干气密封技术与应用.ppt

干气密封技术与应用,目 录,1.干气密封概述1.1干气密封发展史1.2干气密封的优点1.3干气密封工作原理1.4.影响干气密封性能的主要参数1.5干气密封的主要特征2.干气密封典型结构及控制系统2.1.泵用干气密封及控制系统2.2高速离心压缩机用干气密封及控制系统2.3搅拌器用干气密封及控制系统2.4其他特种设备干气密封及控制系统3.干气密封与机械密封对比4.干气密封操作、维护注意事项5.案例分析,1.干气密封概述,1.1干气密封发展史1969年，英国约翰克兰公司在气体润滑轴承的基础上提出干气密封理论并开始从事干气密封的研究。1976年，约翰克兰公司设计制造的第一套干气密封在海洋平台输气管线离心压缩机上得到使用。1979年伽布利尔做出平面惠普尔螺旋槽气体密封，并发表非接触式螺旋槽端面密封原理的文章。1985年，美国杜拉美特立公司掌握干气密封技术并开始制造干气密封。1987年、1988年德国的伯格曼和美国的EG&G SEALOL公司开始从事干气密封生产制造。19881990年石油大学（华东）顾永泉、王建荣等首先研制和试验了泵入式圆弧槽气体端面密封获我国国家实用型专利92203159.2。定义：干运转、气体润滑、非接触式机械端面密封的简称。,1.2干气密封的优点,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。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；,1.3干气密封工作原理,干气密封即干运转气体密封，是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。典型的干气密封结构如图 所示，由旋转环、静环、弹簧、密封圈以及弹簧座和轴套组成。,端面材料可选用SiC、氮化硅、硬质合金或石墨。,左图 所示为干气密封旋转环示意图，旋转环密封面经过研磨、抛光处理，并在其上面加工出有特殊作用的流体动压槽。干气密封旋转环旋转时，密封气体被吸入动压槽内，由外径朝向中心，径向分量朝着密封堰流动。由于密封堰的节流作用，进入密封面的气体被压缩，气体压力升高。在该压力作用下，密封面被推开，流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜，此气膜厚度一般在3微米左右。气体动力学研究表明，当干气密封两端面间的间隙在23微米时，通过间隙的气体流动层最为稳定。当气体静压力、弹簧力形成的闭合力与气膜反力相等时，该气膜厚度十分稳定。,干气密封与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。为了获取泵效应，气体槽必须开在高压侧（也就是密封面外侧），槽深仅有几微米，端面间必须有干燥洁净的气体，来保证两端面之间形成一个稳定的气膜使两端面保持一定的间隙，间隙大密封效果不好，间隙小端面发生接触，摩擦热不能散失，端面间接触很快引起端面变形而失效,根据泵送原理，干气密封旋转环旋转时，密封气（始终比介质压力高0.20.3MPa）被向内泵送到螺旋槽的根部，由外径朝向中心，径向分量朝着密封堰流动。由于密封堰的节流作用，进入槽内的气体被压缩，气体压力升高。在该压力作用下，密封面被推开，流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜，此气膜厚度一般在3微米左右。气体动力学研究表明，当干气密封两端面间的间隙在23微米时，通过间隙的气体流动层最为稳定。这也就是为什么干气密封气膜厚度设计值选定在2-3微米的主要原因。气体通过端面间隙时，靠节流和阻塞而被减压，从而实现介质气体的密封，几微米的密封间隙会使气体泄漏量保持最小。