泵用干气密封原理及应用 四川日机密封件有限公司 四川密封技术研究所 联系电话：028-85068310，85076596 通讯地址：成都市武侯区长益街1号 邮政编码：610041 传 真：028-85087055 网 址：www.daodoc.com 泵用干气密封原理及应用
一、引言
二、干气密封的工作原理
三、泵用干气密封的典型结构
四、泵用干气密封的设计和改造
五、四川日机密封件有限公司对干气密封的研制及应用
附：四川日机密封件有限公司干气密封业绩表
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泵用干气密封原理及应用
一、引言
干气密封是一种新型的非接触式轴封。干气密封的概念是六十年代末期从气体润滑轴承的基础上发展起来的，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。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，它主要用于管线、海洋平台、炼油厂、石油化工行业等，适合于任何输送气体的系统。由于干气密封属于非接触式密封，它的寿命比机械密封长许多倍。干气密封的出现，是密封技术的一次革命，气体密封的难题从此得以解决，而不再会受到密封润滑油的限制。其所需的气体控制系统比油膜密封的油系统要简单得多。另外，干气密封的出现也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，这就使得干气密封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： 取消了封液系统，气体控制系统简单可靠。 大大减少了计划外维修费用和停车频次。 可以实现输送介质零泄漏。
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。
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
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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：
图1
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：
图2
四川日机密封件有限公司通过对干气密封各种槽型的反复试验，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
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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。
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
图3
图4
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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。
三、泵用干气密封的典型结构
对于不同的工况条件，可采用不同的干气密封总体结构形式。实际应用中，泵用干气密封有下面五种结构形式：
1、单端面密封
单端面密封主要用于不属于危险性的气体，即允许少量介质气体泄漏到大气环境中的场合。密封所用气体为工艺气本身，如图5所示。由于泵类用作输送气体的情况非常少，因此这种密封结构的应用很少。在有些场合中它可用作的立式潜水泵的主密封。如果使用液体润滑机械密封，必须要用液体对密封端面进行润滑冷却，实际操作非常困难。而使用干气密封是最适合的解决方法。
图5
2、普通机械密封与干气密封串联的型式
该密封为介质侧机械密封和大气侧干气密封前后串联布置的结构（GP-1型泵用干气密封）。第一级的机械密封为主密封，第二级干气密封是作为安全密封来使用的。第一级机械密封基本上承受全部的压差，该密封工作在泵输送的工艺介质中。第二级干气密封通常情况在很低的压差下工作。由于其摩擦副始终保持在非接触状态下运行，没有任何磨损，在一级机械密封损坏前能够一直处
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于理想的运转状态，故干气密封是做为安全密封最适合的型式。
根据介质的性质及不同的环保要求，该结构还可分成以下几种形式
