密封环挠性安装形式对干气密封动态追随性的影响
DOI: 10.16078/j.tribology.2017.02.001
密封环挠性安装形式对干气密封动态
追随性的影响
陈 源1
, 彭旭东1,2*
, 江锦波1
, 孟祥铠1,2
, 李纪云
1,2
(1. 浙江工业大学 机械工程学院, 浙江 杭州 310032;
2. 浙江工业大学 过程装备及其再制造教育部工程研究中心, 浙江 杭州 310032)
摘 要: 基于气体润滑理论, 并通过小扰动法建立了螺旋槽干气密封微扰膜压控制方程, 在高速高压条件下获得了气膜动态特性系数; 基于动力学相关知识, 在考虑转轴轴向振动的情况下, 利用气膜轴向动态刚度和阻尼系数分别求解了静环挠性安装、动环挠性安装和两环均挠性安装的干气密封挠性环运动方程. 在不同轴向激励振幅、激励频率、挠性环质量、弹簧刚度和辅助密封圈阻尼下分别研究了三种典型结构干气密封动态追随性并进行了对比分析.结果表明：当轴向激励频率较高或挠性环质量较大时, 静环挠性安装干气密封在刚受到外界激励时膜厚突变相对严重, 动态追随性较差; 在轴向激励频率较低且挠性环质量较小时, 静环挠性安装干气密封相比动环挠性安装干气密封表现出更好的动态追随性; 在三种密封环挠性安装形式中, 两环均挠性安装干气密封动态追随性最好, 且具有绝对优势.
关键词: 高速高压; 干气密封; 密封环挠性安装形式; 动态特性中图分类号: TB42
文献标志码: A
文章编号: 1004-0595(2017)02–0139–09
The Influence of Flexibly Mounted Ways of Seal Rings on
Dynamic Tracking of Dry Gas Seal
CHEN Yuan 1
, PENG Xudong 1,2*
, JIANG Jinbo 1
, MENG Xiangkai 1,2
, LI Jiyun
1,2
(1. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Zhejiang Hangzhou 310032, China 2. The MOE Engineering Research Center of Process Equipment and Its Remanufacture, Zhejiang University of
Technology, Zhejiang Hangzhou 310032, China )Abstract : The perturbation film pressure governing equations of spiral groove dry gas seal are presented by perturbation method based on gas lubrication theories, and the dynamic force coefficients of gas film are got in the condition of high-speed and high-pressure. The motion equations of flexibly mounted rings of the flexibly mounted stator, the flexibly mounted rotor, the flexibly mounted stator and rotor dry gas seals are solved by using the dynamic stiffness and damping of gas film when the axial vibration is taken into consideration. The dynamic tracking property of the three typical configurations is analyzed under the different excitation amplitude, excitation frequency, flexibly mounted ring’s mass,spring stiffness and auxiliary seal damping. The results show that the higher excitation frequency or the larger flexibly
第 37 卷 第 2 期摩 擦 学 学 报
Vol 37 No 22017 年 3 月
Tribology
Mar, 2017
Received 10 October 2016, revised 26 November 2016, accepted 8 December 2016, available online 28 March 2017.*Corresponding author. E-mail: xdpeng@https://www.docsj.com/doc/fe14147104.html,, Tel: +86-138********.
The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (51575490)，the National Key Basic Research Program of China (973) (2014CB046404)，the Natural Science Key Foundation of Zhejiang Province, China (LZ15E050002) and the Natural Science Youth Foundation of Zhejiang Province, China (LQ17E050008).
国家基金面上项目(51575490)、国家重点基础研究发展规划项目(973)(2014CB046404)、浙江省自然科学基金重点项目(LZ15E050002)和浙江省自然科学基金青年基金(LQ17E050008)资助.
mounted ring’s mass can lead to dramatic change of film thickness disturbance of the flexibly mounted stator dry gas seal which means that the dynamic tracking property is bad. When the excitation frequency is lower or the flexibly mounted ring’s mass is smaller, the dynamic tracking property of the flexibly mounted stator dry gas seal is better than the dry gas seal of which rotor is flexibly mounted. In the three typical configurations, the flexibly mounted stator and rotor dry gas seal have the best dynamic tracking property under various conditions.
Key words: high-speed and high-pressure; dry gas seal; flexibly mounted ways of seal rings; dynamic property
随着现代工业的快速发展，高参数干气密封(Dry gas seal，缩写为DGS)的使用日益增多[1]. 为保证DGS能更好地适应发展需求，近年来，国内外学者在稳态条件下对高参数DGS开展了多方面的研究，包括型槽结构及其参数优化[2–5]、端面变形研究[6]、密封特性分析[7]，丰富了高参数DGS的设计理论. 但是，在高速条件下，转轴轴向振动加剧，受其影响，DGS的动力学性能将直接决定机组的运行可靠性和密封性，因此，研究高参数DGS动力学问题具有重要理论价值和实际意义. 目前，高参数DGS一般采用弹簧作为补偿环(即挠性环)的推力元件，无论挠性环是用作静环还是用作动环，将对高参数DGS动力学性能产生重要影响[8]，而有关研究鲜见报道.
目前，较为典型的机械密封挠性环结构形式包括静环挠性安装(FMS)、动环挠性安装(FMR)和动静环均挠性安装(FMSR). 其中FMS是工程中应用最广泛的密封结构，在机械密封动力学研究领域中，关于FMS机械密封动态特性的研究也最为普遍. 早在20世纪80年代，Etsion等[9–12]就对非接触式FMS机械密封进行了动力学分析，推导并求解了挠性静环运动方程，研究了密封的稳定性以及静环的瞬态响应规律. 其后的几年中，Green等[13–14]又通过数值法求解了挠性安装环运动方程并系统分析了密封转速、弹簧刚度和辅助密封圈阻尼等参数对FMS机械密封最小密封环间隙及静环章动的影响规律. 之后，Ruan[15]、Miller等[16]、Yelma等[17]、Zhang等[18]和Chen等[19]又陆续对FMS机械密封的动态追随性开展了系统研究.
对另外两种挠性密封环结构机械密封的动力学规律开展研究，主要是Green等人. Green[21–23]建立了非接触式FMR机械密封挠性动环的运动方程，并通过一系列数学推导最终获得了FMR机械密封的失稳判据，同时还通过理论证实了在高速工况并考虑密封环不对中等情况下FMR机械密封比FMS机械密封动态稳定性更好. 随着航空航天技术和高速透平技术的发展，FMSR结构机械密封开始得到应用[24]. 20世纪90年代，Wileman和Green[24–26]首先开展了FMSR机械密封的动力学研究，建立并求解了挠性环运动方程，获得了密封环的动态响应规律. 随后，Wileman[26]在以前的工作基础上又进一步研究了偏心FMSR机械密封的动态响应规律.
虽然国际上关于三种典型挠性环结构机械密封的动力学研究已有不少，但是关于三种机械密封特别是涉及高参数DGS的动力学性能对比研究却鲜见报道. 因此，本文作者在考虑转轴轴向振动情况下，重点研究高速高压工况下轴向激励振幅、激励频率、挠性环质量、弹簧刚度和辅助密封圈阻尼对三种典型挠性环结构螺旋槽干气密封(S-DGS)动态追随性的影响并进行对比分析，以期为高参数DGS的动态优化设计提供理论依据.
1 计算模型
1.1 物理模型
图1分别为FMS、FMR和FMSR三种挠性环结构S-DGS的截面图. 图2为S-DGS的螺旋槽几何模型. 当动环高速旋转时，在螺旋槽的作用下密封端面间产生的气体动压将使密封端面打开并形成一层微米级厚度的气膜，在稳态条件下膜厚被视为稳定不变，但在实际运行中，由于动环的轴向振动，膜厚往往会发生变化，而膜厚变化过大将会造成密封因泄漏过大或端面碰磨而失效. 图3所示分别为FMS、FMR和FMSR三种结构S-DGS的运动学分析模型，在密封的动态追随性分析中，气膜被视为具有一定刚度和阻尼特性的弹簧-阻尼系统.