,气体向中心泵送,气体受压，压力升高，产生间隙,单向螺旋槽,双向螺旋槽,单向槽包括：螺旋槽、V型槽，优点动压效应强、气膜刚度大，抗外界扰动能力强；缺点不能反转。,双向槽包括枞树、U型槽、T型槽，优点可以长时间反转；缺点较单向槽动压效应弱，气膜刚度小。（一般优先采用单向槽，特殊情况双向槽）,受力分析,正常条件下，作用在密封面上的闭合力（弹簧力和介质力）等于开启力（气膜反力），密封工作在设计工作间隙。当气体静压力、弹簧力形成的闭合力与气膜反力相等时，该气膜厚度十分稳定,相反，若密封气膜厚度增大，则气膜反力减小，闭合力大于开启力，密封面合拢恢复到正常值。,当受到外部干扰，气膜厚度减小，则气膜反力增加，开启力大于闭合力，迫使密封工作间隙增大，恢复到正常值。因此，只要在设计范围内，当外部干扰消失以后，气膜厚度就可以恢复设定值。可见，干气密封的密封面间形成的气膜具有一定的气膜刚度，气膜刚度越大，干气密封抗干扰能力越强，密封运行越稳定可靠。干气密封的设计就是以获得最大的气膜刚度为目标而进行的,1.4.影响干气密封性能的主要参数,1.4.1.密封端面结构参数1)干气密封动压槽形状 密封端面的流体动压效应与槽形有关。干气密封端面的流体动压槽有多种形式，如螺旋槽、人字形槽等适用于轴单向旋转的槽型，有T形槽、枞树形槽等适用于轴双向旋转的槽型。,从流体动力学角度来讲，在干气密封端面开任何形状的沟槽，都能产生动压效应。理论研究表明，对数螺旋槽产生的流体动压效应最强，用其作为干气密封动压槽而形成的气膜刚度最大，及干气密封的稳定性最好,2)干气密封动压槽深度 理论研究表明，干气密封流体动压槽深度与气膜厚度为同一量级时密封的气膜刚度最大。实际应用中，干气密封的动压槽深度一般在310微米。在其余参数确定的情况下，动压槽深度有一最佳值。3)干气密封动压槽数量、动压槽宽度、动压槽长度 理论研究表明，干气密封动压槽数量趋于无限时，动压效应最强。不过，当动压槽达到一定数量后，再增加槽数时，对干气密封性能影响已经很小。此外，干气密封动压槽宽度、动压槽长度对密封性能都有一定的影响。,操作参数对密封泄漏量的影响,1密封直径、转速对泄漏量的影响 密封直径越大，转速越高，密封环线速度越大，干气密封的泄漏量就越大。2密封介质压力对泄漏量的影响 在密封工作间隙一定的情况下，密封气压力越高，气体泄漏量越大。3介质温度、介质粘度对泄漏量的影响 介质温度对密封泄漏量的影响是由于温度对介质粘度有影响而造成的。介质粘度增加，动压效应增强，气膜厚度增加，但同时流经密封端面间隙的阻力增加。因此，其对密封泄漏量的影响不是很大。,1.5干气密封主要特征,允许最大轴向窜量通常为3.2mm允许最大径向跳动通常为0.6mm极低的工艺气泄露能承受速度和压力的快速变化由于非接触的特点，理论上密封寿命可以认为没有期限取消了密封油系统，防止了油系统的污染减少了维修费用集装式设计易于安装,2干气密封典型结构,单端面干气密封,单端面干气密封是最基本的密封结构形式，主要用于被密封气体压力较低且允许少量工艺气体泄漏到大气侧的场合。因此要求工艺气体对环境无污染，如空气、二氧化碳、氮气、蒸汽等。,经过滤后的工艺气体进入密封腔，其中大部分经梳齿密封进入机体，防止工艺气体进入密封腔，少部分密封气体经端面后和部分隔离气一起排向大气。,单端面密封,工艺气,轴承,单端面密封主要用于没有危险的气体，如空气、氮气和二氧化碳,最大动态压力:82 bar g,串联式密封,二级放空,一级放火炬,过滤后的工艺气,带中间迷宫的串联式干气密封用于有毒、可燃性和危险气体,双端面密封,工艺气,轴承,用于有毒或含颗粒的工艺气和压缩机入口压力低的情况,干气密封典型结构及控制系统,2.1.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：.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”;.