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干氣密封基礎
一、基本概念
干氣密封即“干運轉氣體密封”(Dry Running gas seals)是將開槽密封技術用于氣體密封的一種新型軸端密封,屬于非接觸密封。其作用原理:當端面外側開設有流體動壓的動環旋轉時,流體動壓槽把外徑側(稱之為上游側)的高壓隔離氣體泵入密封端面之間,由外徑至槽徑處氣膜壓力逐漸增加,而自槽徑至內徑處氣膜壓力逐漸下降,因端面膜壓增加使所形成的開啟力大于作用在密封環上的閉合力,在摩擦副之間形成很薄的一層氣膜從而使密封工作在非接觸狀態下。所形成的氣膜完全阻塞了相對低壓的密封介質泄漏通道,實現了密封介質的零泄漏或零逸出。
二、干氣密封工作原理分析
  干氣密封的一般設計形式是集裝式,干氣密封和普通平衡型機械密封相似,也由靜環和動環組成,其中:靜環由彈簧加載,并靠O型圈輔助密封。端面材料可采用碳化硅、氮化硅、硬質合金或石墨。
  干氣密封與液體普通平衡型機械密封的區別在于:干氣密封動環端面開有氣體槽,氣體槽深度僅有幾微米,端面間必須有潔凈的氣體,以保證在兩個端面之間形成一個穩定的氣膜使密封端面完全分離。氣膜厚度一般為幾微米,這個穩定的氣膜可以使密封端面間保持一定的密封間隙,間隙太大,密封效果變差;而間隙太小會使密封面發生接觸,因干氣密封的摩擦熱不能散失,端面間無潤滑接觸將很快引起密封端面的變形,從而使密封失效。
  氣體介質通過密封間隙時靠節流和阻塞的作用而被減壓,從而實現氣體介質的密封,幾微米的密封間隙會使氣體的泄漏率保持最小。
  動環密封面分為兩個功能區(外區域和內區域)。氣體進入密封間隙的外區域有空氣動壓槽,這些槽壓縮進來的氣體。為了獲得必要的泵效應,動壓槽必須被開在高壓側。密封間隙內的壓力增加將保證即使在軸向載荷較大的情況下也將形成一個不被破壞的穩定氣膜。
  干氣密封無接觸無磨損的運行操作是靠穩定的氣膜來保證的,穩定的氣膜是由密封墻的節流效應和所開動壓槽的泵效應得到的。
  密封面的內區域(密封墻)是平面,靠它的節流效應限制了泄漏量。干氣密封的彈簧力很小,主要目的是為了當密封不受壓時確保密封面的閉合。
  選擇干氣密封時,決定性的判斷是動環上所開動壓槽的幾何形狀。對于壓縮機的某些操作點,如啟動和停車時,一套串聯密封在低速或無壓操作的情況下,旋轉的動壓槽必須在密封面之間產生一個合適的壓力。此力靠特殊措施——三維的、弧形的槽來獲得。
壓縮機干氣密封設計和使用為兩種槽型:雙向的(U形)和單向的(V形)槽型。兩種槽型的特性見表1。
    反向運轉 間隙(μm) 無壓的情況下啟離速度(m/s) 靜止時,啟離壓力(MPa)
V形槽 單向 僅能短期的反向運轉 3~10 0.6 ≥0.6
U形槽 雙向 所有操作速度均可以 2~8 1.2 ≥0.6

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三、干氣密封的特點
干氣密封是一種新型的無接觸軸封,由它來密封旋轉機器中的氣體或液體介質。與其它密封相比,干氣密封具有泄漏量少,磨損小,壽命長,能耗低,操作簡單可靠,維修量低,被密封的流體不受油污染等特點。
四、密封材料分析
1、端面材料
  干氣密封的操作極限與密封各個元件的許用載荷有關。溫度和壓力極限由所用的輔助密封橡膠和端面材料決定。使用的端面材料對干氣密封的工作起著決定性的作用。
端面材料對壓縮機密封的操作影響很大。端面材料組對的選擇與壓力、軸徑和轉速有關(見表2 )。
材料組隊 硬/軟
 
硬/硬
 
   
靜環 高硬度浸銻石墨Buko03
 
碳化硅表面噴涂金剛砂Buka251
 
   
動環 碳化硅Buka25
 
碳化硅表面噴涂金剛砂Buka251
 
   
硬對軟材料組對僅被用于低壓范圍。
    博格曼干氣密封的端面材料主要為碳化硅,碳化硅與其它材料相比在滿足溫度和壓力的要求方面均顯示出特殊的優勢,又因密封間隙的幾何形狀受端面材料的壓力和溫度分布的影響,從表3材料的物理特性分析碳化硅做端面材料的優勢最大。
  密度(kg/dm3)
 