1.2 数学模型
假设S-DGS端面间为理想气体，且为层流流动，忽略离心力和惯性力的作用，不考虑端面变形的影响，则在柱坐标下的瞬态雷诺方程为
稳态雷诺方程为
利用瞬态雷诺方程(1)和稳态雷诺方程(2)并运用小扰动法推导出微扰雷诺方程(推导过程见文献[27])，
140摩擦学学报第 37 卷
并引入无量纲变量如下：
其中：p 0为密封端面的稳态气膜压力；p z 为端面上沿z 轴方向的微扰气膜压力；p i 为密封环内径处压力；h b 为非槽区平衡膜厚；h 0为端面上任意一点的平衡膜
厚；μ为气体动力黏度；Ω为轴转动角速度；ω为激励角频率；
r i 为静环内半径.
则无量纲稳态雷诺方程和无量纲微扰雷诺方程组的表达式分别如式(3)和式(4a~4b)所示：
方程(3)和方程组(4a~4b)的边界条件为
1) 密封内外径轮廓边界处，有
Fig. 1 Schematic cross sectional drawing of three types of S-DGSs with different flexibly mounted rings
图 1 三种典型结构S-DGS 截面图
Fig. 2 Spiral groove geometry
图 2 螺旋槽几何模型
Fig. 3 S-DGS kinematics model of three kinds of typical structures
图 3 三种典型结构S-DGS 运动学模型
第 2 期陈源, 等: 密封环挠性安装形式对干气密封动态追随性的影响141
2) 周期性边界条件
r o 为静环外半径，p o
为密封环外径处的密封介质压力，在给定的边界条件下联立求解方程(3)和(4)，获得无量纲微扰气膜压力分布，然后求解无量纲气膜轴向动态刚度K zz 和阻尼系数C zz ，如下式所示：
则有量纲气膜轴向动态刚度
k zz 和阻尼系数c zz 分别为
在弹簧、辅助密封圈、气膜力及转轴轴向激励的作用下，FMS 、FMR 和FMSR 三种不同结构S-DGS 挠性环将沿轴向运动.
对FMS 结构，挠性环运动表达式为
式(7)中，m 1为静环质量，z 1为静环响应运动，z r 1为轴系轴向激励运动，c 1为作用在静环上的辅助密封圈阻尼，k 1为作用在静环上的弹簧刚度.
对FMR
结构，挠性环运动表达式为
式(8)中，m 2为动环质量，z 2为动环响应运动，z r 2为轴系轴向激励运动，c 2为作用在动环上的辅助密封圈阻尼，k 2为作用在动环上的弹簧刚度.
对FMSR 结构，挠性环运动表达式为
式(9)中，m 3r 为动环质量，m 3s 为静环质量，z 3r 为动环响应运动，z 3s 为静环响应运动，z r 3为轴系轴向激励运动，c 3r 为作用在动环上的辅助密封圈阻尼，c 3s 为作用在静环上的辅助密封圈阻尼，k 3r 为作用在动环上的弹簧刚度，
k 3s 为作用在静环上的弹簧刚度.
为保证三种不同挠性环结构S-DGS 的动态追随性在同一基准下进行对比研究，令m 1=m 2=m 3r =m 3s =m ，z r 1=z r 2=z r 3=z r ，c 1=c 2=c 3r =c 3s =c ，k 1=k 2=k 3r =k 3s =k
.
不失一般性，假定S-DGS 所在轴系引入呈三角函数变化的激励形式，令z r =A rz sin ωt .
三种不同挠性环结构S-DGS 的挠性环运动初始条件分别为
三种结构S-DGS 的膜厚扰动分别采用式(11)计算：
2 结果分析与讨论
本文中选取以下结构参数和操作参数作为基本计算参数(其中螺旋槽基本结构参数的选取参考文献[28]).
(1) 结构参数：静环内半径r i =58.42 mm ，外半径r o =77.78 mm ；槽数N g =12；槽台宽比κ=1；槽坝比δ=1；螺旋角φ=15°；槽深h g =5 μm ；非槽区的平衡膜厚h b =3 μm ；静环质量m =1 kg ；弹簧刚度k =1×107
N/m ；辅助密封圈阻尼c =2×103
N·s/m.
(2) 操作参数：密封环内径处压力p i =0.101 MPa ，
外径处压力p o =10.1 MPa ；密封介质为氮气，其黏度μ=1.973×10–5
Pa·s ；压缩数Λ=700(折合端面平均线速度为107.3 m/s ，较接近高速干气密封极限端面平均线速度100 m/s)；激励频率比Г=1；轴向激励振幅A rz =20 μm.
下面分别分析操作参数和结构参数对三种不同挠性环结构S-DGS 动态追随性的影响，其中，除特别说明外，其他参数均保持不变.
2.1 操作参数的影响2.1.1 轴向激励振幅A rz 的影响
图4(a ~c)分别示出了不同轴向激励振幅A r z 下
FMS 、FMR 和FMSR 三种结构S-DGS 的膜厚扰动随时间的变化曲线，其中膜厚扰动为负值代表膜厚减小，为正值代表膜厚增大. 可以看出：FMS 结构S-DGS 在刚受到轴向激励作用的一段时间内膜厚扰动明显存在突变过程，而FMR 和FMSR 结构S-DGS 的膜厚扰动变化较平缓，这是因为FMR 和FMSR 两种结构S-DGS 的挠性环与轴系之间直接由弹簧和辅助密封圈支撑，对轴系激励存在缓冲作用，从而避免了膜厚突变；之后三者均呈现出周期性变化规律，且膜厚扰动随A rz 的增大而增大.
图4(d)示出了三种结构S-DGS 膜厚扰动峰值|Δz |max 随A rz 的变化曲线. 从图中可以看出，三种结构S-DGS 的|Δz |max 随A rz 的增大呈现线性增大的变化趋势.
142摩 擦 学 学 报第 37 卷
在此工况条件下，FMR 结构S-DGS 的|Δz |max 最大，其次是FMS ，FMSR 最小，这说明此时FMS 结构S-DGS 的动态追随性要优于FMR 结构S-DGS ，而FMSR 结构S-DGS 动态追随性最好，这是因为FMSR 结构的密封动环和静环均有弹簧和辅助密封圈支撑，一方面，避免了轴系振动对气膜的直接作用，削弱了激励振动对气膜的影响；另一方面，由于弹簧刚度和辅助密封圈阻尼远小于气膜轴向动态刚度和阻尼，因此在受到轴系激励力的作用后，主要由支撑动、静环的弹簧和辅助密封圈通过压缩和剪切变形的形式蓄能以缓冲振动，从而有效减小了膜厚的变化.2.1.2 激励频率比Г的影响
图5(a ~c)分别示出了不同激励频率比Г下FMS 、FMR 和FMSR 三种结构S-DGS 的膜厚扰动随时间的变化曲线，图5(d)示出了三种结构S-DGS 的膜厚扰动峰值|Δz |max 随激励频率比Г的变化曲线. 可以看出：受轴系激励作用一段时间后三种结构S-DGS 膜厚扰动均开始呈现周期性变化规律；FMS 结构S-DGS 的膜厚扰动受激励频率比Г的影响较大，不论膜厚扰动在突变阶段还是在周期性变化阶段其幅值均随Г的增大而急
剧增大；而FMR 和FMSR 结构S-DGS 的膜厚扰动不存在突变，且相对于FMS 结构S-DGS 其膜厚扰动受Г的影响较小、|Δz |max 随Г的增大呈现先减小后增大的变化趋势；当Г稍增大后，FMR 结构S-DGS 的|Δz |max 开始小于FMS 结构S-DGS ，此时FMR 结构S-DGS 动态追随性开始优于FMS 结构S-DGS ，且Г越大，优势越明显，而FMSR 结构S-DGS 的动态追随性相比FMS 和FMR 结构S-DGS 一直保持绝对优势.
2.2 结构参数的影响2.2.1 挠性安装环质量m 的影响
图6(a ~c)分别示出了不同挠性安装环质量m 下FMS 、FMR 和FMSR 三种结构S-DGS 的膜厚扰动随时间的变化曲线. 可以看出：在m 的研究范围内，不论m 多大，受到轴系激励作用一段时间后FMS 结构S-DGS 膜厚扰动将呈现周期性变化规律，而另外两种结构从开始便基本呈现出周期性变化规律；FMS 结构S-DGS 的膜厚扰动受挠性环质量m 的影响较大，在膜厚突变阶段，膜厚扰动幅值随m 的增大而增大，在膜厚周期性变化阶段，膜厚扰动幅值随m 的增大而呈现出先减小后增大的变化趋势；而FMR 和FMSR 结构
S-
Fig. 4 Gas film thickness disturbance change with A rz
图 4 轴向激励振幅A rz 对膜厚扰动的影响
第 2 期陈源, 等: 密封环挠性安装形式对干气密封动态追随性的影响143
DGS 的膜厚扰动不受m 的影响，因此在这两种结构S-DGS 的动力学优化设计中完全可忽略惯性力的影响.
