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干气密封基础
一、基本概念
干气密封即“干运转气体密封”(Dry Running gas seals)是将开槽密封技术用于气体密封的一种新型轴端密封,属于非接触密封。其作用原理:当端面外侧开设有流体动压的动环旋转时,流体动压槽把外径侧(称之为上游侧)的高压隔离气体泵入密封端面之间,由外径至槽径处气膜压力逐渐增加,而自槽径至内径处气膜压力逐渐下降,因端面膜压增加使所形成的开启力大于作用在密封环上的闭合力,在摩擦副之间形成很薄的一层气膜从而使密封工作在非接触状态下。所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道,实现了密封介质的零泄漏或零逸出。
二、干气密封工作原理分析
  干气密封的一般设计形式是集装式,干气密封和普通平衡型机械密封相似,也由静环和动环组成,其中:静环由弹簧加载,并靠O型圈辅助密封。端面材料可采用碳化硅、氮化硅、硬质合金或石墨。
  干气密封与液体普通平衡型机械密封的区别在于:干气密封动环端面开有气体槽,气体槽深度仅有几微米,端面间必须有洁净的气体,以保证在两个端面之间形成一个稳定的气膜使密封端面完全分离。气膜厚度一般为几微米,这个稳定的气膜可以使密封端面间保持一定的密封间隙,间隙太大,密封效果变差;而间隙太小会使密封面发生接触,因干气密封的摩擦热不能散失,端面间无润滑接触将很快引起密封端面的变形,从而使密封失效。
  气体介质通过密封间隙时靠节流和阻塞的作用而被减压,从而实现气体介质的密封,几微米的密封间隙会使气体的泄漏率保持最小。
  动环密封面分为两个功能区(外区域和内区域)。气体进入密封间隙的外区域有空气动压槽,这些槽压缩进来的气体。为了获得必要的泵效应,动压槽必须被开在高压侧。密封间隙内的压力增加将保证即使在轴向载荷较大的情况下也将形成一个不被破坏的稳定气膜。
  干气密封无接触无磨损的运行操作是靠稳定的气膜来保证的,稳定的气膜是由密封墙的节流效应和所开动压槽的泵效应得到的。
  密封面的内区域(密封墙)是平面,靠它的节流效应限制了泄漏量。干气密封的弹簧力很小,主要目的是为了当密封不受压时确保密封面的闭合。
  选择干气密封时,决定性的判断是动环上所开动压槽的几何形状。对于压缩机的某些操作点,如启动和停车时,一套串联密封在低速或无压操作的情况下,旋转的动压槽必须在密封面之间产生一个合适的压力。此力靠特殊措施——三维的、弧形的槽来获得。
压缩机干气密封设计和使用为两种槽型:双向的(U形)和单向的(V形)槽型。两种槽型的特性见表1。
    反向运转 间隙(μm) 无压的情况下启离速度(m/s) 静止时,启离压力(MPa)
V形槽 单向 仅能短期的反向运转 3~10 0.6 ≥0.6
U形槽 双向 所有操作速度均可以 2~8 1.2 ≥0.6

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三、干气密封的特点
干气密封是一种新型的无接触轴封,由它来密封旋转机器中的气体或液体介质。与其它密封相比,干气密封具有泄漏量少,磨损小,寿命长,能耗低,操作简单可靠,维修量低,被密封的流体不受油污染等特点。
四、密封材料分析
1、端面材料
  干气密封的操作极限与密封各个元件的许用载荷有关。温度和压力极限由所用的辅助密封橡胶和端面材料决定。使用的端面材料对干气密封的工作起着决定性的作用。
端面材料对压缩机密封的操作影响很大。端面材料组对的选择与压力、轴径和转速有关(见表2 )。
材料组队 硬/软
 
硬/硬
 
   
静环 高硬度浸锑石墨Buko03
 
碳化硅表面喷涂金刚砂Buka251
 
   
动环 碳化硅Buka25
 
碳化硅表面喷涂金刚砂Buka251
 
   
硬对软材料组对仅被用于低压范围。
    博格曼干气密封的端面材料主要为碳化硅,碳化硅与其它材料相比在满足温度和压力的要求方面均显示出特殊的优势,又因密封间隙的几何形状受端面材料的压力和温度分布的影响,从表3材料的物理特性分析碳化硅做端面材料的优势最大。
  密度(kg/dm3)
 
E-模量(GPa)
 
导热系数(W/m*K)
 
热膨胀系数(10-6/K)
 