E-模量(GPa)
 
導熱系數(W/m*K)
 
熱膨脹系數(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燒結
 
3.1
 
420
 
100~125
 
4
 
Si3N4
 
3.26
 
350
 
30
 
2.1
 
韌性材料
 
7~9
 
200~220
 
5~25
 
0~20
 
碳化硅的彈性模量(420GPa)較高保證了壓力和溫度的影響下密封面和輔助件的變形最小。因此,在所有操作期間,確保了密封間隙的穩定。碳化硅優良的熱傳導性(導熱系數為100~125W/m.K)保證必要的熱量消散,因此密封端面的溫度分布也是均勻的。
  密封面采用硬對硬組對,為了在啟動和停車時,增強偶然端面接觸的自潤滑性,博格曼干氣密封在采用硬對硬材料組對時,碳化硅表面噴涂金剛砂-即DLC=diamond-like carbon。
2、輔助密封材料
輔助密封材料見表4。對于輔助密封最重要的特性是溫度極限,擠壓特性和壓力相關的氣吸現象。在氣吸的環境,密封腔的壓力突然下降將導致O型圈氣體側爆炸減壓,因此引起橡膠圈的變形。為了消除氣吸的損害,壓力下降率應低于2MPa/min。
O型圈材質
博格曼代碼
 
溫度極限℃
 
硬度(Sh)
 
應用
 
 
DIN24960代碼
 
       
氫化晴膠
HNBR
 
-40~+125(-54~+135)
 
75
 
乙烯
 
 
氟膠
 
-20~+200
 
75~90
 
 
空氣、CO2、N2、氦和天然氣
 
 
Fluoraz
 
-10~+240(275)
 
75
 
含H2S的氣體
 
 
全氟橡膠
 
~+260(300)
 
65~90
 
高腐蝕和高溫
 
 
3、彈簧和其他結構件
彈簧和其他結構件通常用鉻鋼、不銹鋼、Mo2Ti不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼和哈氏C-4等。

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五、基本結構及分析



   

