壓縮機(jī)干氣密封基本原理及使用分析68024

1、關(guān)鍵字：透平式壓縮機(jī)，干氣密封，結(jié)構(gòu)，應(yīng)用basic principle and use analysis for dry gas seal of compressorli guiqin et alabstract: research is carried out against the product of dry gas seal of german burgmann company,combining the operating performance of compressor,contents of principle of compressor dry gas seal,struc

2、tural feature,seal material,service requirment and manufacture etc.are mainly discussed.key words:turbocompressor dry gas seal structure application一、引言干氣密封是一種新型的無(wú)接觸軸封，山它來(lái)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，干氣密封貝有泄漏量少，磨損小，壽命長(zhǎng)，能耗低，操作簡(jiǎn)單可靠，維修量低，被密 封的流體不受汕污染等特點(diǎn)。因此，在壓縮機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，t氣密封止逐漸替代浮環(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)

3、性己經(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，干氣密封正逐步収代浮環(huán)密封、迷宮密封和汕潤(rùn)滑密封。本文針對(duì)德國(guó)廨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)，帝點(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血的內(nèi)容。二、干氣密封工作原理分析干氣密封的般設(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)。2.動(dòng)環(huán)3.惟汗軋厲貰5.0型理 輕體7一帶懷形座的箱鷲圖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

4、相似，也由靜環(huán)和動(dòng)環(huán)組成，其中：靜環(huán)由彈 贊加載，并靠0型圈輔助密封。端面材料可采用碳化硅、氮化硅、硬質(zhì)介金或石墨。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，端血間必須有潔凈的氣體，以保證在兩個(gè)端血z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 可以使密封端而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) 使密封而發(fā)牛接觸，因干氣密封的摩擦熱不能散失，端而間無(wú)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(guò)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，兒微米的密

5、封間隙會(huì)使氣體的泄漏率保持最小。動(dòng)環(huán)密封而分為兩個(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(lái)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(wú)接觸無(wú)磨損的運(yùn)行操作是靠穩(wěn)定的氣膜來(lái)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，主耍目的是為了當(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)，

6、如啟動(dòng)和停車時(shí)，一套串聯(lián)密封在低速或無(wú)壓操作的情況卞，旋轉(zhuǎn) 的動(dòng)壓槽必須在密封而之間產(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(lái)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 種梢型的特性見表1。表1 v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（pm）31028無(wú)壓的情況下啟離速度*（m/s）0.61.2靜止時(shí)，啟離壓力*（mpa）>0.6>0.6智主意：dgs在低于那些被采用的值以卞操作仍能被保證，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

7、載荷冇關(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。使用的端而材料對(duì)干氣密封的工作起著決定性的 作用。端血材料對(duì)壓縮機(jī)密封的操作影響很大。端而材料組對(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/軟高硬度浸鈕石墨buko03碳化硅buka25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3 v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耍為碳化硅，碳化硅與英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血材料的壓 力和溫度分布的彩響，從農(nóng)3材料的

8、物理特性分析碳化硅做端面材料的優(yōu)勢(shì)最人。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)2 2.514.53.13.2679e模量(gpa)20 40600420350200220導(dǎo)熱系數(shù)(w/m*k)7128010012530525熱膨脹系數(shù)(106/k)4514.842.1020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血和輔助件的 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。密封而采用硬對(duì)硬組對(duì)，

9、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碩對(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)于輔助密封最重耍的特性是溫度極限，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()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/mino表4輔助密封材料0型圈材1質(zhì)博格曼代 碼din24960 代碼|溫度極限°c碩度(sh)應(yīng)用1氫化晴膠hnbrx4*40 +125(-54-+ 135)75乙烯氟膠vv2

10、0+2007590 |空氣、co2、n2、氨和天 然氣fluorazv9v9*110 +240(275)75含h2s的氣體全氟橡膠kk+260(300)65 90髙腐蝕和高溫注：*博格曼代碼3彈簧和莫他結(jié)構(gòu)件彈贊和其他結(jié)構(gòu)件通常用珞鋼、不銹鋼、mo2ti不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼和哈 氏c4等。四、基本結(jié)構(gòu)與使用分析1. 單端血密封結(jié)構(gòu)如圖4,此結(jié)構(gòu)可作為一種無(wú)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) 適合的火矩或排氣口接口。在這種情況下主要的泄漏與分離氣一起被輸送到火拒或 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