浸Sb石墨
 
2~2.5
 
20~40
 
7~12
 
4~5
 
WC(Ni)
 
14.5
 
600
 
80
 
4.8
 
SiC烧结
 
3.1
 
420
 
100~125
 
4
 
Si3N4
 
3.26
 
350
 
30
 
2.1
 
韧性材料
 
7~9
 
200~220
 
5~25
 
0~20
 
碳化硅的弹性模量(420GPa)较高保证了压力和温度的影响下密封面和辅助件的变形最小。因此,在所有操作期间,确保了密封间隙的稳定。碳化硅优良的热传导性(导热系数为100~125W/m.K)保证必要的热量消散,因此密封端面的温度分布也是均匀的。
  密封面采用硬对硬组对,为了在启动和停车时,增强偶然端面接触的自润滑性,博格曼干气密封在采用硬对硬材料组对时,碳化硅表面喷涂金刚砂-即DLC=diamond-like carbon。
2、辅助密封材料
辅助密封材料见表4。对于辅助密封最重要的特性是温度极限,挤压特性和压力相关的气吸现象。在气吸的环境,密封腔的压力突然下降将导致O型圈气体侧爆炸减压,因此引起橡胶圈的变形。为了消除气吸的损害,压力下降率应低于2MPa/min。
O型圈材质
博格曼代码
 
温度极限℃
 
硬度(Sh)
 
应用
 
 
DIN24960代码
 
       
氢化晴胶
HNBR
 
-40~+125(-54~+135)
 
75
 
乙烯
 
 
氟胶
 
-20~+200
 
75~90
 
 
空气、CO2、N2、氦和天然气
 
 
Fluoraz
 
-10~+240(275)
 
75
 
含H2S的气体
 
 
全氟橡胶
 
~+260(300)
 
65~90
 
高腐蚀和高温
 
 
3、弹簧和其他结构件
弹簧和其他结构件通常用铬钢、不锈钢、Mo2Ti不锈钢、沉淀硬化不锈钢和哈氏C-4等。

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五、基本结构及分析



   