图6 a.第二级干气密封中的气体可以来自主密封的气态泄漏，对于一些介质（例如碳氢化合物），压力的释放会使其由液相转换为气相，如图6所示。当主密封失效时，会导致密封腔体中的压力升高，使干气密封自动闭合，并以液体润滑形式工作。密封腔压力升高,可由安装在密封腔体中的一个压力开关探测到，当压力升高会引起开关报警。这样逸出到环境中的液体量是有限的。这种方法的一个优点在于它不需要一个缓冲气体供应系统,是一种非常经济的解决方案。但它依赖于介质的物理特性。
图7
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b.当环保要求很高，介质气体易燃、易爆、危险性大而要求外漏极少时，第二级的干气密封就需外部气源提供缓冲气，如图7所示。使用缓冲气的目的是将泄漏气体输送去火炬,同时引入带压的缓冲气还可相对降低第一级机械密封所承受的压差，抑制一级密封的泄漏，润滑安全密封，同时还可对少量漏出的介质气起到稀释作用。
图8 该系统见图8，在一般情况下，用氮气作为缓冲气。氮气经过滤和调压后连续地输入干气密封的密封腔内,少量氮气会从干气密封的端面漏出(通常＜20Nl/h)，其中仅含微量介质气(＜1%)。在缓冲气的入口和通往火炬的出口都有单向阀，防止气体互窜。通往火炬的出口加有压力释放阀用以调节缓冲气通往火炬系统的流量。当二级密封腔压力增加到一定值时，系统的压力释放阀开启，将泄漏的介质引入火炬，确保介质不会大量外泄至环境中。在缓冲气的控制系统中加有流量计，用来监测干气密封是否正常工作。正常情况下，缓冲气入口端玻璃浮子流量计显示流量即为干气密封的泄漏量，该值稳定且较小，若干气密封出现异常工作时，会导致流量明显增大。无论是压力还是流量的明显增加，都意味着该密封出现失效的情
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况，操作人员应及时停泵，并切换至另一路泵运行。
c.在泵腔尺寸允许的情况下，可在第一级机械密封与第二级干气密封之间加衬套或迷宫密封，如图9所示。一方面，该迷宫密封减少了缓冲气的消耗，降低了介质进入安全密封的压力，另一方面，泄漏的有毒气体将被缓冲气完全带入一个封闭、安全的系统如火炬。这种方案在主密封失效的情况下仍可短时运行，安全可靠性更高。
机械密封和干气密封串联布置的结构与普通无压串联机械密封相比，有以下显著优点：
图9 大大延长了主密封的寿命
一级机械密封出现允许范围内的微量泄漏是很正常的，微量泄漏会很快使二级机械密封封液系统的压力升高，导致密封未失效而需停车检修。为了避免这种情况，有些厂家采用很高的密封端面比压来减小主密封的泄漏量（如塑料部聚丙烯装置P301），由于挥发性介质的润滑性很差，主密封的磨损很快，寿命提高非常有限。干气密封做安全密封就能很好地解决这个问题, 一级机械密封的微量泄漏可通过二级干气密封输送到火炬系统，且一级机械密封的微量泄漏导致二级干气密封腔压力的升高会抑制机械密封端面的汽化，又减少了机械密封的泄漏，延长了主密封的寿命。我们为茂名乙烯提供的这种干气密封将其寿命由普通串联密封四个月提高到了两年。
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大大提高了密封系统的安全性
普通串联密封的安全密封与主密封处于同时磨损状态，且主密封泄漏出的介质在第二级密封腔内汽化，使第二级密封常在汽、液相混的状态下工作，这样就使二级密封的寿命缩短，当主密封失效时安全密封的状况常常也难以乐观，或先于主密封失效（如1号芳烃），从而导致事故。干气密封平时处于无压无磨损状态，其寿命是机械密封的很多倍，对于提高系统安全性的意义不言而喻。
降低维护频次，经济实用性好
由于寿命的提高和密封驱动功率的减小，气体控制系统的制造成本也低于封液系统，故其经济性远优于普通串联密封。
3、双端面干气密封
双端面泵用干气密封（GP-2型泵用干气密封）的典型结构如图10所示：
图10 双端面泵用干气密封相当于面对面布置的两套单端面密封，有时受轴向尺寸的限制两套密封可共用一个动环。它适用于没有火炬条件，允许少量缓冲气进入工艺介质中的情况。双端面干气密封其介质侧密封是主密封，大气侧密封用来密封缓冲气，当介质压力骤升或气源压力骤减导致主密封损坏时，它又起到安全密封的作用。双端面泵用干气密封必须带外部气源提供的缓冲气，缓冲气的压力高于被密封的介质压力0.3Mpa。密封工作时，缓冲气的总消耗量大约在
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10至40NL/h，其中大部分缓冲气通过大气侧密封端面漏入大气，其余少量气体由介质侧密封端面进入介质，从而保证了工艺气体不会向大气泄漏。如缓冲气体供应中断，密封也可象液体润滑机械密封一样运行。此时介质侧密封在压力作用下关闭。缓冲气供应系统中的单向阀可阻止介质进入系统。工艺介质也可润滑冷却介质侧密封端面。这种情况下，可能有一定的泄漏进入密封腔体。在泄漏的介质到达大气侧密封前，该密封会一直以气体润滑方式运行。因此，双