1、單端面密封結構此結構可作為一種無泄漏結構選擇, 此結構有一個可把泄漏引到一個適合的火炬或排氣口接口。在這種情況下主要的泄漏與分離氣一起被輸送到火炬或排氣口。如果輸送的氣體介質含有雜質, 介質必須被過濾后才能通過接口“A ”輸送到密封腔。這樣, 過濾的介質從密封腔流向葉輪側, 從而阻止雜質從葉輪側進入密封。2、串聯密封結構串聯結構是一種操作可靠性較高的干氣密封結構。作為油和氣工業的標準結構, 它是設計簡單且僅需要一個相當簡單的氣體輔助系統。典型應用是介質氣體少量泄漏到大氣中是容許的工況。在串聯結構中, 兩個單封被前后放置形成兩級密封。介質側密封(主密封) 和大氣側密封(輔助密封) 能夠承受全部壓力差。在一般的操作中, 介質側的密封承受了全部壓差。介質側密封和大氣側密封之間的泄漏可通過接口“C”引到火炬。大氣側密封所承受的壓力與火炬壓力相同, 因此介質泄漏到大氣側和到排氣口的量幾乎為零。此結構使用過程中, 當主密封失效時,輔助密封可作為安全密封, 保證介質不會泄漏到大氣中。3、帶中間迷宮的串聯密封結構如果工藝介質不允許泄漏到大氣中和緩沖氣體不允許泄漏到工藝介質中, 此時串聯結構的兩級密封間可加迷宮密封。典型的應用是不允許介質泄漏到大氣中, 如H2 壓縮機, H2S 含量較高的天然氣壓縮機(酸氣) , 和乙烯、丙烯壓縮機。此種結構的密封工作時, 工藝氣體的壓力通過介質側密封被降低。泄漏的工藝氣體通過接口“C”排到火炬。大氣側密封通過接口“B”被緩沖氣體(氮氣或空氣) 加壓。緩沖氣體的壓力保證有連續的氣流通過迷宮到火炬的出口。4.、雙端面密封結構當沒有火炬, 但具有可以提供合適壓力的緩沖氣體的時候,使用雙端面密封結構。由于密封熱量的產生,對于每一種工況,操作極限必須通過計算。此結構, 典型的應用是不允許介質泄漏到大氣側,主要用于石油化工行業和其他有害氣體壓縮機。雙端面密封是一種有效地防止介質氣體逃逸到周圍環境中的密封結構。它包括供給緩沖氣體,如氮氣,在兩道密封之間通過接口“B”加一個比介質壓力高的緩沖氣體( 一般緩沖氣體的壓力比介質壓力高0. 2M Pa)。緩沖氣體一部分泄漏到大氣,另部分泄漏到介質中。六、干氣密封制造質量要求  壓縮機密封和它們的緩沖氣系統產品由質量部嚴格控制。重要的材料和組件的試驗被記錄。這確保了密封及相應的緩沖氣系統產品的質量恒定和操作的可靠性。
1、 標準檢查計劃  
干氣密封和緩沖氣系統的標準試驗和檢查屬于標準檢查計劃。附加材料和組件試驗也可以要求。
標準檢查計劃的要點為:  
對于關鍵性零件符合EN 10204/3.1B標準的材料證明  .
動環的速度試驗(旋轉試驗)  .
動環的表面破裂試驗  .
靜壓和動壓功能試驗  .
平衡符合平衡等級G2.5(標準)或G1.0。
2、 旋轉試驗  
在操作期間被加載的動環的抗拉應力因離心力而減少。金屬材料制造保證材料的抗拉強度,但碳化硅制造和其他非金屬端面材料將僅采用失效概率因子作為加載功能?! ?br /> 每一個動環的強度都要試驗,因此,在旋轉試驗中,旋轉試驗需要的速度為最大操作速度的1.225倍。試驗壓力為操作時壓力的1.5倍。如果碳化硅環經住此試驗,它就能保證組件能長時間承受工作載荷。
3、 功能試驗  
壓縮機密封總是由制造商進行靜壓和動壓功能試驗。試驗是在比最高工況值高的情況下完成的??諝獗挥米髟囼灲橘|。
4、 使用壽命  
無論是否特殊,壓縮機密封的設計和材料選擇經過計算來確保在連續操作的情況下密封的壽命至少為50000小時。在橡膠易老化的流程中它是可行的。
使用60個月后建議進行下面的維護:           
更換所有的橡膠件;  
更換彈簧;  
更換所有的動環和靜環;  
在試驗臺上進行靜壓和動壓試驗?! ?br /> 不管儲存環境是否是理想的,如果密封被儲存60個月或更長,橡膠件將必須被更換且在安裝和操作前進行靜壓試驗。事實上,建議儲存24個月時就采取上述措施。
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七、干氣密封系統
1工藝流程及說明:
(a) 氮氣流程
氮氣從氮氣罐引出經粗濾器與精濾器,過濾精度達到1u后分為四路。兩路前置密封氣(緩沖氣):一路經孔板進入高壓端密封腔,另一路經孔板進入低壓端密封腔。進入前置密封腔體內氮氣主要是防止機體內介質氣污染密封端面,用孔板控制氮氣消耗量。兩路主密封氣:一路經流量計進入高壓端主密封腔,另一路經流量計進入低壓端主密封腔。壓縮機運轉時,依靠刻在動環上螺旋槽的泵送作用,打開密封端面并起潤滑、冷卻作用。一套主密封氮氣正常消耗量≤1NM3/h。 
(b)  儀表風流程
儀表風從裝置儀表風管網引出經過濾器,過濾到3u精度后,至干氣密封柜,作為隔離氣。兩路后置密封氣(隔離氣):一路經孔板進入低壓端后置密封腔,另一路經孔板進入高壓端后置密封腔。進入后置密封腔體內儀表風主要是防止潤滑油污染密封端面,用孔板控制儀表風消耗量。
2、報警聯鎖說明
主密封氣與前置緩沖氣壓差正常值:≥0.3Mpa;低報:0.1Mpa;低低報:0.05Mpa。3、操作規程
干氣密封投用:
(a)運行前要對管路進行徹底吹掃,防止管內焊渣等雜質進入密封腔,清潔腔體并將所有閥門關閉,處于待命狀態。
(b)在機組油運前至少十分鐘,必須先通后置隔離氣,且在機組運行中不可中斷,在機組進氣前,投用緩沖氣,當機組進氣后,前置密封氣壓力應比平衡管處壓力高0.05 Mpa。
(c)開機前必須投用主密封氣。
干氣密封停用:
(a)壓縮機停車后需降低潤滑油總管壓力防止潤滑油進入密封腔,造成密封損壞。(b)壓縮機正常停車后,緩沖氣及主密封氣不能立即停用,須等機體內無壓力后,且介質氣置換完全后,才可停用。
(c)壓縮機正常停車后,后置密封隔離氣必須在潤滑油循環停止十分鐘后,才可關閉。
精密流量計投用:
投用順序:流量計副線閥開—流量計下游閥開一流量計上游閥開一流量計副線閥關。
5、 日常操作要求
過濾器差壓是測量粗過濾器與精過濾器是否堵塞,差壓為60Kpa報警,此時需更換過濾器芯;更換前應先打開另一路過濾器前后的閥門,再關閉己堵過濾器前后的閥門,放空后既可更換。
6、 干氣密封事故處理
停氮氣:則干氣密封停機聯鎖動作,按緊急停氣壓機組處理。
八、操作與使用
壓力
    為了確定最大允許壓力必須考慮與密封元件的擠壓間隙和擠壓特性相關的密封端面的變形。所有間隙必須被計算來排除在操作壓力和操作溫度下輔助密封元件的擠壓。
   每一個氣體密封的間隙情況必須根據有效的操作溫度檢查。
溫度
    為了確定最大允許操作溫度,不僅考慮被密封氣體的使用溫度也要考慮密封間隙間的渦流和摩擦所產生的熱。這些熱與密封的速度、壓力、氣體和密封設計結構有關。因此,在應用溫度下,密封的每一個元件都應被計算。
    這些計算的溫度應低于材料的特性溫度,即密封元件的最大允許溫度。
端面速度
    端面的最大滑移速度以端面材料允許作用的載荷為基礎,計算的安全系數至少為1.5,允許靠離心力來減少張力。它們在旋轉試驗中檢查。
    最大滑動速度數值根據用來計算的直徑不同,每種制造也是不同的。動環的內徑或外徑和靜環的動態的或氣動的直徑全是可能的。
    碳化硅動環外徑的最大滑動速度可以達到200m/s。
一般操作范圍
    壓縮機氣體密封的基本形式應用范圍如下:
    公稱直徑 46~250mm
此直徑指的是動環的內徑(小于或大于此范圍的公稱直徑也是可以的)。
    壓力 2~10MPa(絕)(橡膠輔助密封) ;  >10~25MPa(絕)(非橡膠輔助密封)最大壓力差與材料和公稱直徑有關。
    溫度-20℃~+200℃(橡膠輔助密封)  ;-55℃~+250℃(非橡膠輔助密封)
    滑動速度 動環外徑的最大速度Vg為200m/s。最大操作速度與滑動面的材料有關。
    允許的軸位移軸向:DN46~118   標準為±1.0mm
DN130~220   標準為±2.0mm
DN230~250   標準為±3.0mm
    特殊形式為:最大±4.0mm
    徑向:DN46~250   標準為±0.6mm
1、 操作注意事項
①干氣密封元件加工精度高,因此要求密封氣體是清潔的,最大顆粒尺寸為5μm②防止密封面上帶油或其它液體③單向的干氣密封要嚴禁倒轉,否則將干氣密封失效甚至損壞,密封氣的流量是干氣密封運行工況好壞的晴雨表,流量穩定則說明干氣密封運行情況良好。干氣密封運行時如出現密封N2氣流量漸漸增大,說明干氣密封的工作元件出現了問題,這時要引起重視,具體情況具體分析.另外:安裝單向干氣密封時,一定要注意盤車的方向要與密封環旋轉方向相同,而安裝雙向干氣密封就沒有這樣的要求。
2、干氣密封在使用過程中需要注意的問題:
干氣密封作為離心壓縮機的重要部件,對壓縮機的平穩運行影響很大,在操作中要引起特別的注意。
1)  對密封介質的潔凈度要求:雜質粒度≤3μm,溫度≤40℃,含液量≤500ppm(w/w);
2)  密封氣、隔離氣要先于潤滑油供應而后于潤滑油切斷,避免潤滑油進入密封體內污染密封面,這種狀況下運行極易造成密封面的損壞。
3)  嚴禁機組運轉過程中保證密封氣的供給,因為密封氣的中斷會導致密封面干磨,很短時間內密封就會燒壞,另外采用壓縮機自身工藝氣作為密封氣時要注意密封氣的脫液,防止液滴進入密封面破壞密封,還要注意壓縮機工藝參數變化對密封的影響,不能保證密封氣供給時及時投用輔助密封氣。
4)  杜絕機組倒轉,根據螺旋槽的設計方向,氣體只有沿設計方向進入螺旋槽,密封面之間才能形成氣膜,脫離接觸;如果機組倒轉,則會導致動靜環直接接觸發生干摩擦,密封很快燒毀。所以,操作上遇到機組突然停車時,要及時打開反飛動閥降背壓,同時要迅速關掉機組出口閥,防止機組倒轉。
5)  干氣密封本身可靠性較高,但其連鎖控制系統需要根據實際情況綜合考慮,避免由于假信號引起機組連鎖誤動作。
6)  運行過程中要密切注意干氣密封系統有關參數的變化,從中找出干氣密封運行情況的變化。必要時調節可以干氣密封一級放火炬排放線的針型閥調整密封排氣壓力。
7)  由于正常時干氣密封泄漏量較小,基本為設計失效流量的1/5~1/8,而流量測量儀表是按照設計失效流量進行的選型,在低流量下存在較大的誤差。
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