11、過(guò)濾后才能通過(guò)接口輸送到密 封腔。這樣，過(guò)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)。作為汕和氣工業(yè)的 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，它是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單tl僅需耍一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的氣體輔助系統(tǒng)。典型應(yīng)川是介質(zhì) 氣體少量泄漏到大氣中是容許的工況。a介質(zhì)沖洗c火矩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帶屮間迷宮的串聯(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

12、兩級(jí)密封。介質(zhì)側(cè)密封（主密封）和人 氣側(cè)密封（輔助密封）能夠承受全部壓力差。在-般的操作中，介質(zhì)側(cè)的密封承受了 全-部壓茅。介質(zhì)側(cè)密封和大氣側(cè)密封之間的泄漏可通過(guò)接口引到火炬。大氣側(cè) 密封所承受的壓力與火炬圧力相同，因此介質(zhì)泄漏到大氣側(cè)和到排氣口的量?jī)汉鯙?零。此結(jié)構(gòu)使用過(guò)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)不允許泄漏到人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)川是不允許介質(zhì)泄漏到人氣中，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)

13、的密封工作時(shí)，工藝氣體的壓力通過(guò)介質(zhì)側(cè)密封被降低。泄漏的工藝 氣體通過(guò)接口“ct扌if到火炬。大氣側(cè)密封通過(guò)接口被緩沖氣體（氮?dú)饣蚩諝猓┘訅骸?緩沖氣體的壓力保證有連續(xù)的氣流通過(guò)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，使用雙端而密封結(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(guò)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)，主耍川于石汕化工行業(yè)和英 他有害氣體壓縮機(jī)。雙端面密封是-種冇效地防i上介質(zhì)氣體逃逸到周i韋i環(huán)境屮的密封結(jié)構(gòu)。它包括 供給緩沖氣體，如氮?dú)?，在兩道密封z間通過(guò)接口“b”加一個(gè)比介質(zhì)壓力髙的緩沖 氣體（一般緩沖

14、氣體的壓力比介質(zhì)壓力高0.2mpa）o緩沖氣體-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。所冇間隙必須被計(jì)算來(lái)排除在操作圧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)彳j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川溫度也要考慮密封間 隙間的渦流和摩擦所產(chǎn)牛的熱。這些熱與密封的速度、壓力、氣體和密封設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 冇關(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. 端血速度端

15、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(lái)減少?gòu)埩ΑＫ鼈冊(cè)谛D(zhuǎn)試驗(yàn)中檢查。最人滑動(dòng)速度數(shù)值根據(jù)用來(lái)計(jì)算的玄徑不同，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)外徑的最人滑動(dòng)速度可以達(dá)到200m/so4. 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46 250mm此宜徑指的是動(dòng)環(huán)的內(nèi)徑（小于或人于此范圍的公稱立徑也是可以的）。壓力2lompa（絕）（橡膠輔助密封）> 1025mpa（絕）（非橡膠輔助密封）最人壓力差與材料和公稱直徑冇關(guān)。溫度20 °c+200 °c

16、 （橡膠輔助密封）55°c+250°c（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)面的材料冇關(guān)。允許的軸位移軸向：dn46118標(biāo)準(zhǔn)為± 1.0mmdn13（）220標(biāo)準(zhǔn)為 ±2.0mmdn230 250標(biāo)準(zhǔn)為 ±3.0mm特殊形式為：最大±4.0mm徑向：dn46 250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。這確保了密封及和應(yīng)的緩沖氣系統(tǒng)產(chǎn)甜的質(zhì)雖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

17、氣系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)和檢查屬于標(biāo)準(zhǔn)檢査計(jì)劃。附加材料和紐件 試驗(yàn)也可以要求。標(biāo)準(zhǔn)檢査計(jì)劃的要點(diǎn)為：對(duì)于關(guān)鍵性零件符合en 10204/3b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)的表而破裂試驗(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g1.0o2. 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釆用失u怕室蜃幼軀 釉毓 6 ffl?br> 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)壓功能試驗(yàn)。試驗(yàn)是在比最高工況值高 的情況下完成的。