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；.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0.150.2MPa.。泵用双端面干气密封的不足之处是：.需要保证一定压力的气源，气源压力至少高于介质压力0.2MPa;.有微量气体进入工艺流程。,21泵用双端面干气密封,1、适用于气源压力稳定、泵入口压力不高，工艺上允许有少量密封气进入的场合；2、特别适用于有毒液体的密封，可以做到介质零逸出；3、密封使用寿命长，可达3年以上。,泵用双端面干气密封控制系统,图为泵用双端面干气密封控制系统图，密封气经过过滤器后减压至密封所需工作压力，再进入密封腔，该压力一般高于介质压力0.20.3MPa。进入密封腔中的密封气一小部分泄漏进入工艺，大部分往大气泄漏。泵用干气密封泄漏量一般在0.010.1标准立方米/小时左右，该泄漏量可通过控制系统中的流量计测得，流量计的作用即监视干气密封运转性能。为保证干气密封气源的可靠性，有时干气密封系统配备有备用气源，当主气源出现意外时，备用气源自动投入使用。为防止泵切换时的抽空，也可加泵腔排气系统。,泵用双端面干气密封系统流程图,该排气系统可以保证干气密封正常内漏的氮气不进入工艺，避免氮气内漏给工艺造成影响；排气系统相当于反冲洗，避免密封腔液体不流动而形成颗粒介质堆积，可以提高整体密封的寿命。,双端面机械密封与干气密封系统比较,双端面干气密封、双端面机械密封及单端面机械密封的性能比较,2)串联式干气密封,泵用串联式干气密封具有如下特点：.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；.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；.主密封泄漏的易挥发工艺介质随密封气排入火炬，不易挥发介质排入泄漏收集罐定点排放，保证工艺介质不向大气泄漏，是一种环保型密封；.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。.该类密封使用寿命取决于机械密封的使用寿命，一般在23年左右。.该类密封对密封气压力要求不高,即使密封气中断，干气密封也不会损坏。泵用串联式干气密封的不足之处是：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。,机械密封部分,密封结构：多弹簧结构、单弹簧结构、金属波纹管结构、橡胶波纹管结构使用温度：高温380，低温-180 使用场合：炼油、石油化工、化肥、磷肥、造纸、医药、火力发电等行业,泵用串联式干气密封系统流程图,适用范围：1、易挥发介质中含C5以上不易挥发的重组分；2、不易挥发流体中含有有毒气体，如芳烃、丁二烯、富胺液，含硫污水，氨水等。,串联式泵用干气密封控制系统,串联式泵用干气密封控制系统图，密封气经过滤后进入密封腔，气体压力与现场氮气管网相同（一般为0.50.7MPa）。密封气出口经限流孔板后与火炬线相连，保证主密封泄漏出的微量易挥发工艺介质进入火炬，不挥发介质进入泄漏收集罐。当主密封泄漏量过大或密封失效后，大量工艺气体进入干气密封的密封腔体，由于孔板的限流作用，密封腔内压力上升，密封气入口单向阀关闭。当密封腔压力超过设定值时，表明密封失效。,2.2离心压缩机用干气密封,离心压缩机、风机输送的介质为气体。根据不同工况条件，可采用以下几种密封形式：1)单级干气密封单级干气密封主要用于中低压条件下，允许少量工艺气泄漏到环境中的场合。如图所示。适用介质：空气、N2、CO2、蒸汽等对环境无污染介质。