图6(d)示出了三种结构S-DGS 膜厚扰动峰值|Δz |max 随挠性环质量m 的变化曲线. 可以看出：FMS 结构S-DGS 的|Δz |max 随m 的增大先略微减小后急剧增大，这是因为在此工况下当m <1kg 时，膜厚突变阶段的幅值小于膜厚呈周期性变化阶段的幅值；当挠性环质量较大时，FMR 和FMSR 结构S-DGS 动态追随性明显优于FMS 结构S-DGS ，那么在挠性环需采用如硬质合金这类密度较大的材料或挠性环轴向尺度较大时，可优先采用FMR 和FMSR 结构的S-DGS.2.2.2 弹簧刚度k 的影响
图7(a ~c)分别示出了不同弹簧刚度k 下FMS 、FMR 和FMSR 三种结构S-DGS 的膜厚扰动随时间的变化曲线，图7(d)示出了三种结构S-DGS 膜厚扰动峰值|Δz |max 随弹簧刚度k 的变化曲线. 可以看出：FMS 结构S-DGS 的膜厚扰动在突变阶段的幅值不受k 的影响，在膜厚扰动呈周期性变化阶段，三种结构S-DGS 膜厚扰动幅值均随k 的增大而增大；当k <1×107
N/m 时，FMS 结构S-DGS 的|Δz |max 不随k 变化，这是因为膜厚扰动在突变阶段的幅值要大于周期性变化阶段的幅值，而膜厚
扰动在突变阶段的幅值主要受气膜动态刚度和阻尼的影响，弹簧刚度的变化对其影响不大，此时弹簧对膜厚扰动的影响程度不及气膜的作用，因此在k <1×107
N/m 时，弹簧刚度的设计对提高密封动态稳定性并无实际意义；随着k 的增大，FMS 结构S-DGS 的动态追随性将略优于FMR 结构S-DGS ，且当k >1×107
N/m 时，两者的|Δz |max 随k 的增大呈现出线性增大的变化趋势，对于FMS 结构的S-DGS 而言，此时膜厚扰动在周期性变化阶段的幅值要大于突变阶段的幅值，弹簧对膜厚扰动的作用开始强于气膜，因此在k >1×107
N/m 时，通过设计弹簧刚度来减小膜厚扰动是保障密封稳定运行的有效举措；在本文中k 的研究范围内不论k 取多大值，FMSR 结构S-DGS 的动态追随性始终最好. 不论S-DGS 采用哪种挠性环结构，保持推力元件的弹簧刚度在一个合适值范围均有利于其动态追随性，因此设计或使用S-DGS 时选择合适弹簧刚度具有重要意义.2.2.3 辅助密封圈阻尼c 的影响
图8(a ~c)分别示出了不同辅助密封圈阻尼c 下FMS 、FMR 和FMSR 三种结构S-DGS 的膜厚扰动随时间的变化曲线，图8(d)示出了三种结构S-DGS 膜厚扰动峰值|Δz |max 随辅助密封圈阻尼c 的变化曲线.
可以看
Fig. 5 Gas film thickness disturbance change with Γ
图 5 激励频率比Γ对膜厚扰动的影响
144摩 擦 学 学 报第 37 卷
Fig. 6 Gas film thickness disturbance change with m
图 6 挠性环质量m
对膜厚扰动的影响
Fig. 7 Gas film thickness disturbance change with k
图 7 k 对膜厚扰动的影响
第 2 期陈源, 等: 密封环挠性安装形式对干气密封动态追随性的影响145
出：三种结构S-DGS 的膜厚扰动随c 的增大而增大. 当c 较小时，FMS 结构S-DGS 的膜厚扰动存在一定的突变且突变幅值不受c 的影响；当c 较大时，膜厚扰动的突变可忽略不计. c 越大，FMS 和FMR 结构S-DGS 的|Δz |max 之间差距越小，但与FMSR 结构S-DGS 相比差距就越大，因此FMSR 结构S-DGS 相比FMS 和FMR 结构S-DGS 其动态追随性优势随c 的增大而变得更明显.
3 结论
a. 轴向激励振幅A rz 、弹簧刚度k 和辅助密封圈阻尼c 对三种典型结构S-DGS 均会产生较大影响；采取有效的防振措施严格控制轴系激励振幅，在保证密封性能的同时尽可能地减小弹簧刚度k 和辅助密封圈阻尼c 均可有效提高密封的动态追随性.
b. 相比其他两种结构的S-DGS ，激励频率比Г和挠性安装环质量m 对FMS 结构的S-DGS 的膜厚扰动有明显影响；且保证Г小于2、m 在0.8~12 kg 之间时，FMS 结构的S-DGS 具有较好的动态追随性.
c. FMR 和FMSR 结构的S-DGS 由于挠性环与轴系之间直接通过弹簧和辅助密封圈支撑，对轴系振动可起到一定的缓冲作用，避免了膜厚的突变，因此相比
FMS 结构的S-DGS 、FMR 和FMSR 结构的S-DGS 更能适应外界激励存在突变或脉冲的情况.
d. 在保证三种结构S-DGS 的挠性安装环质量、弹簧刚度、辅助密封圈阻尼和振动激励形式一致的情况下，FMSR 结构S-DGS 相比另外两种结构S-DGS 表现出更优越的动态追随性.
参 考 文 献
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图 8 c 对膜厚扰动的影响
146摩 擦 学 学 报第 37 卷
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[28]第 2 期陈源, 等: 密封环挠性安装形式对干气密封动态追随性的影响
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干气密封基本原理及投用步骤Word版
１、干气密封基本原理 干气密封动静环表面平面度和光洁度很高，动环组件配合表面上有一系列的螺旋槽，随着转动，气体被内泵送到螺旋槽的根部，根部以外的一段无槽区称为密封坝。密封坝对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。该密封坝的内侧还有一系列的反向螺旋槽，这些反向螺旋槽起着反向泵送、改善配合表面压力分布的作用，从而加大开启静环与动环组件的能力。反向螺旋槽的内侧还有一段密封坝，对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。配合表面间的压力使静环表面与动环组件脱离，保持一个很小的间隙，一般为3微米左右。当由气体压力和弹簧力产生的闭合压力与气体膜的开启压力相等时，便建立了稳定的平衡间隙。 ２、干气密封投用步骤 注意事项：ａ、严禁在不投用干气密封的情况下，打开压缩机的出入口阀。 ｂ、干气密封应依次投用一级密封气，二级密封气，后置隔离气。 ｃ、严禁在不投用干气密封的情况下，启动压缩机润滑油泵。 ｄ、必须确保排放火炬和放空的背压小于进入干气密封的密封气 压力。 ｅ、在开机后应尽量避免在干气密封在低于3000转以下长时间 运行。 ｆ、严禁在增压泵活塞杆漏气大于50KPａ的情况下启动增压泵。 步骤：干气密封系统安装后，在一级，二级，后置隔离气入口法兰端口处接上洁净的仪表风或低压氮气连续吹扫4～6小时以上，直到用细纱漂白布贴近六个出口吹扫5分钟以上，用眼仔细观察确无灰尘、油污、水分等杂质为合格。吹扫干净后关闭所有阀门，处于待命状态。 打开系统所有常开取压阀，投用现场压力表、变送器、压力开关，液位计等并检查各管线，活接头连接情况。 打开低压N气去干气密封系统阀门，充分脱液后进行氮气置换，时间为
四小时，并通过一级密封气和平衡管差压控制阀 调节一级密封高低压端流量不低于１１７Nm3/h（柴油不低于２５０Nm3/h） 二级密封高低压端流量不低于２．９Nm3/h（柴油不低于６．５Nm3/h）排放火炬流量７－１１Nm3/h,（柴油５－８Nm3/h），并通过自力调节阀使阀后压力不低于0.185MPａ（柴油0.1 MPａ） 后置隔离气高低压端,流量不低于42.81 Nm3/h，（柴油15 Nm3/h），并通过自力调节阀使阀后压力不低于0.068MPａ（柴油不低于0.01 MPａ）。待一级密封气高低压流量表为0时，打开压缩机底部排液阀进行置换并气密。在此换过程中
