淺析泵用干氣密封技術(shù)及應(yīng)用

禹韶松

（神華新疆化工有限公司機動部，新疆烏魯木齊 831404）

淺析泵用干氣密封技術(shù)及應(yīng)用

禹韶松

（神華新疆化工有限公司機動部，新疆烏魯木齊 831404）

干氣密封技術(shù)通常應(yīng)用在離心壓縮機等高轉(zhuǎn)速流體設(shè)備上。隨著干氣密封技術(shù)的發(fā)展，干氣密封在離心泵的軸端密封上應(yīng)用越來越普遍。首先敘述了泵用干氣密封技術(shù)在煤化工領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀；其次分析了泵用干氣密封的工作原理及特點；最后，闡述了串聯(lián)式干氣密封在液氨泵上的應(yīng)用案例。

離心泵；機械密封；干氣密封；應(yīng)用實例

1 概述

現(xiàn)如今，離心泵是煤化工企業(yè)普遍采用的一種用量非常大的泵。統(tǒng)計表明，其中約90%的泵采用離心泵。通常情況下，傳統(tǒng)的離心泵軸端密封有機械密封和填料函密封兩種型式，填料函密封基本上用于輸送無污染、無毒、無害介質(zhì)的清水泵，大部分離心泵選用的軸封型式為機械密封。一般對于接觸式機械密封，其使用壽命和密封介質(zhì)的特性有很大關(guān)系。通常條件下，密封的介質(zhì)是由清水、潤滑性效果好的油類等機械密封而成，密封介質(zhì)的使用壽命通常能夠在一年以上；在密封介質(zhì)帶有腐蝕性或者帶有機械雜質(zhì)的情況下，其使用壽命通常是半年到一年左右。另外，在其他一些更惡劣的條件下，像高溫、高壓、高速、介質(zhì)易揮發(fā)和汽蝕等情況下，機械密封的使用會更短。

煤化工技術(shù)的特征為采用煤當(dāng)作原材料，通過化學(xué)加工使煤轉(zhuǎn)變成氣體、液體或者固體燃料以及化學(xué)品的流程。其大體上包含煤的氣化、液化、干餾、焦油加工和電石乙炔化工等技術(shù)方法。鑒于煤化工的這些特點，大部分的機泵輸送的介質(zhì)具有有毒、有害、易燃、易爆、易揮發(fā)等特點。因為目前國家對環(huán)保要求非常嚴(yán)格，煤化工企業(yè)正在向節(jié)能減排、清潔能源的方向上發(fā)展，所以對于離心泵的機械密封性能就提出了更高的要求，使其達(dá)到密封介質(zhì)的綠色環(huán)保、無泄漏和較長使用時間。因此，煤化工企業(yè)非常有必要在機泵的機械密封介質(zhì)上下功夫，研發(fā)出非接觸式、零泄漏、安全可靠的密封形式。

1960年左右，干氣密封是在氣體動壓軸承的基礎(chǔ)上進(jìn)化而來的一類新型式的非接觸式密封。非接觸式密封使用流體動力學(xué)的原理，依據(jù)在密封端面上設(shè)立動壓槽，而進(jìn)一步達(dá)到密封端面的非接觸運行的目的。很多科技從業(yè)者歷經(jīng)數(shù)年的悉心研制，終于于1979年底在英國的約翰克蘭公司首先把干氣密封擴(kuò)展到海洋平臺的氣體輸送裝備上，同時取得重大突破和成功。起初，干氣密封是為了克服高速離心壓縮機軸封的難題而出現(xiàn)的。因為密封非接觸運行的出現(xiàn)，密封摩擦副材料大致不接受PV值的限制，尤其和高速、高壓設(shè)備的軸封相切合。

伴隨著干氣密封技術(shù)的快速發(fā)展和逐漸成熟，它的應(yīng)用范圍也日益廣泛。然而，現(xiàn)如今干氣密封正在更多的應(yīng)用在離心泵上?？偠灾?，只要是使用機械密封的場所就要使用干氣密封技術(shù)。與傳統(tǒng)的機械密封相比較，干氣密封具備密封壽命期間長、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠；密封功率耗損低，泄漏量?。豢蛇_(dá)到介質(zhì)的較低逸出，是一類環(huán)保型密封的方式；密封輔助系統(tǒng)不僅操作比較簡單、可靠，而且在使用過程中不需要維護(hù)等優(yōu)點。

2 泵用干氣密封技術(shù)簡介

2.1 干氣密封工作原理

干氣密封通常使用“以氣封氣”或者“以氣封液”的形式來達(dá)到工藝介質(zhì)的零泄漏的目的。和以往的接觸式機械密封形式相比較，其具有摩擦損耗低，使用周期長，工作可靠性高，輔助系統(tǒng)簡便，無環(huán)境污染，運行維護(hù)費用低等優(yōu)點。

