周麗楠 冷文平 謝寶玲 李曉光 劉 波

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)化工裝備學(xué)院 遼寧 遼陽(yáng) 111003)

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展

隨著石油化工工業(yè)的快速發(fā)展，各種離心壓縮機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。干氣密封的出現(xiàn)，是密封技術(shù)的一次革命，解決了以往氣體密封受到密封潤(rùn)滑油污染的問(wèn)題，干氣密封本身所需要的氣體控制系統(tǒng)比接觸式密封的油系統(tǒng)要簡(jiǎn)單得多[1]。

世界上第一個(gè)機(jī)械密封專(zhuān)利出現(xiàn)在英國(guó)[2]，直到1900年才開(kāi)始用于軸承密封。1908年有幾個(gè)汽輪機(jī)密封，改進(jìn)為軸向移動(dòng)的密封環(huán)密封[3]。1990年日本橫山英二首先研制了帶中間環(huán)的雙向螺旋槽端面密封，并獲日特開(kāi)平2-236068專(zhuān)利。1995年日本伊格爾公司首先生產(chǎn)了NFgOO系列斜平面雙向氣體端面密封。1995年美國(guó)杜拉美特公司生產(chǎn)了泵用圓弧槽氣體端面密封，可用做零泄漏密封。

國(guó)內(nèi)1988-1990年，華東石油大學(xué)顧永泉、王建榮等首先研制和試驗(yàn)了泵入式圓弧槽氣體端面密封，并獲我國(guó)國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利92203159.2[4]。從20世紀(jì)90年代初，與進(jìn)口高速透平壓縮機(jī)配套的干氣密封開(kāi)始進(jìn)入了中國(guó)市場(chǎng)。我國(guó)在20世紀(jì)90年代后期，開(kāi)始逐步引進(jìn)國(guó)外干氣密封技術(shù)應(yīng)用于大型的離心壓縮機(jī)，其性?xún)r(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于浮環(huán)密封和機(jī)械密封。

2 螺旋槽干氣機(jī)械密封的密封原理和典型的端面結(jié)構(gòu)

2.1 螺旋槽干氣機(jī)械密封的密封原理

干氣機(jī)械密封亦稱(chēng)為氣體潤(rùn)滑機(jī)械密封。機(jī)械密封的兩個(gè)密封副是在一層很薄的流體膜下做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的。密封穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，很薄的流體膜就將兩密封面隔離開(kāi)來(lái)，使兩密封端面得到充分的潤(rùn)滑，從而達(dá)到減小磨損和機(jī)械損傷的目的。干氣密封的工作原理是作用在密封環(huán)上的彈簧力、介質(zhì)壓力與流體動(dòng)力的平衡[5]。流體密封依靠在密封端面上加工一些淺槽以提高氣體密封的動(dòng)壓效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。以乙烯壓縮機(jī)用螺旋槽干氣機(jī)械密封為例，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1及圖2所示。

圖1 螺旋槽干氣機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 螺旋槽端面示意圖

2.2 典型的端面結(jié)構(gòu)

干氣機(jī)械密封的特殊標(biāo)志之一是其端面的典型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，也是其核心所在。對(duì)數(shù)螺旋槽干氣密封的密封端面槽型為對(duì)數(shù)螺旋線(xiàn)，如圖3所示。槽的深度一般≤10μm。槽深＞10μm，則密封的泄漏量會(huì)顯著增加[6]。螺旋槽端面密封的螺旋槽一般開(kāi)在密封環(huán)的外緣。開(kāi)在密封環(huán)內(nèi)緣的，稱(chēng)之為逆流泵送密封，如圖4所示。

圖3 螺旋線(xiàn)型端面密封

圖4 內(nèi)徑開(kāi)螺旋槽端面密封

人字形螺旋槽和Y形螺旋槽[7]都增加了與高壓側(cè)流體連通的下游泵送螺旋槽，它們的作用是將流體泵送到密封面上。

圖5 人字形螺旋槽

圖6 Y形螺旋槽

3 螺旋槽干氣機(jī)械密封的設(shè)計(jì)

3.1 一級(jí)密封的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

?

3.2 二級(jí)密封的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

?

3.3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖7 乙烯壓縮機(jī)用螺旋槽干氣機(jī)械密封裝配示意圖

4 泄漏量的主要影響因素

4.1 螺旋槽深度對(duì)泄漏量的影響

?

4.2 轉(zhuǎn)速對(duì)泄漏量的影響

?

4.3 密封介質(zhì)壓力對(duì)泄漏量的影響

?

上述試驗(yàn)的結(jié)果表明：干氣機(jī)械密封的泄漏量隨螺旋槽的深度、密封氣體的壓力、主軸轉(zhuǎn)速的增加而增加，螺旋槽的深度對(duì)密封的泄漏量影響最大，轉(zhuǎn)速的影響相對(duì)較小。二級(jí)密封的泄漏量約為一級(jí)密封的泄漏量的1/10。

5 裝置試運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

借公司壓縮機(jī)檢修之機(jī)，將設(shè)計(jì)制造的干氣機(jī)械密封安到了41C103壓縮機(jī)出口端，進(jìn)行裝置運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

該密封在裝置試運(yùn)轉(zhuǎn)已近一年，運(yùn)行情況始終非常平穩(wěn)，未見(jiàn)任何異常。

運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)的結(jié)果表明：該密封理論分析正確，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，密封運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、正常。在操作工況下，泄漏量滿(mǎn)足工藝要求，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到了進(jìn)口設(shè)備的水平。

6 結(jié)論

此干氣機(jī)械密封設(shè)計(jì)已經(jīng)基本達(dá)到國(guó)內(nèi)同行業(yè)設(shè)計(jì)水平，產(chǎn)品通過(guò)在乙烯壓縮機(jī)上的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試，其泄漏量滿(mǎn)足了工藝要求，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了進(jìn)口設(shè)備的水平，并且在降低能耗方面效果十分顯著，基本實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)和工藝介質(zhì)的零泄漏。

［1］顧永泉.流體動(dòng)密封[M].山東:石油大學(xué)出版社，1990：268-271.

［2］顧永泉.發(fā)展密封學(xué)，提高密封水平[R].中國(guó)工程學(xué)會(huì)流體工程學(xué)會(huì)第二屆年會(huì)大會(huì)報(bào)告，1988,12.

［3］顧永泉.機(jī)械端面密封[M].山東:石油大學(xué)出版社，1994，12.

［4］王建榮，顧永泉，陳弘.圓弧槽氣體潤(rùn)滑非接觸式機(jī)械密封性能研究[J].流體工程，1991，19(3):36-39.

［5］Ralph P.Gabriel.Fundamental of Spiral Groove Non-contacting Face Seal[J].L.E,1986，35(7):369-375.

［6］胡丹梅，吳宗祥.直線(xiàn)槽端面氣體密封分析計(jì)算[J]//石油化工設(shè)備密封技術(shù)文集：第七集.1994：32-41.

［7］Tom Lai.Development of Non-contact,No-Leaking Spiral Groove Liquid Face Seals[J].L.E.,50(8)：625-631.