干气密封工作原理

干气密封

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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。旋槽,整个端面分为槽区、台区和坝区体动压力,成动压效应,,。干气密封工作原理为:,由于粘性作用气体以速度V;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。

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

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

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