1、单端面密封结构此结构可作为一种无泄漏结构选择, 此结构有一个可把泄漏引到一个适合的火炬或排气口接口。在这种情况下主要的泄漏与分离气一起被输送到火炬或排气口。如果输送的气体介质含有杂质, 介质必须被过滤后才能通过接口“A ”输送到密封腔。这样, 过滤的介质从密封腔流向叶轮侧, 从而阻止杂质从叶轮侧进入密封。2、串联密封结构串联结构是一种操作可靠性较高的干气密封结构。作为油和气工业的标准结构, 它是设计简单且仅需要一个相当简单的气体辅助系统。典型应用是介质气体少量泄漏到大气中是容许的工况。在串联结构中, 两个单封被前后放置形成两级密封。介质侧密封(主密封) 和大气侧密封(辅助密封) 能够承受全部压力差。在一般的操作中, 介质侧的密封承受了全部压差。介质侧密封和大气侧密封之间的泄漏可通过接口“C”引到火炬。大气侧密封所承受的压力与火炬压力相同, 因此介质泄漏到大气侧和到排气口的量几乎为零。此结构使用过程中, 当主密封失效时,辅助密封可作为安全密封, 保证介质不会泄漏到大气中。3、带中间迷宫的串联密封结构如果工艺介质不允许泄漏到大气中和缓冲气体不允许泄漏到工艺介质中, 此时串联结构的两级密封间可加迷宫密封。典型的应用是不允许介质泄漏到大气中, 如H2 压缩机, H2S 含量较高的天然气压缩机(酸气) , 和乙烯、丙烯压缩机。此种结构的密封工作时, 工艺气体的压力通过介质侧密封被降低。泄漏的工艺气体通过接口“C”排到火炬。大气侧密封通过接口“B”被缓冲气体(氮气或空气) 加压。缓冲气体的压力保证有连续的气流通过迷宫到火炬的出口。4.、双端面密封结构当没有火炬, 但具有可以提供合适压力的缓冲气体的时候,使用双端面密封结构。由于密封热量的产生,对于每一种工况,操作极限必须通过计算。此结构, 典型的应用是不允许介质泄漏到大气侧,主要用于石油化工行业和其他有害气体压缩机。双端面密封是一种有效地防止介质气体逃逸到周围环境中的密封结构。它包括供给缓冲气体,如氮气,在两道密封之间通过接口“B”加一个比介质压力高的缓冲气体( 一般缓冲气体的压力比介质压力高0. 2M Pa)。缓冲气体一部分泄漏到大气,另部分泄漏到介质中。六、干气密封制造质量要求  压缩机密封和它们的缓冲气系统产品由质量部严格控制。重要的材料和组件的试验被记录。这确保了密封及相应的缓冲气系统产品的质量恒定和操作的可靠性。
1、 标准检查计划  
干气密封和缓冲气系统的标准试验和检查属于标准检查计划。附加材料和组件试验也可以要求。
标准检查计划的要点为:  
对于关键性零件符合EN 10204/3.1B标准的材料证明  .
动环的速度试验(旋转试验)  .
动环的表面破裂试验  .
静压和动压功能试验  .
平衡符合平衡等级G2.5(标准)或G1.0。
2、 旋转试验  
在操作期间被加载的动环的抗拉应力因离心力而减少。金属材料制造保证材料的抗拉强度,但碳化硅制造和其他非金属端面材料将仅采用失效概率因子作为加载功能。  
每一个动环的强度都要试验,因此,在旋转试验中,旋转试验需要的速度为最大操作速度的1.225倍。试验压力为操作时压力的1.5倍。如果碳化硅环经住此试验,它就能保证组件能长时间承受工作载荷。
3、 功能试验  
压缩机密封总是由制造商进行静压和动压功能试验。试验是在比最高工况值高的情况下完成的。空气被用作试验介质。
4、 使用寿命  
无论是否特殊,压缩机密封的设计和材料选择经过计算来确保在连续操作的情况下密封的寿命至少为50000小时。在橡胶易老化的流程中它是可行的。
使用60个月后建议进行下面的维护:           
更换所有的橡胶件;  
更换弹簧;  
更换所有的动环和静环;  
在试验台上进行静压和动压试验。  
不管储存环境是否是理想的,如果密封被储存60个月或更长,橡胶件将必须被更换且在安装和操作前进行静压试验。事实上,建议储存24个月时就采取上述措施。
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七、干气密封系统
1工艺流程及说明:
(a) 氮气流程
氮气从氮气罐引出经粗滤器与精滤器,过滤精度达到1u后分为四路。两路前置密封气(缓冲气):一路经孔板进入高压端密封腔,另一路经孔板进入低压端密封腔。进入前置密封腔体内氮气主要是防止机体内介质气污染密封端面,用孔板控制氮气消耗量。两路主密封气:一路经流量计进入高压端主密封腔,另一路经流量计进入低压端主密封腔。压缩机运转时,依靠刻在动环上螺旋槽的泵送作用,打开密封端面并起润滑、冷却作用。一套主密封氮气正常消耗量≤1NM3/h。 
(b)  仪表风流程
仪表风从装置仪表风管网引出经过滤器,过滤到3u精度后,至干气密封柜,作为隔离气。两路后置密封气(隔离气):一路经孔板进入低压端后置密封腔,另一路经孔板进入高压端后置密封腔。进入后置密封腔体内仪表风主要是防止润滑油污染密封端面,用孔板控制仪表风消耗量。
2、报警联锁说明
主密封气与前置缓冲气压差正常值:≥0.3Mpa;低报:0.1Mpa;低低报:0.05Mpa。3、操作规程
干气密封投用:
