泵用干气密封技术与应用 2

兰州理工大学第二届过程装备工程 实践与创新大赛作品 课题名称   高温高压油泵密封    学校名称 兰州理工大学        专业名称   过程装备与控制     成员姓名    刘扬清   （10150114） 王凯     （10150116） 宋引川    （10150113） 指导教师  丁雪兴              递交日期： 2013    年 6  月  26  日 高温高压油泵机械密封 摘要 文章内容主要从干气密封、波纹管接触式机械密封、动压型非接触机械密封的应用、优缺点、密封条件、密封性能、经济等方面分析比较，找到干气密封这种密封性能良好、经济节约型密封技术。 关键词：经济（密封周期）、密封阻压（润滑） 干气密封 泵用干气密封技术与应用 一、 干气密封概述     干气密封是二十世纪六十年代末期从气体动压轴承的基础上发展起来的一种新型非接触式密封。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运行。经过数年的研究，英国的约翰克兰公司于七十年代末期率先将干气密封应用到海洋平台的气体输送设备上，并获得成功。 干气密封最初是为解决高速离心压缩机轴封问题而出现的，由于密封非接触运行，因此密封摩擦副材料基本不受PV值的限制，特别适合作为高速、高压设备的轴封。随着干气密封技术的日益成熟，其应用范围也越来越宽广，目前，干气密封正逐渐在离心泵及搅拌器上得到应用。总之，凡使用机械密封的场合均可采用干气密封。 二、离心泵用干气密封 离心泵输送的介质为液体。根据不同工况条件，可采用以下几种密封形式： 1、 双端面干气密封 双端面干气密封可以用在绝大多数离心泵的轴封上，它具有以下特点： 1）用“气体阻塞”替代传统的“液体阻塞”原理，即用带压密封气替代带压密封液，保证工艺介质实现“零逸出”； 2）整套密封非接触运行，其功率消耗仅为传统双端面密封的5%，使用寿命比传统密封长5倍以上； 3）结构简单的辅助系统，保证工艺介质不受污染及工艺介质不向大气泄漏，彻底摆脱了传统双端面机械密封对油系统的依赖。密封气采用工业氮气或工业仪表风，其压力高于介质0.15—0.2MPa。 泵用双端面干气密封的不足之处是： 1）需要一定压力的气源，气源压力至少高于介质压力0.2MPa; 2）有微量气体进入工艺流程。 2、串联式干气密封 泵用串联式干气密封具有如下特点： 1）干气密封与接触式机械密封串联使用，机械密封为主密封，干气密封为次密封； 2）干气密封与主密封间通入氮气，保证主密封具有一定背压，极大地延长主密封的使用寿命； 3）主密封泄漏的工艺介质随密封气排入火炬，保证工艺介质不向大气泄漏，是一种环保型密封； 4）主密封失效后，干气密封短时间内起到主密封作用，防止工艺介质向大气大量泄漏。 5）该类密封使用寿命取决于机械密封的使用寿命，一般在2—3年左右。 6）该密封主要用于易挥发介质的场合，如液态烃类介质；对密封气压力要求不高。 该密封的不足之处是： 1）该密封还不是完全意义上的干气密封，其总体性能介于机械 密封和干气密封之间。 2）该密封适用于易挥发介质的场合，使用范围较窄 二、干气密封的工作原理 与其它机械密封相比，干气密封在结构方面基本相同。其主要区别在于，干气密封的一个密封环上面加工有均匀分布的浅槽，干气密封能在非接触状态下运行就是靠这些浅槽在运转时产生的流体动压效应使密封面分开。 干气密封端面的槽形主要分单旋向和双旋向两大类。 单旋向槽型只可使用于单向旋转的转动设备，在要求的旋向下才可产生开启力，如反转则产生负的开启力而可能导致密封的损坏。但相对于双旋向的槽型，它可形成更大的开启力和气膜刚度，产生更高的稳定性而更可靠的防止端面接触。故在很低的转速下和较大的振动下也可使用，在目前也是使用的最多。常见的主要有图1所示几种： 1.jpg (16.95 KB) 2008-8-11 13:16 双旋向槽型无旋向要求，正反转皆可使用。转子的反转不会造成密封的损坏。其使用范围较单旋向槽宽，但其稳定性、抗干扰能力较单旋向差。常见如图2所示： 2.jpg (18.19 KB) 2008-8-11 13:16 对比研究，最终确认在同样的工作参数下，以螺旋线设计的槽型具有最大的气膜刚度的同时仅有较小的泄漏量。即具有最大的刚漏比。下面主要介绍这种槽型。 