它是設計簡單且僅需要一個相當簡單的氣體輔助系統(tǒng)。典型應用是介質氣體少量泄漏到大氣中是容許的工況。A介質沖洗C火炬D分離氣體S排氣口圖5串聯(lián)結構(如：BURGMANN DGS)A介質沖洗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)結構(如：BURGMANN DGS)A介質沖洗B緩沖氣體D分離氣體S排氣口圖7雙端面密封結構(如：BURGMANN DGS)在串聯(lián)結構中，兩個單封被前后放置形成兩級密封。介質側密封(主密封)和大氣側密封(輔助密封)能夠承受全部壓力差。在一般的操作中，介質側的密封承受了全部壓差。介質側密封和大氣側密封之間的泄漏可通過接口“C”引到火炬。大氣側密封所承受的壓力與火炬壓力相同，因此介質泄漏到大氣側和到排氣口的量幾乎為零。此結構使用過程中，當主密封失敗時，輔助密封可作為安全密封，保證介質不會泄漏到大氣中。3.帶中間迷宮的串聯(lián)密封結構如果工藝介質不允許泄漏到大氣中和緩沖氣體不允許泄漏到工藝介質中，此時串聯(lián)結構的兩級密封間可加迷宮密封。典型的應用是不允許介質泄漏到大氣中，如H2壓縮機，H2S含量較高的天然氣壓縮機(酸氣)，和乙烯、丙烯壓縮機。此種結構的密封工作時，工藝氣體的壓力通過介質側密封被降低。泄漏的工藝氣體通過接口“C”排到火炬。大氣側密封通過接口“B”被緩沖氣體(氮氣或空氣)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.雙端面密封結構當沒有火炬，但具有可以提供合適壓力的緩沖氣體的時候，使用雙端面密封結構。由于密封熱量的產(chǎn)生，對于每一種工況，操作極限必須通過計算。此結構，典型的應用是不允許介質泄漏到大氣側，主要用于石油化工行業(yè)和其他有害氣體壓縮機。雙端面密封是一種有效地防止介質氣體逃逸到周圍環(huán)境中的密封結構。它包括供給緩沖氣體，如氮氣，在兩道密封之間通過接口“B”加一個比介質壓力高的緩沖氣體(一般緩沖氣體的壓力比介質壓力高0.2MPa)。緩沖氣體一部分泄漏到大氣，另部分泄漏到介質中。五、設計與操作范圍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的密封端面的變形。所有間隙必須被計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、氣體和密封設計結構有關。因此，在應用溫度下，密封的每一個元件都應被計算。這些計算的溫度應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，計算的安全系數(shù)至少為1.5，允許靠離心力來減少張力。它們在旋轉試驗中檢查。最大滑動速度數(shù)值根據(jù)用來計算的直徑不同，每種制造也是不同的。動環(huán)的內徑或外徑和靜環(huán)的動態(tài)的或氣動的直徑全是可能的。碳化硅動環(huán)外徑的最大滑動速度可以達到200m/s。4.一般操作范圍壓縮機氣體密封的基本形式應用范圍如下：公稱直徑46250mm此直徑指的是動環(huán)的內徑(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。溫度-20+200(橡膠輔助密封)-55+250(非橡膠輔助密封)滑動速度動環(huán)外徑的最大速度Vg為200m/s。最大操作速度與滑動面的材料有關。允許的軸位移軸向：DN46118標準為1.0mmDN130220標準為2.0mmDN230250標準為3.0mm特殊形式為：最大4.0mm徑向：DN46250標準為0.6mm六、干氣密封制造質量要求壓縮機密封和它們的緩沖氣系統(tǒng)產(chǎn)品由質量部嚴格控制。重要的材料和組件的試驗被記錄。這確保了密封及相應的緩沖氣系統(tǒng)產(chǎn)品的質量恒定和操作的可靠性。1.標準檢查計劃干氣密封和緩沖氣系統(tǒng)的標準試驗和檢查屬于標準檢查計劃。附加材料和組件試驗也可以要求。標準檢查計劃的要點為：.對于關鍵性零件符合EN 10204/3.1B標準的材料證明.動環(huán)的速度試驗(旋轉試驗).動環(huán)的表面破裂試驗.靜壓和動壓功能試驗.平衡符合平衡等級G2.5(標準)或G1.0。2.旋轉試驗在操作期間被加載的動環(huán)的抗拉應力因離心力而減少。金屬材料制造保證材料的抗拉強度，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。每一個動環(huán)的強度都要試驗，因此，在旋轉試驗中，旋轉試驗需要的速度為最大操作速度的1.225倍。試驗壓力為操作時壓力的1.5倍。如果碳化硅環(huán)經(jīng)住此試驗，它就能保證組件能長時間承受工作載荷。3.功能試驗壓縮機密封總是由制造商進行靜壓和動壓功能試