图11 端面密封结构主要用于有毒、易燃易爆的气体以及不污染外界的食品加工和医药加工过程。
双端面型泵用干气密封可以保证工艺介质的零泄漏，同时它的寿命远远高于普通机械密封，一般情况下可以达到两年以上，具有很高的推广价值。由于安装有缓冲气失效检测装置和警报装置，所以可以保证该系统足够安全的运行。这种结构形式密封的缓冲气的控制系统与前面串联带缓冲气的控制系统非常类似，只是一般情况下不需要通向火炬，如图11所示。
4、串联式干气密封
第一级干气密封（介质侧）用于密封工艺介质，缓冲气压力比被密封介质高0.2～0.3MPa，第二级密封作为安全密封，可实现工艺介质的零泄漏。它常用于含颗粒介质的工况。
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干气密封的密封端面要求非常洁净，任何杂质进入端面都可能造成密封损坏。对于有些含有较高颗粒度的工艺介质，如果使用双端面型泵用干气密封，介质中密度较大的细小颗粒在离心力的作用下有可能进入密封端面，从而导致密封失效。针对这种工况，我们开发出了相应的密封结构形式（GP-3型泵用干气密封）。如图12所示：
图12 从图12中可以看出该干气密封的特点：
介质侧干气密封采用静止式设计，可以使在颗粒介质中高速旋转的零件最少而且外形规则，避免了颗粒对密封的磨损。
采用了内环刻槽技术，颗粒介质处于密封面外侧，离心力作用的效果使得颗粒更难以进入端面。
介质侧采用硬对硬的端面配对，使颗粒对端面外侧的磨损程度大大降低。
从本质上讲，GP-3型也是双端面干气密封，只不过它采用了难度更高的内环刻槽技术和具有一些针对性的结构特点。它的工作原理和性能参数都与双端面干气密封差不多，控制系统完全相同，受限条件也相同。但受颗粒的影响它的寿命有可能略低一些。由于内环刻槽难度更高，且稳定性不如外环刻槽，所以不是万不得已的情况下我们仍然推荐使用普通双端面干气密封。
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5、金属波纹管型干气密封
在高温和低温的环境下，由于辅助密封圈的材料受限制，可以选用金属波纹管型干气密封。波纹管结构具有良好的浮动性和追随性，可保证动、静环端面始终处于良好的平行状态，减少了泵的运转精度的变化对其的影响，增加了运转的可靠性。由于干气密封要求弹簧比压很小，所以动环密封圈的摩擦阻力是设计时要考虑的重要因素。采用金属波纹管型干气密封则可以完全消除这种阻力，对干气密封而言非常有利。图13为热油泵波纹管干气密封的典型结构，该结构除具有波纹管密封的优点外，还具有尺寸紧凑的优点。由于采用静止式结构，两端密封共用一个动环，轴向尺寸极短，可用在泵腔尺寸不足，干气密封无法装入的情况。
图13
四、泵用干气密封的设计和改造
干气密封虽然在工作时端面为非接触，但在开停车时仍会有短暂的接触，这就要求配对材料的耐磨性好。干气密封摩擦付材料，硬环一般采用低膨胀系数、高弹性模量、抗拉强度、热导率及硬度的材料，如SiC或硬质合金。软环用浸漬石墨。端面开槽的环可以是动环，也可以是静环。
干气密封在结构上与普通机械密封差别不大，其设计除弹簧比压、载荷系
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数、密封圈过盈量等参数需特殊考虑外，主要还体现在密封环端面槽形参数的设计上。干气密封的理论基础源于螺旋槽推力轴承，气体的动压效应服从于雷诺方程及纳维尔-斯托克斯方程。我公司采用有限元差分法进行数值计算，由公司开发的专用软件可计算出螺旋槽密封面的气膜压力分布，并进一步求得螺旋槽干气密封的承载能力、密封的气膜刚度以及密封的气体泄漏量。
干气密封运转的稳定性和可靠性取决于密封面气膜刚度大小，无论是工艺参数还是螺旋槽结构参数对密封性能的影响，都主要体现在对气膜刚度的影响，气膜刚度越大，密封稳定性越好。我公司在考虑气膜刚度的同时，也考虑了密封的泄漏量，即密封应具有最大的刚漏比。其物理意义是密封既具有较大的刚度又具有较小的泄漏量，这一点对于泵用干气密封的介质侧更具有现实意义。只有同时具有最大刚漏比和较大气膜刚度的干气密封才能保证密封长周期、稳定、理想地运行。
影响气膜刚度的螺旋槽的结构参数主要有槽深、螺旋角、槽数、槽宽与堰宽比、槽长与坝长比等，需用专用软件进行优化设计。而影响气膜刚度的工艺参数主要有以下几类：
1． 缓冲气粘度
密封气粘度的大小对气膜刚度的影响比较大，粘度越大、动压效应越强、气膜刚度也就越大。
2． 密封气温度
在不同温度下，气体的粘度是不一样的；温度越高、粘度越大、气膜刚度越大。
3． 密封转速