图3所示是典型的干气密封螺旋槽端面的示意图。密封面上加工有一定数量的螺旋槽，其深度小于15微米。密封运转时，被密封气体周向吸入螺旋槽内，径向分量由外径朝中心（即低压侧）流动，而密封坝限制气体流向低压侧。气体随着螺旋槽截面形状的变化被压缩，在槽根部形成局部的高压区，使端面分开几微米而形成一定厚度的气膜。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。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。为了获得必要的流体动压效应，动压槽必须开在高压侧。 3.jpg (19 KB) 2008-8-11 13:16 图4所示所示为螺旋槽干气密封的作用力图，从图上可以看出气膜刚度是如何保证密封运转的稳定性的。在正常情况下，密封的闭合力等于开启力。当受到外来干扰（如工艺或操作波动），气膜厚度变小，则气体的粘性剪力增大，螺旋槽产生的流体动压效应增强，促使气膜压力增大，开启力随之增大，为保持力平衡，密封自动恢复到原来的间隙；反之，密封受到干扰气膜厚度增大，则螺旋槽产生的动压效应减弱，气膜压力减小，开启力变小，密封也会恢复到原来的间隙。因此，只要在设计范围内，当外来干扰消除后，密封总能恢复到设计的工作间隙，即干气密封具有自我调节的功能而保证运行稳定可靠。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，表明密封的抗干扰力越强，密封运行越稳定。 4.jpg (30.56 KB) 2008-8-11 13:16 与机械密封相比，干气密封具有如下优点： 1、密封使用寿命长、运行稳定可靠； 2、密封功率消耗小，仅为接触式机械密封的5%左右； 3、与其他非接触式密封相比，干气密封气体泄漏量小； 4、可实现介质的零逸出，是一种环保型密封； 5、密封辅助系统简单、可靠，使用中不需要维护； 波纹管接触式机械密封 1 单端面波纹管密封存在问题 催化装置 P208泵输送介质为催化油浆，原密封 采用单端面波纹管密封加水背冷装置 ， 在使用过程中该密封装置经常泄漏，寿命仅 3个月左 右 ，密封解体后发现端面出现裂痕。 波纹 管机械 密封 因其使 用温 度高 (可 达 400 ℃)、耐腐蚀等特点，在炼油行业可于常压塔底泵 (重油)、减压塔底泵 (渣油 )和催 化分馏塔底泵 (油浆)中，其密封寿命可长达 6—8个月，有的甚 至超过 12个月。但在实际使用 中，单端面波纹管密 封也存在诸多突出问题： (1)密封介质存在泄漏 ，造成原料损失和环境 污染。接触式机械密封的密封原理是在被密封流体与 外界存在压力差 (一般是压力高于外界压力 )的前 润滑与密封 第 35卷 提下，通过维持一定 的端面接触压力，来尽可能减 小密封摩擦副端面之间的轴向间隙以降低被密封流体 的泄漏。因此，接触式机械密封是难以实现被密封流 体的零泄漏，更不可能实现其零逸出。随着现代环保 要求的不断提高，普通接触式机械密封的应用将受到 越来越多的限制。 (2)密封端面存在摩擦磨损，使用 寿命短。由 于密封摩擦副之间存在着直接的固体摩擦磨损，磨损 的积累必然导致密封损坏。一般地 ，普通接触式机械 密封的使用寿命不超过一年，而对一些润滑性差的密 封流体或含一定量固体颗粒的密封流体 ，密封的使用 寿命只有数月甚至数天。 (3)密封件产生热变形 、热裂、热涨而失 效。 密封端面之间的急剧温升还会导致端面温升过高，密 封件产生较大热变形，使摩擦磨损严重和不均，并使 密封材料的机械性能降低 ，使密封环 (主要指硬环) 产生热裂、辅助密封圈产生热涨等而使密封早期失 效。机械密封工业失效记录中有相当比例是由于密封 端面温升过高造成 的。 (4)密封适应变工况能力差。当流体机械处于 变工况 (变压力、变转速、频繁开停等)下，密封 的始终处于不稳定的运行状态，极易出现早期失效。 (5)运行费用高，经济效益低。为了改善密封 的工作环境 ，常常对密封采用冷却、冲洗等 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，在 消耗大量冷却油的同时，部分程度地降低了泵的容积 效率，相应降低了工艺装置的生产效率。采用冷却手 段往往是用水对密封进行直接冷却并 自然排放，浪费 了大量的水资源并增加了污水处理的负担。 