離心壓縮機(jī)裝置干氣密封技術(shù)分析.docVIP

離心壓縮機(jī)裝置干氣密封技術(shù)分析隨著石油化工行業(yè)對離心壓縮機(jī)的性能要求越來越高，對軸封的要求也越來越嚴(yán)格。過去，國內(nèi)使用較多的是機(jī)械浮環(huán)組合密封或者是雙端面機(jī)械密封，它們都是通過密封潤滑油來達(dá)到密封氣體的目的。這類密封有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，即要求有復(fù)雜的密封油系統(tǒng)，能耗較大，而且必然有少量的密封油泄漏后進(jìn)入工藝氣體。干氣密封即“干運(yùn)轉(zhuǎn)氣體密封”(Dry Running gas seals)的出現(xiàn)，是密封技術(shù)的一次革命，氣體密封的難題得以解決，而不會(huì)再受到密封潤滑油的限制。早在20世紀(jì)60年代末期，奠定在氣體動(dòng)壓軸承應(yīng)用的基礎(chǔ)上，干氣密封發(fā)展起來，并成為一種全新的非接觸式密封。該密封利用流體動(dòng)力學(xué)原理，通過在密封端面上開設(shè)動(dòng)壓槽而實(shí)現(xiàn)密封端面的非接觸性運(yùn)行。最初，采用干氣密封形式，主要為了改善高速離心壓縮機(jī)的軸封問題。由于密封采取非接觸性的運(yùn)行方式，因此其密封的摩擦副材料基本不會(huì)受到PV值的任何影響，尤其在高壓設(shè)備、高速設(shè)備中應(yīng)用，具有良好前景。隨著我國密封技術(shù)的飛速發(fā)展，再加上干氣密封的廣泛應(yīng)用，徹底解決了困擾高速離心壓縮機(jī)運(yùn)行中的軸封問題，密封使用壽命及性能都得到了很大提高，為機(jī)組穩(wěn)定，長周期運(yùn)行提供了保證，因此該技術(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，凡使用機(jī)械密封的場合均可采用干氣密封。一、干氣密封的工作原理干氣密封是一種新型的非接觸式軸封，其中以螺旋槽密封最為典型。由于干氣密封屬于非接觸式密封，基本上不受PV值的限制，因此干氣密封特別適合作為在高速高壓條件下的大型離心壓縮機(jī)軸封。干氣密封的出現(xiàn)，是密封技術(shù)的一次革命，氣體密封的難題從此得以解決，而不再會(huì)受到密封潤滑油的限制。其所需的氣體控制系統(tǒng)比油膜密封的油系統(tǒng)要簡單得多。與浮環(huán)密封相比，干氣密封有以下主要優(yōu)點(diǎn)：(1)省去了密封油系統(tǒng)及用于驅(qū)動(dòng)密封油系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的附加功率負(fù)荷;(2)大大減少了計(jì)劃外維修費(fèi)用和生產(chǎn)停車;(3)避免了工藝氣體被油污染的可能性;(4)密封氣體泄漏量小;(5)維護(hù)費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性好;(6)密封驅(qū)動(dòng)功率消耗小;(7)密封壽命長，運(yùn)行可靠;(8)干氣密封技術(shù)應(yīng)用到的輔助系統(tǒng)較為可靠，操作簡單，在使用過程中不需要任何維護(hù)手段。1、干氣密封的工作原理與其它機(jī)械密封相比，干氣密封在結(jié)構(gòu)方面基本相同。其主要區(qū)別在于，干氣密封的一個(gè)密封環(huán)上面加工有均勻分布的淺槽，干氣密封能在非接觸狀態(tài)下運(yùn)行就是靠這些淺槽在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)使密封面分開。干氣密封端面的槽形主要分單旋向和雙旋向兩大類。單旋向槽型只可使用于單向旋轉(zhuǎn)的機(jī)組，在要求的旋向下才可產(chǎn)生開啟力，如反轉(zhuǎn)則產(chǎn)生負(fù)的開啟力而可能導(dǎo)致密封的損壞。但相對于雙旋向的槽型，它可形成更大的開啟力和氣膜剛度，產(chǎn)生更高的穩(wěn)定性而更可靠的防止端面接觸。故在很低的轉(zhuǎn)速下和較大的振動(dòng)下也可使用。在目前的壓縮機(jī)組上使用最多。