转速越高，动压效应越强、气膜刚度越大。在理想状态下（即不考虑密封加工精度和安装精度的影响），干气密封的转速越高、其稳定性越好，而不受机械密封PV值的限制，因此干气密封特别适合高速运转下使用。很好的槽形设计可以使得密封在较低的转速下即可获得足够的气膜刚度，从而保证端面稳定脱离。这对轴径相对较小转速较低的泵用干气密封更重要。
4． 密封端面的直径大小
在同一转速下，密封直径越大线速度越高，气膜刚度越大。
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5． 缓冲气的压力
缓冲气压力对气膜刚度的影响较小，一般来说，压力越高，气膜刚度略有增大。
与压缩机相比而言，泵用干气密封的缓冲气控制系统要简单得多。如图8所示GP-1型的控制系统，缓冲气经过过滤器、调压阀、流量计后直接进入密封腔。监测和报警只有密封腔压力和流量，气源压力过低或主密封损坏导致密封腔过高都由一个表来监控，安全密封损坏由流量计监控。这种简单的设计主要基于成本考虑，泵的重要性远不如压缩机，更主要的因素是都有备用泵，加之泵输送的都是液体，主密封损坏后安全密封可以作机械密封使用，而压缩机则无法做到。所以其控制系统只要满足基本需要即可。
泵用干气密封改造的基本条件是现场必须具备气源，气源气体可以是介质气体，也可以是对环境无污染的惰性气体，如氮气。气源可来自厂内，也可来自专门的氮气发生器。实际工作中常遇到的问题是密封腔的尺寸不足，这是因为干气密封的端面宽度比普通密封宽得多造成的，这对结构设计提出了更高的要求。改造能否成功的另一个关键因素是清洁工作是否彻底。从GP-2型和GP-3型的结构来看，缓冲气进入密封腔后唯一的出口就是密封端面，如果管路或密封腔内有杂质，其进入端面的可能性就很大。这就要求现场安装人员要有足够的细心、耐心和责任心。
五、四川日机密封件有限公司对干气密封的研制及应用
提供性能可靠的干气密封产品，密封的理论设计、制造加工、性能试验缺一不可。四川日机密封件有限公司(四川密封技术研究所)从1992年开始，着手对干气密封进行研究，经过艰苦攻关，已完成干气密封的理论研究、设计制造、试验台建设等工作，为提供合格的干气密封产品奠定了坚实的基础。
干气密封理论研究主要着重于如何提高干气密封运行的稳定性，即如何使密封产生最大的气膜刚度。为此我们编写了用于干气密封设计的专用计算软件，对影响密封刚度的结构参数进行优化设计。并按照理论计算结果，加工制造出螺旋槽干气密封进行了模拟运转台架实验，实验结果与理论计算非常吻合，肯定了理论研究的正确性。通过专用的设计软件，使得干气密封的设计变得十
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分快捷、准确。只要将操作参数及密封轴径输入计算机，很短时间内即可得出最佳的螺旋槽参数以及泄漏量、消耗功率等。目前，公司提供干气密封可达到的使用参数为：转速1～150m/s；压力0～8.0Mpa；温度-40℃～160℃。连续使用寿命不低于三年。
我公司建立了严格完整的质量保证体系，并于1999年通过了挪威船级社ISO9001质保体系的认证。对密封各零部件的制造加工以及性能检测制定了严格的质量检查和操作规程，可确保向用户提供高质量的产品。
我公司自1997年为大庆石化提供了第一套干气密封并成功投入运行以来，已陆续为上海石化、九江石化、镇海炼化、齐鲁石化、茂名石化、渭河化肥、兰化公司、乌石化公司等十余家用户的泵及压缩机的干气密封做了成功的修复和国产化工作，总计五十余套。2000年，“螺旋槽气体润滑端面密封开发研究”项目获得了四川省科委鉴定，取得了良好的社会效益。
我1．
公司具有加工干气密封端面的专用设备。该设备为我公司利用机光电一体化技术专为制造干气密封而研制开发，具有九十年代国际先进水平。可在碳化钨硬质合金、碳化硅、石墨以及各种金属表面加工不同深度、形状的干气密封动压槽。可达到槽深不均匀度≤1μm，槽底部粗糙度Ra≤1.6μm。产品经多次现场试验表明可完全替代进口。
2． 尺寸精度由三坐标测量仪、万能工具显微镜和立式光学投影仪（精度均为0.1μm）检测可得到充分保证。
3． 公司现有13000r/min高速试验台架一台、12000r/min高速PV试验台一台、25000r/min超高速试验台一台以及数台泵用密封试验台，能满足所有国内现有压缩机用干气密封和泵用干气密封的台架模拟试验需要。
4． 公司的《干气密封台架模拟试验规程》是在参照美国石油学会的API-617标准中《离心压缩机气体密封试验规程》的基础上，再适当提高要求所制定。可确保密封工业运行的可靠性。
5． 公司采用德国申克动平衡试验机对密封转动件作动平衡检测，其精度要求高于API6
17、ISO1940标准的有关规定。
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耐腐蚀多级泵用机械密封检修中的六大误区_长沙中联泵业有限公司