(a)运行前要对管路进行彻底吹扫,防止管内焊渣等杂质进入密封腔,清洁腔体并将所有阀门关闭,处于待命状态。
(b)在机组油运前至少十分钟,必须先通后置隔离气,且在机组运行中不可中断,在机组进气前,投用缓冲气,当机组进气后,前置密封气压力应比平衡管处压力高0.05 Mpa。
(c)开机前必须投用主密封气。
干气密封停用:
(a)压缩机停车后需降低润滑油总管压力防止润滑油进入密封腔,造成密封损坏。(b)压缩机正常停车后,缓冲气及主密封气不能立即停用,须等机体内无压力后,且介质气置换完全后,才可停用。
(c)压缩机正常停车后,后置密封隔离气必须在润滑油循环停止十分钟后,才可关闭。
精密流量计投用:
投用顺序:流量计副线阀开—流量计下游阀开一流量计上游阀开一流量计副线阀关。
5、 日常操作要求
过滤器差压是测量粗过滤器与精过滤器是否堵塞,差压为60Kpa报警,此时需更换过滤器芯;更换前应先打开另一路过滤器前后的阀门,再关闭己堵过滤器前后的阀门,放空后既可更换。
6、 干气密封事故处理
停氮气:则干气密封停机联锁动作,按紧急停气压机组处理。
八、操作与使用
压力
    为了确定最大允许压力必须考虑与密封元件的挤压间隙和挤压特性相关的密封端面的变形。所有间隙必须被计算来排除在操作压力和操作温度下辅助密封元件的挤压。
   每一个气体密封的间隙情况必须根据有效的操作温度检查。
温度
    为了确定最大允许操作温度,不仅考虑被密封气体的使用温度也要考虑密封间隙间的涡流和摩擦所产生的热。这些热与密封的速度、压力、气体和密封设计结构有关。因此,在应用温度下,密封的每一个元件都应被计算。
    这些计算的温度应低于材料的特性温度,即密封元件的最大允许温度。
端面速度
    端面的最大滑移速度以端面材料允许作用的载荷为基础,计算的安全系数至少为1.5,允许靠离心力来减少张力。它们在旋转试验中检查。
    最大滑动速度数值根据用来计算的直径不同,每种制造也是不同的。动环的内径或外径和静环的动态的或气动的直径全是可能的。
    碳化硅动环外径的最大滑动速度可以达到200m/s。
一般操作范围
    压缩机气体密封的基本形式应用范围如下:
    公称直径 46~250mm
此直径指的是动环的内径(小于或大于此范围的公称直径也是可以的)。
    压力 2~10MPa(绝)(橡胶辅助密封) ;  >10~25MPa(绝)(非橡胶辅助密封)最大压力差与材料和公称直径有关。
    温度-20℃~+200℃(橡胶辅助密封)  ;-55℃~+250℃(非橡胶辅助密封)
    滑动速度 动环外径的最大速度Vg为200m/s。最大操作速度与滑动面的材料有关。
    允许的轴位移轴向:DN46~118   标准为±1.0mm
DN130~220   标准为±2.0mm
DN230~250   标准为±3.0mm
    特殊形式为:最大±4.0mm
    径向:DN46~250   标准为±0.6mm
1、 操作注意事项
①干气密封元件加工精度高,因此要求密封气体是清洁的,最大颗粒尺寸为5μm②防止密封面上带油或其它液体③单向的干气密封要严禁倒转,否则将干气密封失效甚至损坏,密封气的流量是干气密封运行工况好坏的晴雨表,流量稳定则说明干气密封运行情况良好。干气密封运行时如出现密封N2气流量渐渐增大,说明干气密封的工作元件出现了问题,这时要引起重视,具体情况具体分析.另外:安装单向干气密封时,一定要注意盘车的方向要与密封环旋转方向相同,而安装双向干气密封就没有这样的要求。
2、干气密封在使用过程中需要注意的问题:
干气密封作为离心压缩机的重要部件,对压缩机的平稳运行影响很大,在操作中要引起特别的注意。
1)  对密封介质的洁净度要求:杂质粒度≤3μm,温度≤40℃,含液量≤500ppm(w/w);
2)  密封气、隔离气要先于润滑油供应而后于润滑油切断,避免润滑油进入密封体内污染密封面,这种状况下运行极易造成密封面的损坏。
3)  严禁机组运转过程中保证密封气的供给,因为密封气的中断会导致密封面干磨,很短时间内密封就会烧坏,另外采用压缩机自身工艺气作为密封气时要注意密封气的脱液,防止液滴进入密封面破坏密封,还要注意压缩机工艺参数变化对密封的影响,不能保证密封气供给时及时投用辅助密封气。
4)  杜绝机组倒转,根据螺旋槽的设计方向,气体只有沿设计方向进入螺旋槽,密封面之间才能形成气膜,脱离接触;如果机组倒转,则会导致动静环直接接触发生干摩擦,密封很快烧毁。所以,操作上遇到机组突然停车时,要及时打开反飞动阀降背压,同时要迅速关掉机组出口阀,防止机组倒转。
5)  干气密封本身可靠性较高,但其连锁控制系统需要根据实际情况综合考虑,避免由于假信号引起机组连锁误动作。
6)  运行过程中要密切注意干气密封系统有关参数的变化,从中找出干气密封运行情况的变化。必要时调节可以干气密封一级放火炬排放线的针型阀调整密封排气压力。
7)  由于正常时干气密封泄漏量较小,基本为设计失效流量的1/5~1/8,而流量测量仪表是按照设计失效流量进行的选型,在低流量下存在较大的误差。