干气密封的工作机理及其典型结构

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南化公司氮肥厂 作者:柳季君

  高速旋转的离心压缩机组,其轴端密封主要有迷宫密封、浮环密封、机械密封和干气密封四大类。迷宫密封通过梳齿间隙对气体产生节流效应而起密封作用,适用于对泄漏要求不高且压力较低的场合,若采用抽气、充气式结构,则可密封危险性或较高压力的气体。但因迷宫较长而增大了转子的轴承跨距,降低了高速转子的动力学性能。机械接触式密封通过端面接触达到密封目的,但其极限速度较低,阻封气体消耗量大。浮环密封在我国自行设计制造的离心式压缩机轴封上应用较普遍,20 世纪80~90年代大化肥引进机组也有采用机械浮环组合密封的,其主要缺点为阻封气体消耗量大,且油系统复杂,投资多,占地面积大,运行维护费用高。干气密封为非接触式密封,其极限速度高,密封性能好,寿命长,不需密封油系统,功率消耗少,运行维护费用低,是目前最先进的密封形式,近年引进的大化肥机组多采用干气密封。

1、干气密封的工作机理及典型结构

1.1、工作机理

  干气密封(dry gas seal) 的概念是20 世纪60 年代末在气体润滑轴承的基础上发展起来的,其中以螺旋槽密封最为典型。经数年的研究,英国JohnCrane 率先推出干气密封产品并投入工业使用。由于干气密封属非接触式密封,基本上不受PV值的限制,因此特别适合作为高速高压条件下的大型离心式压缩机的轴封。

  与普通机械密封相比,干气密封在结构方面没有很特别的地方,其主要区别在于:干气密封的动环密封面上精加工有均匀分布浅槽,干气密封之所以能在非接触状态下运行就是靠这些浅槽产生流体动压效应与密封面分开。以螺旋槽面干气密封为例,它由动环、静环、弹簧、O形环、轴和组装套等组成。动环表面精加工出一定数量的螺旋槽后研磨,密封面抛光,螺旋槽开头近似对数螺旋线,螺旋槽深度2.5~10μm。

  动环放置时,被密封的气体周向吸入螺旋槽内,由外径朝向中心,径向分量朝着密封坝流动,而密封坝节制气体流向中心,于是气体被压缩引起压力升高。此流体膜层压力企图推开密封,形成要求的气膜。在此厚度气膜下,由气膜作用力形成的开启力与由弹簧力和介质作用力形成的闭合力达到平衡,于是密封实现非接触运转。此平衡间隙(即膜厚) 典型值为3μm。

  干气密封的密封面间形成的气膜具有一定的正刚度,保证了密封运转的稳定性。螺旋槽干气密封在正常运转条件下,其闭合力(弹簧和气体作用力)等于开启力(气膜作用力) ,这是理想的设计工况。若受到外来干扰(如工艺或操作波动) ,间隙(气膜厚度) 减小,则气体的粘性剪切力增大,螺旋槽产生的流体动压效应增强,气膜压力增大,开启力大于闭合力,为保持力的平衡,密封恢复到原来的间隙;反之,若密封受到干扰,气膜厚度(即间隙) 增大,则螺旋槽产生的动压效应减弱,气膜压力减小,开启力小于闭合力,密封恢复到原来的间隙。因此,只要在设计考虑的范围内,当外来干扰消除后,密封即能恢复到设计的工作间隙,这样干气密封的运行稳定可靠,衡量密封稳定性的主要指标就是密封产生气膜刚度的大小。气膜刚度是气膜作用力的变化与气膜厚度的变化之比。气膜刚度越大,表明密封的抗干扰能力越强,即密封运行越稳定。

  因此,干气密封作为不需任何密封端面冷却和润滑用油的无维修密封系统,正取代浮环密封和迷宫密封而成为石化行业高速离心压缩机轴封的主流。据估算,湿封系统与干封系统的投资比为8∶1 。

1.2、典型结构

  干气密封的设计选用主要取决于气体成分、气体压力、工艺状况和安全要求等工况条件。实际应用中,干气密封主要有三种布置形式:单端面、串联和双端面。

1.2.1、单级密封结构

  单端面又称单级密封,主要用于中、低压条件下,允许少量介质气体泄漏到大气环境中的场合。见图1 。

单级干气密封结构示意

图1  单级干气密封结构示意图

1.2.2、串联式干气密封结构

  串联式干气密封是应用最普遍的一种结构形式,见图2 。一个串联式干气密封可能由两级或更多级干气密封按照相同的方向首尾相连,每级密封分担部分负荷。通常情况下采用两级结构,第一级(主密封) 承担全部负荷,而另外一级作为备用密封不承受压力降,在备用密封和主密封之间通入惰性气体就形成阻塞密封,保证密封介质绝对不向大气泄漏。在压力很高的场合,需采用三级串联式密封,其中前两级密封分担总的负荷,第三级作为备用密封和阻塞密封。

串联式干气密封结构示意

图2  串联式干气密封结构示意图

1.2.3、双端面密封结构

  双端面密封主要采用面对面结构,有时两个密封共用一个动环,通过采用惰性气体作阻塞气体而成为一个性能可靠的阻塞密封系统,见图3 。由于阻塞气体的压力总是维持在比密封气体压力高的水平,因此气体泄漏的方向便朝着工艺介质气体,这就保证了工艺气体还会向大气泄漏,故其主要用于有毒、易燃易爆的气体以及不污染外界的食品加工和医药加工过程。

双端面密封结构示意

图3  双端面密封结构示意图

2、干气密封的使用和维护

  干气密封适用的操作参数范围很广,无需特别维护。操作巡检时,每天应对密封泄漏量进行监测记录,泄漏率增大表明密封装置有问题。干气密封的使用和维护一般应遵循下列原则:

  a) 为保证干气密封运行的可靠性,如前所述,CO2压缩机的轴端密封安装有与之相匹配的控制系统,使得密封工作在最佳设计状态,当密封失效时系统能及时报警,有利于维护工人以最快的速度处理现场事故。密封气体压力由压力表显示,密封气体通过过滤器后的气体压降由压差表测出,当压力降达到一定值时,须切换过滤器更换滤芯,以保证气体的过滤质量。

  b) 经过滤的CO2气体进入干气密封腔体,通过仪表控制,其压力应高于被密封的CO2气体压力约0.05MPa ,以保证密封腔非常干净。

  c) 每天监测泄漏的CO2气体压力和流量。若泄漏CO2气体压力过高,系统报警,则应检查干气密封的控制系统压力是否在设计范围;若控制系统压力满足设计要求,则表示干气密封已经失效。

  d) T.28XP 型干气密封装置是单向的,应防止机器的反转。

  e) 每月检查一次干气密封和外侧迷宫密封之间的放空管线,管线上不应有润滑油。

3、结语

  螺旋槽干气密封其密封端面在运行期间几乎无磨损,只在开停车时才出现很小的磨损。密封最容易被磨损的部位是螺旋槽根部,一旦有颗粒杂质进入密封腔,密封面螺旋槽根部很容易遭到磨损。因此,用于密封的CO2气体一定要清洁,无颗粒杂质。

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