干气密封操作规程
干气密封操作规程 干气密封作为精密，贵重的设备附件，操作过程中，必须加强责任心，并精心操作方能使其处于完好状态。采用自产保护氮气操作注意事项如下 一、干气密封说明 二、操作细则 1.启动前先确认干气机械密封氮气瓶压力必须满足≥ 2.0MPa，同时备用氮气钢 瓶应当是满瓶。 2.检查氮气钢瓶减压阀是否完好，氮气密封气连接管线是否完好无泄漏。 3.检查氮气仪表箱内的压力表，流量计，调节阀是否完好。 4.启动循环泵前将氮气控制箱内压力调节阀压力调至0.7MPa之间，同时将氮 气钢瓶出口压力表与氮气控制箱内的调节阀后压力表进行对比，如偏差较大应进行校对或更换新表。 5.检查并确认氮气流量计后端的压力表是否完好，指示读数是否准确，同时再 与压力调节阀上的压力表进行对比，并定期进行校验。 6.调节氨气控制箱内的流量计调节阀，确保保护气流量充足，（理论上轴径小 于25mm的单端面干气密封的保护气流量应小于0.5~1.33L/min(0.03~0.08m 3/h)氮气不能过小，将会造成免气气量不足，分不开密封端面，造成密封端面损坏;密封气流量也不要过大，以免泵运行起来后造成进入系统的气量过多，形成气蚀现象或空管现象。 7.启动循环泵之前，开启10分钟干气密封氮气。（目的，确保干气密封的密封 面被气压吹起分离，防止密封面磨损），再向泵内灌料，让泵内先充满物料，打开自循环阀门，再启动泵，待泵运行稳定后，再开M702进料泵，并慢慢关闭自循环阀门。 8.泵密封气电接点压力开关已经设定在0.5MPa，如果系统氮气压力低于 0.5MPa，循环泵P704将自行停泵，压力高于0.5MPa时，才可以接通压力开 1
干气密封拆装方法浅析
干气密封拆装方法浅析 樊鹏德 摘要：本文阐述了干气密封的工作原理及其在煤化工装置中的应用，重点对干气密封的拆卸和安装方 法进行了详细的说明，通过结合2014年烯烃丙烯装置烃压缩机组的检修，对干气密封的拆装方法进行总结 归纳，为以后的检修工作提供参考。 关键词：干气密封；动环；静环；螺旋槽 1.前言 离心压缩机广泛地用于煤化工装置的多种工艺流程中，离心压缩机由转子和静子两部分 组成，在动静部分之间存在间隙。为了防止工艺气体沿压缩机壳体与旋转轴之间的间隙外漏 至大气中，须采用各种轴端密封装置，阻止气体的泄露。干气密封是较为常用的轴端密封， 被应用于煤化工装置多台离心压缩机中，压缩机大修或中修时干气密封的拆装是一项关键的 工序。 2.干气密封工作原理 干气密封由旋转动环、静环、弹簧、密封圈、弹簧座和轴套组成，在旋转动环密封面 上加工出特殊形状的流体动压槽，如螺旋槽、圆弧槽、T形槽等，槽深一般在6 ～ 10μm 之间。表面进行研磨和抛光处理。干气密封内部结构如图1所示，动环图2所示，被固定在 旋转轴上，当压缩机轴旋转时动环也跟着一起旋转，此时动环端面上的螺旋槽将外径处的密 封气体吸入，沿着外沿向内运动。而密封坝节制气体流向中心，于是气体被压缩，压力升高， 在槽根处形成高压区。端面气膜压力形成开启力，静环密封端面被推开，流动的气体使动环 和静环之间形成一层很薄的气膜。气膜既能润滑密封表面还能阻止工艺气体泄漏。 图1.干气密封内部结构 图2.干气密封动环 图
干气密封稳定运转时，开启力与作用在补偿环背面的气体压力和弹簧力形成的闭合力平衡，密封保持非接触、无磨损运转。如果出现某些扰动因素使密封间隙减小，此时由螺旋槽产生的气膜压力将增大，引起开启力增大，而闭合力不变，密封间隙将增大，直到恢复平衡为止；反之，如果出现某些扰动因素使密封间隙增大，此时由螺旋槽产生的气膜压力将减小，引起开启力减小，而闭合力不变，密封间隙将减小，密封将很快再次恢复平衡，如此周而复始运行，受力变化如图3所示。干气密封的这种抵抗气膜间隙变化的能力称之为气膜刚度。 图3.干气密封动静环受力变化 3.干气密封的应用 干气密封被广泛应用于石油化工行业的大型离心压缩机中，煤化工装置的多台离心压缩机中都使用干气密封，如合成气压缩机、丙烯压缩机，烃压缩机，脱乙烷塔压缩机等。丙烯装置烃压缩机组高、低压缸采用由 John Grane制造的两级串联干气密封，2010年8月投入使用，至2014年5月运行达到45个月，未出现任何异常。2014年5月对高、低压缸干气密封进行下线检查，各干气密封外观检查完好。之后，高压缸更换备用干气密封，低压缸的干气密封继续使用，安装后高、低压缸4台干气密封均试车运行正常。
干气密封的特性及主要工作原理
干气密封的特性及主要工作原理 一、干气密封概述 早在20世纪60年代末期，奠定在气体动压轴承应用的基础上，干气密封发展起来，并成为一种全新的非接触式密封。该密封利用流体动力学原理，通过在密封端面上开设动压槽而实现密封端面的非接触性运行。最初，采用干气密封形式，主要为了改善高速离心压缩机的轴封问题。由于密封采取非接触性的运行方式，因此其密封的摩擦副材料基本不会受到PV值的任何影响，尤其在高压设备、高速设备中应用，具有良好前景。随着我国密封技术的飞速发展，再加上干气密封的广泛应用，彻底解决了困扰高速离心压缩机运行中的轴封问题，密封使用寿命及性能都得到了很大提高，为机组稳定，长周期运行提供了保证，因此该技术的应用范围进一步扩大，凡使用机械密封的场合均可采用干气密封。 干气密封图 二、干气密封与机械密封性能比较
机械密封是一种传统的密封型式，其特点是密封结构简单，技术成熟，加工精度要求不太高。其缺点是泄漏率高，故障频发。 干气密封是目前最先进的一种非接触密封型式，与传统的机械密封形式相比较，采用干气密封技术，主要具备以下优势： 1)采用干气密封技术，可有效提高密封的质量与使用时间，确保设备安全、可靠、稳定运行。 2)采用干气密封技术，能源消耗较小。 3)干气密封技术应用到的辅助系统较为可靠，操作简单，在使用过程中不需要任何维护手段。 4)采用干气密封技术，泄漏量较少，应用效果良好。 三、干气密封工作原理 一般来讲，典型的干气密封技术，包含了静环、动环(旋转环)、副密封O 形圈、静密封、弹簧和弹簧座等。静环位于弹簧座内，用副密封O形圈密封。弹簧在密封无负荷状态下使静环与固定在轴上动环(旋转环)配合。 这类密封与机械密封的区别在于，它是一种气膜润滑的流体动、静压相结合的非接触式机械密封。动环与静环配合表面具有很高的平面度和光洁度，通常在动环表面上加工有一系列的特种槽。随着转动，气体被向内泵送到槽的根部，根部以外的无槽区称为密封坝。密封坝对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。配合表面之间产生的压力，使静环表面与动环脱离，保持一个很小的间隙。当由气体压力和弹簧力产生的闭合压力与气体膜的开启压力相等时，便建立了稳定的平衡间隙。在有效确保动力平衡的基础上，密封中产生的作用力状况。 闭合力Fc，即弹簧力与气体压力之间的总和。其中，开启力Fo通过端面之间分布的压力，对端面的面积形成积分。在平衡状态下，Fc=Fo;其中运行的间隙约3微米。如果由于受到干扰作用，造成密封的间隙逐渐降低，此时端面之间的压力就会有所升高，此时Fc>Fo，端面之间的间隙也会有所降低，则密封就会达到一种全新平衡状态。通过该机制的运行，可在动环组件与静环组件之间形成较
干气密封的工作原理和特点