,离心压缩机单端面干气密封控制系统,2）双端面干气密封,密封采用双端面结构，密封气为外部引入的非工艺介质气体，密封气压力应高于工艺气体压力0.20.3MPa;该结构适用于有毒、可燃或工艺中含有颗粒的气体。密封非接触运行，具有很长的使用寿命（5年以上）及很低的功率消耗。双端面干气密封结构主要用于输送有毒、易燃、易爆气体的场合。该类密封一般采用氮气作为阻封气体。,2.3搅拌器用干气密封,搅拌器的特点：转速低、轴摆动大、压力高。搅拌器轴封最常用的是填料密封和机械密封。填料密封由于使用寿命短，介质泄漏量大，目前已逐渐淘汰。搅拌器用机械密封一般采用双端面机械密封，密封腔中通入高于介质压力的密封液，对密封进行冷却冲洗。由于工艺的原因，很多搅拌器不允许润滑油、水等机械密封常用的封液进入流程，这就使得机械密封的使用受到限制；或者工艺不得不降低要求，允许少量异物进入工艺流程。低速干气密封，可在0500r/min转速范围内应用，为搅拌器轴封提供了更好的选择。它极大地提高了轴封的使用寿命，降低了搅拌器的维修费用。搅拌器用干气密封一般采用双端面结构，密封腔中通入密封气（一般为氮气），密封气压力高于介质0.2MPa左右。密封运行中，仅有微量密封气进入工艺流程。搅拌器用干气密封使用寿命一般在35年左右。扬子石化HA604 汽提塔蒸釜,HAC气等，81.2RPM,3.3釜用干气密封控制系统,图20 为釜用干气密封控制系统图，其工作原理与泵用干气密封系统基本相同。,3.4其他特种设备干气密封,罗茨风机干气密封螺杆压缩机干气密封离心机干气密封(采用双端面,密封结构型式类式泵用双端),4干气密封操作、维护注意事项,1 干气密封安装注意事项1.1安装干气密封部位的轴（或轴套）按下列要求安装干气密封部位的轴（或轴套）的径向跳动公差不大于0.02mm，轴向窜动量不大于0.3mm。安装密封轴定位面端面跳动不大于0.005mm.安装辅助密封圈的轴（或轴套）的端部按图1所示倒角，以便于安装。其中：f=13mm;D:1530。1.2安装干气密封部位的壳体按下列要求壳体与静密封“0”形橡胶圈接触按图2所示，以便于安装。图2其中：C=1mm3mm;D:1530。,图2,图1,壳体与“0”形橡胶圈接触部位表面粗糙度Ra值不大于3.2m。1.3干气密封安装前需检查主要密封元件有无影响密封性能的损伤，如有损伤应及时更换或修复。1.4安装干气密封前必须将轴（或轴套）、密封壳体表面及所有进气孔擦拭干净，防止颗粒杂质进入密封部位。1.5检查密封腔尺寸与密封总装图是否一致，轴与腔体的垂直度和同心度是否良好。1.6检查轴的旋向和密封总图所示给方向是否一致，以免干气密封被损坏。1.7在轴套密封圈上涂抹润滑脂，以便安装方便。2.干气密封的安装和拆卸：2.1 干气密封的安装：密封为集装式密封，装卸时无需解体，直接将密封用联接螺栓连接在密封腔上，在叶轮定位完毕后，再将驱动环上紧定螺钉拧紧。密封安装完毕，取下定位块并妥善保存以备拆卸时使用，盘车无异常即可。2.2 干气密封的拆卸装上定位块，松开驱动环上紧定螺钉。取下联接螺钉，然后可将整套密封取下。,3.干气密封控制系统安装和连接,3.1 系统的安装系统的安装位置应以不影响设备的日常操作及维修为准（为泵厂配套的控制系统建议直接固定在机座上）。在控制系统安装定位时能直接固定在机座上的，直接固定在机座上。3.2系统的连接系统与密封的连接在密封安装好，系统固定好后。系统带泄漏收集罐，先将系统上有“接密封腔入口”或“接GBI”标识的接口连接到干气密封上标识为“GBI”的接口上；将密封上有“CSD”标识的接口用管线连接到泄漏收集罐的“泄漏进”标识的接口上，再将泄漏收集罐上有“泄漏气体出”标识的接口连接到系统上有“接密封腔出口”或“接CSV”标识的接口上。系统没有配置泄漏收集罐，则直接将系统上有“接密封腔出口”或“接CSV”标识的接口连接在密封上标识为“CSV”的接口上。