41C103乙烯壓縮機(jī)干氣密封設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

周麗楠 冷文平 謝寶玲 李曉光 劉 波

(沈陽工業(yè)大學(xué)化工裝備學(xué)院 遼寧 遼陽 111003)

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展

隨著石油化工工業(yè)的快速發(fā)展，各種離心壓縮機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。干氣密封的出現(xiàn)，是密封技術(shù)的一次革命，解決了以往氣體密封受到密封潤滑油污染的問題，干氣密封本身所需要的氣體控制系統(tǒng)比接觸式密封的油系統(tǒng)要簡單得多[1]。

世界上第一個機(jī)械密封專利出現(xiàn)在英國[2]，直到1900年才開始用于軸承密封。1908年有幾個汽輪機(jī)密封，改進(jìn)為軸向移動的密封環(huán)密封[3]。1990年日本橫山英二首先研制了帶中間環(huán)的雙向螺旋槽端面密封，并獲日特開平2-236068專利。1995年日本伊格爾公司首先生產(chǎn)了NFgOO系列斜平面雙向氣體端面密封。1995年美國杜拉美特公司生產(chǎn)了泵用圓弧槽氣體端面密封，可用做零泄漏密封。

國內(nèi)1988-1990年，華東石油大學(xué)顧永泉、王建榮等首先研制和試驗(yàn)了泵入式圓弧槽氣體端面密封，并獲我國國家實(shí)用新型專利92203159.2[4]。從20世紀(jì)90年代初，與進(jìn)口高速透平壓縮機(jī)配套的干氣密封開始進(jìn)入了中國市場。我國在20世紀(jì)90年代后期，開始逐步引進(jìn)國外干氣密封技術(shù)應(yīng)用于大型的離心壓縮機(jī)，其性價比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于浮環(huán)密封和機(jī)械密封。

2 螺旋槽干氣機(jī)械密封的密封原理和典型的端面結(jié)構(gòu)

2.1 螺旋槽干氣機(jī)械密封的密封原理

干氣機(jī)械密封亦稱為氣體潤滑機(jī)械密封。機(jī)械密封的兩個密封副是在一層很薄的流體膜下做相對運(yùn)動的。密封穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時，很薄的流體膜就將兩密封面隔離開來，使兩密封端面得到充分的潤滑，從而達(dá)到減小磨損和機(jī)械損傷的目的。干氣密封的工作原理是作用在密封環(huán)上的彈簧力、介質(zhì)壓力與流體動力的平衡[5]。流體密封依靠在密封端面上加工一些淺槽以提高氣體密封的動壓效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。以乙烯壓縮機(jī)用螺旋槽干氣機(jī)械密封為例，其結(jié)構(gòu)見圖1及圖2所示。

圖1 螺旋槽干氣機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 螺旋槽端面示意圖

2.2 典型的端面結(jié)構(gòu)

干氣機(jī)械密封的特殊標(biāo)志之一是其端面的典型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，也是其核心所在。對數(shù)螺旋槽干氣密封的密封端面槽型為對數(shù)螺旋線，如圖3所示。槽的深度一般≤10μm。槽深＞10μm，則密封的泄漏量會顯著增加[6]。螺旋槽端面密封的螺旋槽一般開在密封環(huán)的外緣。開在密封環(huán)內(nèi)緣的，稱之為逆流泵送密封，如圖4所示。

圖3 螺旋線型端面密封

圖4 內(nèi)徑開螺旋槽端面密封

人字形螺旋槽和Y形螺旋槽[7]都增加了與高壓側(cè)流體連通的下游泵送螺旋槽，它們的作用是將流體泵送到密封面上。

圖5 人字形螺旋槽

圖6 Y形螺旋槽

3 螺旋槽干氣機(jī)械密封的設(shè)計(jì)

3.1 一級密封的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

?

3.2 二級密封的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

?

3.3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖7 乙烯壓縮機(jī)用螺旋槽干氣機(jī)械密封裝配示意圖

4 泄漏量的主要影響因素

4.1 螺旋槽深度對泄漏量的影響

?

4.2 轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響

?

4.3 密封介質(zhì)壓力對泄漏量的影響

?

上述試驗(yàn)的結(jié)果表明：干氣機(jī)械密封的泄漏量隨螺旋槽的深度、密封氣體的壓力、主軸轉(zhuǎn)速的增加而增加，螺旋槽的深度對密封的泄漏量影響最大，轉(zhuǎn)速的影響相對較小。二級密封的泄漏量約為一級密封的泄漏量的1/10。

5 裝置試運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

借公司壓縮機(jī)檢修之機(jī)，將設(shè)計(jì)制造的干氣機(jī)械密封安到了41C103壓縮機(jī)出口端，進(jìn)行裝置運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

該密封在裝置試運(yùn)轉(zhuǎn)已近一年，運(yùn)行情況始終非常平穩(wěn)，未見任何異常。

運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)的結(jié)果表明：該密封理論分析正確，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，密封運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、正常。在操作工況下，泄漏量滿足工藝要求，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到了進(jìn)口設(shè)備的水平。

6 結(jié)論

此干氣機(jī)械密封設(shè)計(jì)已經(jīng)基本達(dá)到國內(nèi)同行業(yè)設(shè)計(jì)水平，產(chǎn)品通過在乙烯壓縮機(jī)上的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)測試，其泄漏量滿足了工藝要求，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了進(jìn)口設(shè)備的水平，并且在降低能耗方面效果十分顯著，基本實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)和工藝介質(zhì)的零泄漏。

［1］顧永泉.流體動密封[M].山東:石油大學(xué)出版社，1990：268-271.

［2］顧永泉.發(fā)展密封學(xué)，提高密封水平[R].中國工程學(xué)會流體工程學(xué)會第二屆年會大會報告，1988,12.

［3］顧永泉.機(jī)械端面密封[M].山東:石油大學(xué)出版社，1994，12.

［4］王建榮，顧永泉，陳弘.圓弧槽氣體潤滑非接觸式機(jī)械密封性能研究[J].流體工程，1991，19(3):36-39.

［5］Ralph P.Gabriel.Fundamental of Spiral Groove Non-contacting Face Seal[J].L.E,1986，35(7):369-375.

［6］胡丹梅，吳宗祥.直線槽端面氣體密封分析計(jì)算[J]//石油化工設(shè)備密封技術(shù)文集：第七集.1994：32-41.

［7］Tom Lai.Development of Non-contact,No-Leaking Spiral Groove Liquid Face Seals[J].L.E.,50(8)：625-631.