干气密封的工作原理和特点 干气密封是一种新型的非接触式轴封。干气密封在结构上与普通的机械密封基本相同，重要的区别在于干气密封其中的一个密封环上面加工有均匀分布的流体动压槽。运转时进入槽中的气体受到压缩，在密封环之间形成局部的高压区，使密封面开启，从而能在非接触状态下实现密封。 干气密封与普通的机械密封相比主要有以下的优点： （1）省去了普通密封油系统以及用于驱动密封油系统运转的附加功率负荷。 （2）大大减小了计划外维修费用和生产停车。 （3）避免了工艺气体被油污染的可能性。 （4）密封气体泄漏量小。 （5）维护费用低，经济实用性好。 （6）密封驱动功率消耗小。 （7）密封寿命长，运行可靠。 该压缩机采用的是GCTL01/L99型带中间迷宫的串联式干气密封，是干气密封中安全性、可靠性最高的一种结构。这种结构可保证工艺介质不会泄漏至大气环境中，同时可以保证干气密封引入的外部气源氮气不会漏入工艺介质中。 串联式干气密封相当于前后串联布置的两组单端面干气密封。第一级干气密封为主密封，基本上承受全部压差；第二级干气密封为辅助安全密封，正常运行时在很低的压力下工作，当第一级密封失效时，第二级密封可以迅速承受较大的压差，起到密封作用，同时可防止一级密封失效时工艺气体大量向大气环境中泄漏，保证机组安全停车。大气端的隔离密封可避免轴承箱中的润滑油汽进入干气密封区域，保证干气密封在洁净、干燥的环境中运行。 为了保证干气密封运行的可靠性，每套密封系统都配有与之相匹配的监测、控制系统，其作用是一方面为干气密封提供干净、干燥的气源。另一方面对干气密封的运行状况进行实时监测，使密封工作在最佳状态，当密封失效时系统能及时报警。监控系统对密封是否正常运行的监测主要是通过对泄漏气体的流量及相关压力的监测来进行的。
干气密封工作原理
干气密封工作原理及结构布置 山东省东营市油田分公司油气集输总厂东营压气站 王玉军 [摘 要]详尽阐述了干气密封的工作原理,端面结构。指出根据现场实际工况及环境保护法要求,可分别采用的三种 典型布置,以及干气密封在使用时的维护,为用户在干气密封选择上提供指导。[关键词]机械密封 干气密封 螺旋槽 零泄漏 零溢出 作为一种非接触式机械密封,干气密封以其使用寿命长、无泄漏、节能、环保、运行维护费用低等一系列技术优势,逐渐在石油、化工以及冶金等工业的大型离心式压缩机和转子泵上得到广泛应用[1-2]。本文主要论述了干气密封,特别是螺旋槽干气密封的工作原理,结构特征以及使用时的维护,可为用户在干气密封选择、使用及维护方面提供借鉴。 1、工作原理 干气密封是基于现代流体动压润滑理论的一种新型非接触式气膜密封。气膜密封动环或静环端面上通常开出微米级流槽,主要依靠端面相对运转产生的流体动压效应在两端面间形成流体动压力来平衡闭合力,实现密封端面非接触运转。工程实际中使用较为广泛的流槽形式有雷列台阶式、斜平面式和螺旋槽面式, 其中尤以螺旋槽面式密封性能最佳。 螺旋槽干气密封工作原理如图1所示。动环端面上开有螺旋槽,整个端面分为槽区、台区和坝区。槽区主要提供必需的流体动压力,坝区主要阻挡气体向内侧流动以实现气体被压缩形成动压效应,增大气膜刚度,还可在密封停车时起密封作用。干气密封工作原理为:当动环按图示逆时针方向旋转时,由于粘性作用气体以速度V 进入螺旋槽;速度V 可分解为垂直于螺旋槽速度和与螺旋槽相切速度,其中主要提供流体动压力,而气流以速度运动到坝区后被压缩体积减小压力升高使密封面打开,从而实现非接触运转。干气密封正常工作时,端面间气膜一方面提供开启力来平衡闭合力,另一方面可起润滑冷却作用,因而省去复杂的封油系统 。图示干气密封为泵入式(气体从上游向下游流动)结构。 理想设计工况下,密封端面气膜开启力等于闭合力(密封介 质压力和弹簧力)。若密封受到外界扰动端面间隙减小,则流体动压效应增强,开启力大于闭合力,密封增大间隙重新恢复原来工作状态;反之,如果在外界干扰下间隙增大,则流体动压效果减弱,开启力小于闭合力,密封减小间隙并恢复到设计工作状态。如果设计合理,密封受到外界扰动可以自行恢复到原来工作状态,可见螺旋槽干气密封对外界扰动不敏感。 2、典型端面 近年来,国内外学者对螺旋槽干气密封端面结构形式作了 大量研究工作,以期能从结构形式改变来改善密封性能,其研究主要集中于如图2所示的螺旋槽及其组合结构形式[3-4]。 图2中黑色部分为螺旋槽。图2a 为外径侧开槽泵入式结构,当密封环逆时针旋转时,外径侧高压阻塞气体被泵入到端面间并形成一层稳定气膜从而使端面分离,阻塞气体既可润滑密封表面,又可防止工艺气体向外径侧泄漏。 图2b 为内径侧开槽泵出式结构,当端面顺时针旋转时,端面螺旋槽像一个个小容积泵一样,可将内径低压流体泵送到外径高压侧,从而实现工艺流体零泄漏或零逸出。 图2c 与图2a 不同之处在于密封坝上设置均匀分布的节流孔。节流孔可以将开槽环背面高压流体引入密封端面间,利用高压流体在密封端面间形成的静压效应提高端面气膜承载能力并增大气膜刚度。 图2d 所示密封环中间开槽,内外径侧均设置密封坝。其特点是可以实现端面双向旋转:当密封环顺时针旋转时就像图2b 所示螺旋槽泵出式结构,而当密封环逆时针旋转时就如图2a 中所示螺旋槽泵入式结构。内外径侧密封坝既可减少工艺气体泄漏,又可增大气膜刚度。 此外,还有Y 形槽和人字形槽等组合结构以及内外径开槽中间设置密封坝等多种结构形式。通常,通过在密封端面设计不同形式流槽以期改善端面流体流动状况,增强气体动压效应,促进端面热循环,保证密封动力学稳定性及挠性安装环具有良好追随性,从而获得性能优越并能适应特殊工况的密封端面结构。 3、结构布置 螺旋槽干气密封结构布置主要取决于密封工况条件(包括被密封气体组分、压力、温度,轴的转速等)、安全性以及环保要 — 072—
干气密封基本原理及使用分析
压缩机干气密封基本原理及使用分析 一、引言 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。因此，在压缩机应用领域，干气密封正逐渐替代浮环密封、迷宫密封和油润滑机械密封。干气密封使用的可靠性和经济性已经被许多工程应用实例所证实。 目前，干气密封主要用在离心式压缩机上，也还用在轴流式压缩机、齿轮传动压缩机和透平膨胀机上。干气密封已经成为压缩机正常运转和操作可靠的重要元件，随着压缩机技术的发展，干气密封正逐步取代浮环密封、迷宫密封和油润滑密封。 本文针对德国博格曼公司的干气密封产品进行了研究，结合压缩机的工作特点，重点论述压缩机干气密封的原理、结构特点、密封材料、使用要求和制造等方面的内容。 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，图1表示出了压缩机干气密封的具体结构。 图1压缩机干气密封示意图 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。 表1 V形槽和U形槽的特性 *注意：DGS在低于那些被采用的值以下操作仍能被保证，但是一个分离层是必要的。 三、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
干气密封系统介绍