备注：密封与系统之间的内部连接接口尺寸均为R1/4-8的卡套式接口。系统与氮气管线、火炬管线的连接用户负责将氮气管线、放空火炬管线引到控制系统旁(双端面控制系统无火炬放空管线)。控制系统上预留了氮气管线、放空管线的连接接头。注：接头方式根据用户需要预留，成都一通公司标准是预留的R1/2的外螺纹接头，也可根据用户需要预留法兰接口。现场连接时将氮气管线与系统上标识“接氮气源”的接口相连接；将火炬管线与系统上有“接火炬管线”标识的接口相连接即可。,因为反压可导致主密封的损坏。双端面干气密封使用中应注意以下几个方面密封气的气量供应必须充足，且密封气压力必须高于介质压力 0.20.3MPa。一旦密封气供应不足或是断气，将会造成密封的损坏。所以建议把干气密封控制系统中的备用气源管线连接在备用氮气源上。密封的泄漏，主要是通过监测单元的流量表来显示。流量表值偶然变化较大时，这可能是由于工艺波动、轴的移动、压力、温度或速度波动所引起，不会影响密封正常使用。进入密封的气体应是清洁干燥，以保证最佳的性能，延长使用寿命。4.3.4 少量的润滑油或其他液体进入干气密封端面，不会对密封造成危害，但应尽量避免该情况的发生。5.系统参数的设定5.1双端面干气密封系统参数的设定具体流量取决于密封的泄漏量。,密封气的压力一般高于泵腔的压力0.20.3MPa。压力开关采用低报警。低报警值为高于泵腔压力0.1MPa。5.2串联式干气密封系统参数的确定易挥发介质缓冲气压力取决于泵入口的压力，泵入口压力低于0.7MPa时缓冲气压力设定为0.07MPa，大于等于0.7MPa时缓冲气压力设定为0.4MPa；不易挥发介质的缓冲气压力设定为0.07MPa。密封气的流量取决于孔板的大小及缓冲气的压力。具体参见表2。表2串联式压力与流量对照表流量报警值：缓冲气压力为0.07MPa，正常流量为：0.5Nm3/h，流量高报警值为：2Nm3/h；缓冲气压力为0.4MPa，正常流量为：2.2Nm3/h，流量高报警值为：4Nm3/h。压力报警：压力报警分为压力高报警和压力低报警。缓冲气压力为0.07MP时，低报警值：0.025MPa，高报警值为：0.12MPa缓冲气压力为0.4MPa时，低报警值：0.2MPa，高报警值为：0.6MPa液位高报警：液位高于储液罐容积高度的2/3时报警。,干气密封运行过程中的常见问题,开车问题污染物 低转速衬垫/O 型圈问题密封气带液问题,固体颗粒：损伤密封表面，影响O型圈的性能，比如限制轴向运动，O型圈与弹簧座平衡直径间形成间隙。,对污染比较敏感的零部件：工艺介质侧迷宫、动环、静环、平衡直径处O型圈、隔离密封。,污染物,液体（冷凝液、润滑油、水）：密封间粘性剪切产生热量；密封间隙不稳定，可能导致端面接触；在O型圈处产生“粘合效应,干气密封运行过程中的常见问题密封气带液,正常情况下，干气密封端面温升能达到达到20以上，如果此时密封气中大量带液，必然对密封环产生热冲击，导致密封环破裂。如果密封气中带有少量液体的话，则通过密封端面的密封气的粘度增加，气膜剪切力增大，导致端面温升增加。因此，密封气带液对干气密封危害是比较大的。在高压条件下，密封气带液的情况比较常见。解决办法：1、大多数过滤系统可带走0.1%液体，对于含液量高的，应增加预过滤。2、冷却密封气，通过降温排凝将密封气中重组分去掉后，再加热密封气，保证进入密封腔的气体不产生凝液，建议进入密封的气体应至少高于露点20。,故障诊断 密封正常时的特征：泄漏量小于或等于其保证值，泄漏量在一个值附近循环 泄漏量稳定，偶尔出现峰值，但小于报警值。端面有固体颗粒时：密封卡滞泄露量高，灾难性失效；端面有液体时：泄漏量漂浮不定，比正常泄漏量低，液体在流量计中冷凝，灾难性失效。,解决措施 保证密封气体洁净、干燥、无固体、液体，正压，露点温度以上，开车前停车后，保证密封气的连续供给。,