2 新型油膜润滑波纹管串联非接触式密封 2．1 结构特点 新型油膜润滑波纹管串联非接触式密 封，其主要特点有： (1)串联式波纹管机械密封为两套波纹管密封 串联布置，介质侧密封为非接触式密封，大气侧密封 为接触式机械密封，通过可为一套生产装置中的热油 泵群提供冲洗冷却油的辅助系统 (如图 3所示)，向 两套密封之间注入一定量的低温冲洗油，其主要作用 是把密封产生的摩擦热带走 ，除极少量的冷却油经内 侧非接触式机械密封进入泵 内 (<1 L／h)，绝大部 分在封油辅助系统内冷却后循环使用。两套密封基本 上处于相对低温的洁净环境 ，运行条件大大改善，密 封工作的稳定性和可靠性显著提高的同时，封油的消 耗量大大减少。 (2)介质侧密封为波纹管非接触式机械密封， 其端面结构采用流体动压槽结构，动压槽的加工采用 国际上比较先进的激光一次成型加工法 ，槽型质量 高。端面动压槽的作用首先是把内径侧的微量冷却介 质泵送至密封端面之间，在流体动压效应的作用下， 密封端面流体膜压增加 ，一方面，可以使密封处于全 液膜非接触稳定状态下工作，避免高温油气化、结 焦、泵抽空、压力波动等原因造成密封失效 ，可靠性 显著提高，使用周期大大延长；另一方面，端面液膜 压力高于密封介质压力，可有效阻止高温介质的泄 漏 ，达到安全生产 的 目的。 (3)大气侧密封一般采用普通的接触式波纹管 机械密封 ，其主要作用是防止冷却油向外界泄漏。另 外 ，一旦主密封失效 ，该密封马上起安全密封的作 用。由于处于完全的相对低温、低压和洁净的环境下 运行，该密封运行的可靠性和稳定性远远优于常规的 单端面接触式波纹管机械密封。 2．2 技 术优势 自行研制开发的新型高温油泵机械密封系统替代 普通的接触式波纹管机械密封及辅助系统，具有以下 突出优势 ： (1)密封的使用寿命大大延长，运行安全性和 可靠性 明显提高 。 ① 由于密封处于低温、洁净的冷却油环境，运行 条件大大改善 ，密封的使用寿命自然得到延长。 ②主密封为非接触式结构 ，摩擦温升小，消除了 波纹管因高温失弹、结焦失弹、断裂等现象，避免密 封端面过度磨损、热裂而失效。 ③对于塔底泵 、渣油泵等输送含固体颗粒的热油 泵 ，由于非接触式主密封具有优 良的防固体颗粒能 力，因固体颗粒造成端面磨粒磨损而失效的概率显著 下降。 ④密封处于相对稳定的条件下运行，大大降低了 在泵抽空、误操作、人为流量调节等变工况条件下出 现早期随机失效 的可能性 。 ⑤外侧副密封具有安 全密封的功能 ，一旦主密封 失效，副密封能迅即发挥作用 ，从根本上避免高温热 油外漏而引发火灾等灾难性事故 。 (2)可大大减少冷却油和冷却水的消耗量，显 著降低运行能耗，提高泵的运行效率。新型密封冷却 油消耗量 不足单端面波纹 管密封 1／6，完全省 去 了冷 却水消耗。 3 使用效 果 催化油浆泵油膜润滑波纹管 串联非接 触式密封，为集装式结构，整体安装简洁、方便。该 密封于2008年 3月安装，一次调试成功，到 目前为 止已累计运转 18个月，保证了装置安全、可靠运行。 截至 目前 ，该 密 封 已为 企业 节 约 波 纹管 密封 至少 6 套 ，价值 24 000元 ，此外，省去 了冷却水的消耗， 至少节水 400 t，减少 了维修维护成本，经济效益显 著 。 4 结束语 目前，炼油行业高温泵采用的单端面波纹管机械 密封普遍存在端面摩擦磨损严重、使用寿命短、安全 性差等突出问题。工业应用结果表明，新型油膜润滑 波纹管串联非接触式密封可实现端面非接触运转，减 少端面摩擦磨损，改善端面润滑状态，具有使用寿命 长、无泄漏、安全可靠等优点，且无需复杂的封油系 统 ，封油消耗量大大降低 ，省去了冷却水系统，经济 效益显著 ，因此具有广阔应用前景。 动压型非接触机械密封 机械密封机理的研究主要集中在密封中流体动 压效应的研究。无论是接触式机械密封还是非接触 式机械密封，都希望通过流体动压效应来提高密封 的承载能力，从而减小摩擦、磨损和漏损，提高密封 的可靠性以延长密封的寿命。决定机械密封中的流 体动压效应的理论基础是英国著名的科学家雷诺 $%&’()*+,-.!!/ 年提出的润滑理论的基本方程——— 雷诺方程。对机械密封的流体动压效应的研究从本 世纪 !" 年代初开始，至今已取得了不少的研究成 果，但仍然存在一些尚未解决的问题，研究工作主要 集中在以下 几个方面。