干气密封系统： (1)简介 干气密封是一种气膜润滑的流体动、静压结合型非接触式机械密封，主要应用于天然气管线、炼油、石油化工、化工等行业的透平压缩机、透平膨胀机等旋转机械。干气密封最早是由螺旋槽气体轴承转化而来的，和其他机械密封相比，其主要区别是在旋转环或静止环端面上(或者同时在这两个端面上)刻有浅槽，当密封运转时，在密封端面形成气膜，使之脱离接触，因而端面几乎无磨损。其可靠性高，使用寿命长，密封气泄漏量小，功耗极低，工艺回路无油污染，工艺气也不污染润滑油系统。 (2)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。 (3)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。 (4)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，清洁度lu，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。
干气密封操作法(2010.9.28)
C4102干气密封操作 一、干气密封系統的吹扫 1、检修完后在投用前一定要用氮气吹扫干气密封管线，为了保证足够的吹扫气体流量， 吹扫前要折流量孔板(回装时要注意孔板流向)和干气密封管与机壳的连接法兰后进行吹扫，必要时可进行管线爆破吹扫，吹扫干净后管线复位。 2、吹扫前拆开的进机体法兰口一定要用干净胶布封扎好，防止杂质进入干气密封。 3、所有氮气系统在投用前，要进行排液操作，将导淋阀打开排放30分钟左右，以防止 氮气带液进入到干气密封系统。 二、主密封的静压试验 1、检修完的机组，从主密封气引入4.0MPa氮气缓慢充压到1.0MPa做静态密封 试验，控制PDIC4786主密封平衡管差压30kpa至60KPa（付线要求全关）， 将机体放空阀关闭，并将干气密封泄漏气到火炬的管线阀门前法兰拆开（这 样才能保证后路畅通），同时，关闭二级密封氮气压力PIA4790。观察泄漏量 与原厂实验报告上的实验数据进行比较。(若需泄压要缓慢，不能超过 2MPa/min)。实验完毕后将管线拆开部位恢复投用。 注：在有润滑油运行的时候，隔离氮（PIA4780）绝对不能关闭（以防止润滑 油窜入干气密封）。停用润滑油系统后20分钟，才能关闭隔离氮。 三、干气密封系统低压气密 1、在进行主密封的静压试验时同步进行干气密封系统气密。 2、联系仪表投用有关的设备。 3、对所有干气密封管线、法兰、仪表表头、排空线、仪表引线、所有接头等进 行全面气密。 三、投用干气密封系统 1、干气密封必须通入干燥、清洁并经过滤的气体(过滤精度5um)。所用气体的温 度不能低于它们各自的露点温度。(要求控制在98℃以上) 2、干气密封管线保温完好，伴热蒸汽畅通，干气密封电加热器投用，保证密封气 温度要大于其露点温度。 注：因为电加热器有自动保护功能，到达一定的温度后会自停，外操检查现场指示 灯，发现停运要及时投用，内操监控好电加热器温度，发现不加热时，及时通知外 操检查电加热器运行情况，保证电加热器的正常使用。 3、检修完的机组，从主密封气引入4.0MPa氮气控制PDIC4786主密封平衡管差压 60KPa（付线要求全关），并将机体放空阀打开，手动启动增压泵后，一级密封 进气量PDIA4784、4785的压差为35KPa(9－140KPa之间)。 注：氮气分子量比氢气大，在孔板前后压差相同时，氮气工况的差压变送器体 积流量要小得多，约为氢气工况的三分之一。 4、一级密封泄漏量PDIA4793、4794正常范围值是在0～38KPa。 注：一级密封泄漏PDIA4793、4794孔板前压力≥350KPa时，爆破片会被击 穿。 四、投用二级密封氮和隔离氮 1、引入1.0MPa氮气入仪表控制盘，投用一组过滤器。从过滤器底部排液吹扫 干静后关放空伐。 2、PIA4780数值为70KPa，数值可以在±10%范围波动(异常情况可增大，但不能
干气密封及控制系统使用说明书
干气密封及控制系统使用说明书 四川日机密封件有限公司 2007年12月
目录 一．干气密封概述 (2) 二．干气密封结构说明 (5) 三．干气密封控制系统说明 (7) 四．干气密封的安装与拆卸 (12) 五．干气密封的操作与维护 (17) 六．干气密封装运及存放 (19) 附图一：干气密封装配图CW（驱动端） 附图二：干气密封装配图CCW（非驱端） 附图三：干气密封控制系统P＆I图 附图四：装拆工具总图CW(驱动端) 附图五：装拆工具总图CCW（非驱端） 附图六：装拆步骤示意图 一、干气密封概述
干气密封是一种新型的非接触式轴封。它是六十年代末期以气体润滑轴承的概念为基础发展起来的，其中以螺旋槽密封最为典型。经过数年的研究，美国约翰·克兰公司率先推出干气密封产品并投入工业使用。它适合于任何输送气体的系统，目前在我国的石化、炼油、化工、制药等行业的引进装置中越来越多的得到使用。实践表明，干气密封在很多方面都优越于普通接触式机械密封，由于其属于非接触式密封，基本上不受PV值的限制。与普通接触式机械密封相比，它更适合作为高速高压下的大型离心压缩机的轴封。而且它不需要密封润滑油，其所需的气体控制系统比接触式密封的油系统要简单得多。干气密封的出现，是密封技术的一次革命，它改变了传统的密封观念，将干气密封技术和阻塞密封原理有机结合，“用气封液或气封气”的新观念替代传统的“液封气或液封液”观念，可保证任何密封介质实现零逸出，这就使得其在泵用轴封领域也将有广泛的应用前景。 与普通接触式机械密封相比，干气密封有以下主要优点： 省去了密封油系统及用于驱动密封油系统运转的附加功率负荷。 大大减少了计划外维修费用和生产停车。 避免了工艺气体被油污染的可能性。 密封气体泄漏量小。 维护费用低，经济实用性好。 密封驱动功率消耗小。 密封寿命长，运行可靠。 1、干气密封工作原理 与普通机械密封相比，干气密封在结构上基本相同。其重要区别在于，干气密封其中的一个密封环上面加工有均匀分布的浅槽。运转时进入浅槽中的气体受到压缩，在密封环之间形成局部的高压区，使密封面开启，从而能在非接触状态下运行，实现密封。 下面以典型的螺旋槽干气密封为例作简单说明 图1所示是密封端面的示意图，密封面上加工有一定数量的螺旋槽，其深度在
干气密封使用注意事项
不能反压； 干气密封是利用下游泵送原理，在转动时将上游(高压侧)密封气体泵送到端面间的螺旋槽内，在坝的阻挡作用下形成气膜，打开密封端面。如果上游压力低于下游，则气体不能进入螺旋槽内，形不成气膜，端面打不开，密封很快就会损坏。 （干气密封投用时先投一级密封气，后投二级密封气，停干气密封时，先停二级密封气，后停一级密封气；压缩机开停车N2置换时，要求密封气调节阀后压力高于压缩机缸体压力。） 密封气不能带颗粒； 密封端面打开间隙很小，一般为3微米左右，颗粒进入后会在密封端面上划痕，使泄漏量增加，同时，长期使用不洁密封气，微小的颗粒会填平螺旋槽，影响气膜形成，最终使端面损坏。 （压缩机置换时，要求投用干气密封，一般一二级都投用，防止未经过滤的压缩机内气体带颗粒进入干气密封端面，开车时损坏端面。） 密封气不能带液体； 液体进入密封端面，由于液体粘度远大于气体，端面对液体的搅拌与切割将产生大量热量，使密封因温度急剧升高而损坏。此外，即使是微小的液滴进入端面，也会使密封不能长期稳定运行，因为微小的液滴在端面间会因温度升高而发生爆破现象，使端面间隙瞬时增大，泄漏量出现波动。 （油系统开车时，要先投用后置隔离气，一般要求20分钟以上，才可以建立油循环。停止油循环时，要求后置隔离气继续运行20分钟