常見的主要有以下幾種： 雙旋向槽型無旋向要求，正反轉(zhuǎn)皆可使用。機(jī)組的反轉(zhuǎn)不會(huì)造成密封的損壞。其使用范圍較單旋向槽寬，但其穩(wěn)定性、抗干擾能力較單旋向差。常見有以下幾種： 通過對干氣密封各種槽型的反復(fù)試驗(yàn)，對比研究，最終確認(rèn)在同樣的工作參數(shù)下，以螺旋線設(shè)計(jì)的槽型具有最大的氣膜剛度的同時(shí)僅有較小的泄漏量，即具有最大的剛漏比。下面主要介紹這種槽型。下圖所示是典型的干氣密封螺旋槽端面的示意圖。密封面上加工有一定數(shù)量的螺旋槽，其深度小于10微米。密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，被密封氣體周向吸入螺旋槽內(nèi)，徑向分量由外徑朝中心(即低壓側(cè))流動(dòng)，而密封壩限制氣體流向低壓側(cè)。氣體隨著螺旋槽截面形狀的變化被壓縮，在槽根部形成局部的高壓區(qū)，使端面分開3 微米而形成一定厚度的氣膜。在此厚度氣膜下，由氣膜作用力形成的開啟力與由彈簧力和介質(zhì)作用力形成的閉合力達(dá)到平衡，于是密封實(shí)現(xiàn)非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)。干氣密封的密封面間形成的氣膜具有一定的正剛度，保證了密封運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。為了獲得必要的流體動(dòng)壓效應(yīng)，動(dòng)壓槽必須開在高壓側(cè)。 下圖所示為螺旋槽干氣密封的作用力圖，從圖上可以看出氣膜剛度是如何保證密封運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的。在正常情況下，密封的閉合力等于開啟力。當(dāng)受到外來干擾(如工藝或操作波動(dòng))，氣膜厚度變小，則端面間的壓力就會(huì)升高，這時(shí)，開啟力Fo大于閉合力Fc，端面間隙自動(dòng)加大，直至平衡為止。 反之，密封受到干擾氣膜厚度增大，則端面間的壓力就會(huì)降低，這時(shí)，閉合力Fc大于開啟力Fo，端面間隙自動(dòng)減小，密封會(huì)很快達(dá)到新的平衡狀態(tài)。因此，只要在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，當(dāng)外來干擾消除后，密封總能恢復(fù)到設(shè)計(jì)的工作間隙，即干氣密封具有自我調(diào)節(jié)的功能而保證運(yùn)行穩(wěn)定可靠。衡量密封穩(wěn)定性的主要指標(biāo)就是密封產(chǎn)生氣膜剛度的大小，氣膜剛度是氣膜作用力的變化與氣膜厚度的變化之比，氣膜剛度越大，表明密封的抗干擾力越強(qiáng)，密封運(yùn)行越穩(wěn)定。2、干氣密封的典型結(jié)構(gòu)對于不同的工況條件，可采用不同的干氣密封總體結(jié)構(gòu)形式。實(shí)際應(yīng)用中，干氣密封有下面四種結(jié)構(gòu)形式：(1)單端面密封 單端面密封主要用于不屬于危險(xiǎn)性的氣體，即允少量介質(zhì)氣體泄漏到大氣環(huán)境中的場合。密封所用氣體為工藝氣本身。國內(nèi)引進(jìn)機(jī)組中的二氧化碳?jí)嚎s機(jī)多用此種類型。(2)串聯(lián)密封串聯(lián)式干氣密封是一種操作可靠性較高的密封結(jié)構(gòu)，典型應(yīng)用是允許少量介質(zhì)氣體泄漏到大氣中的工況。在石油化工企業(yè)的引進(jìn)機(jī)組中使用較多。一套串聯(lián)式干氣密封可看作是兩套或更多套干氣密封按照相同的方向首尾相連。與單端面結(jié)構(gòu)相同，密封所用氣體為工藝氣本身。通常情況下采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)(主密封)密封承擔(dān)全部負(fù)荷，而另外一級(jí)作為備用密封不承受壓力降，通過主密封泄漏出的工藝氣體被引入火炬燃燒。剩余極少量的未被燃燒的工藝氣通過二級(jí)密封漏出，引入安全地帶排放。當(dāng)主密封失效時(shí)，第二級(jí)密封可以起到輔助安全密封的作用，可保證工藝介質(zhì)不大量向大氣泄漏。