通常情況下，干氣密封的組成部分包括：動環(huán)、靜環(huán)、彈簧、密封圈和彈簧座等。圖1 所示為干氣密封環(huán)（可以是動環(huán)，也可以是靜環(huán)）示意圖，環(huán)密封面通過研磨、拋光，同時在它的上面加工流體動壓槽。

圖1 干氣密封端面動壓槽簡圖

在動環(huán)和靜環(huán)相對旋轉(zhuǎn)運動的時候，密封氣體就會被吸入到動壓槽之內(nèi)。這樣氣體就被壓縮，那么壓力就會升高。在該氣體膜壓力作用時，端面被推開，與氣體靜壓力、彈簧力形成的閉合力達(dá)到穩(wěn)態(tài)。這時候流動的氣體就在兩個密封面間產(chǎn)生約3μm的氣膜層，氣膜厚度比較穩(wěn)定，而且具備優(yōu)質(zhì)的氣膜剛度，保障密封運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠。

在出現(xiàn)工藝條件波動或者機械干擾的情況下，使得密封面貼近，有接觸的趨勢。此時氣膜的厚度降低，剛度增大，氣膜反力升高，迫使密封工作間隙增大，恢復(fù)到正常值。相反，如果密封氣膜的厚度升高，那么氣膜的反力就會降低，閉合力高于開啟力，密封面貼近恢復(fù)到正常值。

2.2 主要特點

2.2.1 摩擦損耗較低

一個薄層平穩(wěn)的氣膜隔絕著干氣密封的兩密封端面，密封腔內(nèi)是低黏度的氣體介質(zhì)，因此干氣密封的端面摩擦損耗和動環(huán)部件的轉(zhuǎn)動摩擦損耗比液體介質(zhì)的低很多，其比率的差距很大。

2.2.2 使用壽命更長

干氣密封和普通的機械密封不同，其兩端面之間是一層干凈的氣膜，呈非接觸狀態(tài)，摩擦力小，因此壽命較長。通常情況下，其使用壽命可達(dá)到三年以上，是普通機械密封使用壽命的3~5倍。

2.2.3 零泄漏

使用傳統(tǒng)的封液系統(tǒng)，其不僅價格很貴，而且會有一些難以避免的安全事故發(fā)生。目前采用凈化氮氣當(dāng)做密封氣體可以讓輸送的介質(zhì)達(dá)到零泄漏和零逸出的效果。這不僅能夠排除一些干擾原因，而且沒有任何污染，穩(wěn)定性十分高。

2.3 接觸式密封的缺點

以往的機械密封形式比較單一，使用的是接觸式密封形式，依照密封件和機械的其他一些部件之間的接觸情況，來判斷其是接觸式密封或者非接觸式密封形式。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)是在密封進(jìn)行操作的時候，有著特定的一些缺點，比如可能會導(dǎo)致密封介質(zhì)的滲出，進(jìn)一步導(dǎo)致對環(huán)境的破壞性作用。這可以從接觸式密封的工作原理來分析，因為它是采用外界和被密封流體形成的壓力差值來達(dá)到密封的效果，這類密封的方法不能完全達(dá)到對被密封流體的密封作用，所以就可能導(dǎo)致出現(xiàn)一定的泄露情況，更壞的結(jié)果是流體的直接泄露。另外，密封端面之間存在摩擦是在所難免的，這就在一定程度上減少裝備的使用周期。通常在已經(jīng)密封的情況下，密封系統(tǒng)的端面也比較容易遭受一些很大的摩擦力的影響，這就使設(shè)備不能處于有效正常的工作狀態(tài)中。

2.4 干氣密封的槽型設(shè)計

在流體經(jīng)過動環(huán)和靜環(huán)附近的接觸面時候，這就促使動靜環(huán)黏合到一起，進(jìn)一步達(dá)到密封的效果。在動靜環(huán)的接觸的表面上，其表面是非常光滑的，上面就設(shè)計著許多螺旋槽。螺旋槽的設(shè)計位置直接關(guān)乎著該設(shè)備的密封的作用。首先，對于開槽的角度一定要掌握的非常準(zhǔn)確。以往的經(jīng)驗和實驗表明，很小的偏差都會造成接觸面的壓力不足以達(dá)到密封的效果。在密封設(shè)備開始運轉(zhuǎn)工作時候，設(shè)備周邊氣體就會移動至螺旋槽里面，同時向外邊運動。螺旋槽內(nèi)的氣體如果被大幅度的壓縮，就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一個高壓區(qū)，膜產(chǎn)生的壓力就會使動靜環(huán)內(nèi)較好的黏合在一塊。

2.5 靜環(huán)的受力分析

靜環(huán)主要受到三方面的力，包括彈環(huán)給予的彈力、密封氣體給予的壓力和氣膜給予的壓力。通過受力比較可以看出，靜環(huán)受到的綜合力是不平衡的。進(jìn)一步分析可知，在彈環(huán)的彈力和密封氣體的壓力作用下，使密封端面產(chǎn)生閉合力，這樣就使得動環(huán)和靜環(huán)能夠較好的粘合到一塊。密封端面之間的氣膜的壓力，產(chǎn)生開啟力，這個力和閉合力作用方向相反，這使得達(dá)到更好的密封效果。