以上，防止润滑油进入干气密封，损坏干气密封或者影响使用寿命。） 不能反转； 对于单向设计的密封，严禁反转，因为反转时端面不但打不开，反而会越转越紧，密封会由于干摩擦温度升高而损坏。当然，对于设计为双向旋转的密封可以克服反向旋转带来危害，但在同等条件下，双向旋转的端面产生的气膜刚度小，抗干扰能力差。 （一般压缩机进出口都有快开阀门，停机后，阀门迅速打开均压，防止压差大，压缩机反转，损坏干气密封。尤其两端以上压缩的，二段入口带有气液分离器或者缓冲罐的压缩机，缓冲罐容积较大，可储存一定量的压力比一段入口较高的气体） 干气密封监控、连锁： 连锁启动： 低压缸低压端一级密封泄漏量正常≥5 Nm3/h 低压缸高压端一级密封泄漏量正常≥5 Nm3/h 一级密封与低压缸平衡管或放火炬线差压正常≥0.1 MPa 高压缸高压端一级密封泄漏量正常≥5 Nm3/h 高压缸低压端一级密封泄漏量正常≥5 Nm3/h 一级密封气与高压缸平衡管差压正常≥0.1 MPa 连锁停车： 低压缸低压端一级密封泄漏量大≥13 Nm3/h 低压缸高压端一级密封泄漏量大≥13 Nm3/h
干气密封类型及介绍教材
干气密封 一干气密封选型： 干气密封具有很强的适应性。根据压缩机的工艺参数和介质成分，采用鼎名公司的 TMO2D型串联式干气密封。TMO2D型是串联式带中间迷宫进气的干气密封，适用于介质为易燃易爆的气体，不允许介质气体泄漏到大气中，同时也不允许其它气体进入机组内的气体工况。 二干气密封的原理： 典型的干气密封结构是由静环、动环组件、副密封O形圈、静密封、弹簧和弹簧座（腔体）等组成。静环的材质为碳，动环组件的材质为硬质合金，轴套、推环、弹簧座、锁紧套材质为不锈钢，O型圈为氟橡胶，定位环为PTFE。 密封的核心技术为与静环表面配合的动环级组件表面上加工的一系列的螺旋槽，螺旋槽可以分为以下几个区域：螺旋槽、反向螺旋槽、密封堰、和坝。如下： 干气密封运转时，动环的旋向为逆时针。气体被向内送到螺旋槽的根部，根部以外的无槽区称为密封堰。密封堰对气体的流动产生阻力，增加气体的膜压力。使动环和静环分开，产生一微小间隙，所以干气密封是非接触式密封。反向螺旋槽对气体进一步起到增压作用，增加了气体的膜厚度。 三密封设计方案 密封结构 河南开祥化工有限公司甲醇装置氨冷冻压缩机采用TMO2D型干气密封，密封方案结构简图如下： 密封工作原理简介： 1.一级密封进气（A路）：采用压缩机出口介质气或新氢，大部分气体通过前置 迷宫进入机内，阻止机内的介质气扩散污染一级密封摩擦副的端面，少量气体经一级密封磨擦的端面泄漏至放火腔C。 2.二级密封气（B路）：二级进气采用氮气。在部分气体通过中间迷宫进入放火 腔C，它阻止一级密封泄漏出的介质气体进入二级密封面并泄漏大气，少量气体经二级密封摩擦副的端面泄漏至放空腔C。 3.放火线（C路）：火炬气的主要成分是一级密封泄漏的介质和在部分的二级氮气。 放火炬的目的是考虑工艺气排放的安全性和环保的要求。 高点放空（S路）：从二级密封泄漏出的是没有任何危险氮气，随部分隔离气高点放空。
学习干气密封心得体会
学习“干气密封”心得体会 通过在培训老师1天的干气密封课程的学习，使我掌握了更多的到干气密封知识，诸如： 一、干气密封的定义，干气密封是一种气膜润滑的流体动、静压结合型非接触式机械密封，主要应用于天然气管线、炼油、石油化工、化工等行业的透平压缩机、透平膨胀机等旋转机械。干气密封最早是由螺旋槽气体轴承转化而来的，和其他机械密封相比，其主要区别是在旋转环或静止环端面上(或者同时在这两个端面上)刻有浅槽，当密封运转时，在密封端面形成气膜，使之脱离接触，因而端面几乎无磨损。其可靠性高，使用寿命长，密封气泄漏量小，功耗极低，工艺回路无油污染，工艺气也不污染润滑油系统。 二、干气密封基本工作原理，目前绝大多数压缩机都是由干气密封簧、弹簧座和轴衬套等组成，同时配以碳化钨制的封严件的旋转元件，为配合压缩机组成结构，一般干气密封由动环、静环、弹簧、密封圈以及弹簧座等组成，其表面从外圆周到密封面内侧一定距离的内圆周通常刻有流体动压槽图案，主要形式有如螺旋槽、圆弧槽和T形槽等，一般深2.5～10 μm。其工作原理：工艺气体进入压缩机内侧时大部分都损耗掉了，而进入干气密封凹槽内的小部分气体经过螺旋槽时收到靠近凹槽根部的密封堰节流作用，从而被大幅度的压缩，而被压缩的气体会在干气密封的内侧和外侧凹槽的双重压力之下被压缩成一层极薄的气膜，其厚度1μm到3μm
不等，由牛顿第一定律可得，要使气膜厚度稳定在一固定值，气体产生的静压与弹簧的合力和气膜的反力矢量和必须为零为零，即两力大小相等方向相反，稳定的气膜会使一部分气体通过封严件，使封严件的温度稳定在室温，配合环、轴衬套、主环、静止元件、挡盘和销钉可以看作一大部分，这一部分是为了保证在轴没有旋转的情况下压缩机内的气体也不会泄露。 三、干气密封的几种形式，干气密封有多种形式，但原理都是同样的，控制系统也只有两种，即差压控制系统和流量控制系统。差压控制系统通过差压控制阀控制密封气体的气压，进而对气流进行控制，使内侧迷宫中吸收大部分气体；流量控制系统通过密封上部的孔板控制密封气的供给流量，一般借助差压控制阀监测两端压力。目前应用最为广泛的干气密封形式是串联式干气密封，这种干气密封方式分为两级操作，第一级以液態烃作为介质，采用机械密封，第二级才是干气密封，一般用纯净的氮气作为密封介质，这种机械密封与干气密封串联应用的干气密封方式根据有无内部迷宫分为不带中间迷宫密封的串联密封结构和带中间迷宫密封的串联密封结构，需要特别注意的是，由于干气密封端面上的螺旋型动压槽只允许单向旋转，所以不论是哪一种串联密封结构，其旋转方向都必须与螺旋槽的旋向一致。不带中间迷宫密封的串联密封结构直接在两个单端面密封前后串联放置形成两级密封，这两级密封不仅承受了密封气与火炬气之间的全部压差，还充当了安全备用密封的角色，操作较简单，成本也较低，但与带中间迷宫密封的串联密封
干气密封介绍
一、干气密封概述 早在20世纪60年代末期，奠定在气体动压轴承应用的基础上，干气密封发展起来，并成为一种全新的非接触式密封。该密封利用流体动力学原理，通过在密封端面上开设动压槽而实现密封端面的非接触性运行。最初，采用干气密封形式，主要为了改善高速离心压缩机的轴封问题。由于密封采取非接触性的运行方式，因此其密封的摩擦副材料基本不会受到PV值的任何影响，尤其在高压设备、高速设备中应用，具有良好前景。随着我国密封技术的飞速发展，再加上干气密封的广泛应用，彻底解决了困扰高速离心压缩机运行中的轴封问题，密封使用寿命及性能都得到了很大提高，为机组稳定，长周期运行提供了保证，因此该技术的应用范围进一步扩大，凡使用机械密封的场合均可采用干气密封。 干气密封图 二、干气密封与机械密封性能比较 机械密封是一种传统的密封型式，其特点是密封结构简单，技术成熟，加工精度要求不太高。其缺点是泄漏率高，故障频发。 干气密封是目前最先进的一种非接触密封型式，与传统的机械密封形式相比较，采用干气密封技术，主要具备以下优势： 1)采用干气密封技术，可有效提高密封的质量与使用时间，确保设备安全、可靠、稳定运行。 2)采用干气密封技术，能源消耗 较小。