在壓力很高的場合，需要采用三級(jí)串聯(lián)式密封，其中前兩級(jí)密封分擔(dān)總的負(fù)荷，第三級(jí)作為備用密封和阻塞密封。 (3)中間帶迷宮的串聯(lián)密封如果工藝介質(zhì)不允許泄漏到大氣中且也不允許緩沖氣泄漏到工藝介質(zhì)中的工況，此時(shí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩級(jí)密封間可加迷宮密封。用于易燃、易爆、危險(xiǎn)性大的介質(zhì)氣體，可以做到完全無外漏。如H2壓縮機(jī)、H2S含量較高的天然氣壓縮機(jī)、乙烯、丙烯壓縮機(jī)等。 該結(jié)構(gòu)所用氣體除用工藝氣本身以外，還需另引一路氮?dú)庾鳛榈诙?jí)密封的使用氣體。通過主密封泄漏出的工藝氣體被氮?dú)馊恳牖鹁嫒紵?。而通過二級(jí)密封漏入大氣的全部為氮?dú)狻．?dāng)主密封失效時(shí)，第二級(jí)密封同樣起到輔助安全密封的作用。該結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，但由于其可靠性最高，目前在引進(jìn)設(shè)備中有逐漸增多的趨勢。4、雙端面密封雙端面密封相當(dāng)于面對面布置的兩套單端面密封，有時(shí)兩個(gè)密封共用一個(gè)動(dòng)環(huán)。它適用于沒有火炬條件，允許少量緩沖氣進(jìn)入工藝介質(zhì)中的情況。在兩組密封之間通入氮?dú)庾髯枞麣怏w而成為一個(gè)性能可靠的阻塞密封系統(tǒng)，控制氮?dú)獾膲毫κ蛊涫冀K維持在比工藝氣體壓力稍高(0.20.3MPa)的水平，這樣氣體泄漏的方向總是朝著工藝介質(zhì)氣體和大氣，從而保證了工藝氣體不會(huì)向大氣泄漏。因此，雙端面密封結(jié)構(gòu)主要用于有毒、易燃易爆的氣體以及不污染外界的食品加工和醫(yī)藥加工過程。二、干氣密封的設(shè)計(jì)干氣密封雖然在工作時(shí)端面為非接觸，但在開停車時(shí)仍會(huì)有短暫的接觸，這就要求配對材料的耐磨性好。干氣密封摩擦付材料，硬環(huán)一般采用低膨脹系數(shù)、高彈性模量、抗拉強(qiáng)度、熱導(dǎo)率及硬度的材料，如SiC或硬質(zhì)合金。軟環(huán)用浸漬石墨。干氣密封運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性取決于密封面氣膜剛度大小，無論是工藝參數(shù)還是螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能的影響，都主要體現(xiàn)在對氣膜剛度的影響，氣膜剛度越大，密封穩(wěn)定性越好。在考慮氣膜剛度的同時(shí)，也考慮了密封的泄漏量，即密封應(yīng)具有最大的剛漏比。其物理意義是密封既具有較大的剛度又具有較小的泄漏量。只有具有最大剛漏比和較大氣膜剛度的干氣密封才能保證密封長周期、穩(wěn)定、理想地運(yùn)行。影響氣膜剛度的螺旋槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有槽深、螺旋角、槽數(shù)、槽寬與堰寬比、槽長與壩長比等，需用專用軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。而影響氣膜剛度的工藝參數(shù)主要有以下幾類：(1)緩沖氣粘度密封氣粘度的大小對氣膜剛度的影響比較大，粘度越大、動(dòng)壓效應(yīng)越強(qiáng)、氣膜剛度也就越大。(2)密封氣溫度在不同溫度下，氣體的粘度是不一樣的;溫度越高、粘度越大、氣膜剛度越大。(3)密封轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速越高，動(dòng)壓效應(yīng)越強(qiáng)、氣膜剛度越大。在理想狀態(tài)下(即不考慮密封加工精度和安裝精度的影響)，干氣密封的轉(zhuǎn)速越高、其穩(wěn)定性越好，而不受機(jī)械密封PV值的限制，因此干氣密封特別適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)下使用。(4)密封端面的直徑大小在同一轉(zhuǎn)