3)干气密封技术应用到的辅助系统较为可靠，操作简单，在使用过程中不需要任何维护手段。 4)采用干气密封技术，泄漏量较少，应用效果良好。 三、干气密封工作原理 一般来讲，典型的干气密封技术，包含了静环、动环(旋转环)、副密封O形圈、静密封、弹簧和弹簧座等。静环位于弹簧座内，用副密封O形圈密封。弹簧在密封无负荷状态下使静环与固定在轴上动环(旋转环)配合。 这类密封与机械密封的区别在于，它是一种气膜润滑的流体动、静压相结合的非接触式机械密封。动环与静环配合表面具有很高的平面度和光洁度，通常在动环表面上加工有一系列的特种槽。随着转动，气体被向内泵送到槽的根部，根部以外的无槽区称为密封坝。密封坝对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。配合表面之间产生的压力，使静环表面与动环脱离，保持一个很小的间隙。当由气体压力和弹簧力产生的闭合压力与气体膜的开启压力相等时，便建立了稳定的平衡间隙。在有效确保动力平衡的基础上，密封中产生的作用力状况。 闭合力Fc，即弹簧力与气体压力之间的总和。其中，开启力Fo通过端面之间分布的压力，对端面的面积形成积分。在平衡状态下，Fc=Fo;其中运行的间隙约3微米。如果由于受到干扰作用，造成密封的间隙逐渐降低，此时端面之间的压力就会有所升高，此时Fc>Fo，端面之间的间隙也会有所降低，则密封就会达到一种全新平衡状态。通过该机制的运行，可在动环组件与静环组件之间形成较为稳定的气体薄膜，在一定的动力条件下，可实现端面之间的平衡状态，同时由于彼此分离、没有接触，因此不容易造成磨损，极大延长使用寿命。 干气密封的结构形式根据被密封介质的不同、介质压力的不同及工作转速的不同又可分为单端面干气密封、双端面干气密封及串联式干气密封。 美国某公司从20世纪60年代末即开始研究干气密封技术，到80年代已经完全达到实用化的程度，目前有不少外国公司可生产此类密封，并一度垄断了我国干气密封市场。而现在随着我国一些民族工业的崛起，我国已生产出了处于国际领先水平的干气密封产品，并已在国内许多石油化工企业中得到推广应用。 四、影响干气密封的相关参数 有关干气密封技术的运行技能，主要集中于密封运行的稳定性及使用寿命方面。而气膜的厚度参数，将对干气密封的泄漏量产生直接影响，即在干气密封技术运用过程中，会在密封面形成诸多间隙。一般情况下，对干气密封的性能产生影响的主要参数为密封操作参数与密封结构参数两种形式。具体分析如下。 4.1 密封操作参数 1)密封直径、转速的影响作用。经大量实践表明，密封的直径作用越大，则转速越高;密封的环线速度越快，则干气密封形式产生的泄漏量就越多。 2)密封气压的影响作用。一般情况下，如果存在干气密封的工作间隙，则其中压力越大，发生气体泄漏的可能性就越大。 3)工作介质温度、粘度的影响作用。有关工作介质温度产生的影响作用，主要原因是考虑到温度的影响，直接作用到介质粘度中。随着介质粘度的增加，动压效应有所增强，且气膜的厚度加重，同时加大了密封间隙中阻力。这种情况下，不会对密封泄漏量产生过大影响。 4.2 密封结构参数 1)动压槽的形状。以流体力学理论为出发点，在干气密封技术的端面形成沟槽，无论是何种形状，都将受到动压效应影响。尤其在数螺旋槽中，产生极大流体动压效应，且作用在干气密封动压槽中，产生一定气膜刚度，利于密封稳定性的提高。 2)动压槽的深度。如果干气密封流体的动压槽深度和气膜厚度处于同一个量级，则干气密封的气膜刚度处于最大值。在实际应用过程中，一般将干气密封的动压槽控制在3微米～10微米的厚度。
干气密封操作规程
干气密封控制操作规程 一）干气密封启动前的准备工作 在调试系统前应将取压阀及三阀组中的所有阀门打开，将其余工艺管线上的阀门关闭，然后按以下顺序进行操作： 1)、将开车气体（氮气）入口阀门V3打开，开车气体经单向阀V4进入控制系统。将密封气过滤器F2打开（开启球阀V5,V6），密封气过滤器F1处于备用状态（球阀V7,V8处于关闭状态），然后关闭PdT0671对应三阀组上的常闭阀使压差变送器PdT0671处于工作状态。 2）、开启球阀V9、V10（针形阀V11处于关闭状态），关闭PdT0672对应三阀组上的常闭阀，使气动薄膜调节阀PCV0672处于工作状态，通过启动薄膜调节阀的调节，使调节阀后与平衡管保持0.3Mpa的压差。 3）、缓慢调节针型阀V12、V13的开度，使流量计FI0671、FI0672的显示值保持在75Nm3/h左右。 4）、将缓冲气、隔离气管线氮气管网阀V14打开，低压氮气进入缓冲气、隔离气控制管线；再将精过滤器F4打开（开启球阀V16、V17）, 另一端过滤器（F3）处于备用状态（球阀V18、V19处于关闭状态）。5）、调节缓冲器、隔离气自力式调节阀V23（球阀V20、V21打开，针形阀V22处于关闭状态），使输出电压保持在0.2Mpa（G）（PI0673显示值）。 6）、调节针形截止阀V24、V25的开度，使缓冲气的用量保持在2Nm3/h
（流量表FI0673、FI0674显示值）。此时干气密封一级泄漏孔板前压力应为0.04Mpa(PT0671、PT0672显示值)左右。 注：干气密封一级泄漏排放管线孔板后不应产生背压，必须保证一级泄漏的畅通排放。 注：干气密封二级泄漏放空管线应直接排，不应产生背压，以避免后面管道压力或液体串入干气密封第二级密封与隔离气梳齿密封T之间，第二级密封形成反压，造成干气密封破坏。 隔离气投用后，方可开启润滑油泵进行油运，若密封气未投用可先将隔离气投用进行油运，但不可进行盘车。 7）、观察干气密封静态时的一次泄漏，与成都一通提供的实验数据对比，并记录下该数据；该泄漏量用压力变送器（PT0671,PT0672显示）监控，同时压力表（PI0676.PI0677）也可显示，参考值为0.04Mpa-0.05Mpa左右；如果该值过大（即超过0.15MPa）表明干气密封安装或密封气本身有问题，密封需拆卸检查或重新安装。 以上仪表显示正常后，方可进行盘车操作。 注：机组进行盘车前必须保证密封气压力>缓冲气压力>二级泄漏放空管线压力。 二）干气密封的启动、 1）、当干气密封启动前的准备工作就绪后，启动条件满足可启动压缩机。该压缩机干气密封启动时所需开车气体压力应高于压缩机密封腔压力，当气动薄膜调节阀PCV0672后与压缩机平衡管压差小于0.1Mpa时，差压变送器PdT0672发出压差报警连锁信号，压缩机被
干气密封技术简介
干气密封技术简介 一般来讲，典型的干气密封结构包含有静环、动环组件（旋转环）、副密封O形圈、静密封、弹簧和弹簧座（腔体）等零部件。静环位于不锈钢弹簧座内，用副密封O形圈密封。弹簧在密封无负荷状态下使静环与固定在转子上的动环组件配合，如图 1所示 图1 在动环组件和静环配合表面处的气体径向密封有其先进独特的方法。配合表面平面度和光洁度很高，动环组件配合表面上有一系列的螺旋槽，如图2所示。
图2 随着转子转动，气体被向内泵送到螺旋槽的根部，根部以外的一段无槽区称为密封坝。密封坝对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。该密封坝的内侧还有一系列的反向螺旋槽，这些反向螺旋槽起着反向泵送、改善配合表面压力分布的作用，从而加大开启静环与动环组件间气隙的能力。反向螺旋槽的内侧还有一段密封坝，对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。配合表面间的压力使静环表面与动环组件脱离，保持一个很小的间隙，一般为3微米左右。当由气体压力和弹簧力产生的闭合压力与气体膜的开启压力相等时，便建立了稳定的平衡间隙。 在动力平衡条件下，作用在密封上的力如图3所示。 图 3 闭合力Fc，是气体压力和弹簧力的总和。开启力Fo是由端面间的压力分布对端面面积积分而形成的。在平衡条件下Fc=Fo，运行间隙大约为3微米。 如果由于某种干扰使密封间隙减小，则端面间的压力就会升高，这时，开启力Fo大于闭合力Fc，端面间隙自动加大，直至平衡为止。如图4所示。
图4 类似的，如果扰动使密封间隙增大，端面间的压力就会降低，闭合力Fc大于开启力Fo，端面间隙自动减小，密封会很快达到新的平衡状态，见图5。 图5 这种机制将在静环和动环组件之间产生一层稳定性相当高的气体薄膜，使得在一般的动力运行条件下端面能保持分离、不接触、不易磨损，延长了使用寿命。 通过以上结构的不同组合并配合辅助的密封可演化出用于实际工况的几种结构： 干气密封型式 单端面干气密封