3 密封布置形式

通常條件下，泵用干氣密封的布置形式包含三種，我們從泵送介質(zhì)的特征、現(xiàn)場施工條件和綠色環(huán)保的要求這三個角度進(jìn)行分析。

3.1 外壓式的雙端面干氣密封

外壓式雙端面干氣密封指的是依靠2套干氣密封設(shè)備，通過背對背的形式組合而成的一套密封裝備。首先，在兩套密封間隙中注入潔凈干燥的氮氣，注入后的壓力約達(dá)到0.18兆帕，高于腔內(nèi)介質(zhì)承受的壓力。通過這種方法，很好的達(dá)到了環(huán)保的要求。因為注入腔中的隔離氣其中很小一部分到達(dá)泵腔來避免液體的滲漏，其中很大一部分沿著外側(cè)密封的面封面排入空氣中。為了杜絕因為外部的隔離氣突然停止提供，而讓內(nèi)側(cè)密封打開，內(nèi)側(cè)密封要采用雙向平衡的設(shè)計模式。所以，不管是內(nèi)側(cè)密封承受正壓差，隔離氣壓力大于被密封介質(zhì)的壓力，還是其他情況，內(nèi)側(cè)密封都能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，實現(xiàn)密封的目的。通常情況下，這種安排的形式應(yīng)用在多種不包含固體顆粒的物質(zhì)，進(jìn)而確保被密封的工藝液體介質(zhì)實現(xiàn)“無泄漏”和“無逸出”的目的。

3.2 內(nèi)壓式的雙端面干氣密封

與外壓式雙端面干氣密封的差別是，內(nèi)壓式雙端面干氣密封使用2套順序布置的方式，內(nèi)部注入干凈的隔離氣體，通常使用的是氮氣。它的壓力比密封腔介質(zhì)的壓力高很多，約是0.2MPa，過濾精度是1μm。因為內(nèi)側(cè)密封承擔(dān)著內(nèi)壓的用途，按照氣體阻塞作用以及離心力產(chǎn)生的效果，可以高效杜絕液體介質(zhì)里的固體顆粒進(jìn)入密封面。內(nèi)側(cè)密封動環(huán)密封面上的流體動壓槽設(shè)計在密封面的內(nèi)徑位置，而外側(cè)密封靜環(huán)密封面上的流體動壓槽設(shè)計在密封面的外徑位置。這種安排方式一般使用在許多包含固體顆粒的液體介質(zhì)當(dāng)中。

3.3 串聯(lián)式備用干氣密封

串聯(lián)式備用干氣密封指的是干氣密封和接觸式機械密封串聯(lián)進(jìn)行裝配。串聯(lián)式干氣密封分為兩級密封形式。第一級是機械密封，第二級是干氣密封，密封的介質(zhì)是干凈N2。通常，機械密封起到主密封的效果，干氣密封是輔助密封。干氣密封一般包括以下幾方面的作用，即提升主密封的背壓，杜絕端面汽化、降低密封面的損耗，延伸了主密封的使用周期；當(dāng)主密封失去效果的時候，干氣密封在一定時間內(nèi)可以達(dá)到備用密封的效果，防止引發(fā)意外事件；主密封泄?jié)B出的氣體隨N2排入火炬，防止危險氣體直接排入大氣，消除了安全隱患進(jìn)而達(dá)到環(huán)保的效用。

4 具體應(yīng)用的實例

某廠液氨輸送泵采用立式結(jié)構(gòu)，輸送介質(zhì)為：液氨；工作溫度為：-33~35℃；轉(zhuǎn)速：600~2 950r/min；揚程：100m；流量：46m3/h。

4.1 改造結(jié)構(gòu)說明

針對液氨泵實際工況特點對其改造的干氣密封進(jìn)行設(shè)計，采用串聯(lián)式干氣密封作為改造的型號。結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 立式液氨泵干氣密封改造結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 改造控制系統(tǒng)說明

干氣密封其中重要組成部分之一，即是控制系統(tǒng)，其主要效果是為干氣密封供應(yīng)干凈的氣體和監(jiān)視干氣密封的運轉(zhuǎn)情況，以保障干氣密封在較長周期內(nèi)運行，因而在系統(tǒng)中設(shè)置了過濾單元，調(diào)節(jié)單元以及泄漏監(jiān)測單元。

4.3 干氣密封相關(guān)的計算

串聯(lián)式干氣密封的主要結(jié)構(gòu)就是機械密封組件和干氣密封組件，其余部件均是輔助它們的運行。在設(shè)計時根據(jù)工況選擇各部件的材質(zhì)，同時進(jìn)行相關(guān)的計算。

端面內(nèi)徑d1；端面外徑d2，平衡直徑d，轉(zhuǎn)速n，摩擦系數(shù)f

式中：ρ為密度，kg/m3；Cp為比熱容，J/（kg·k）；

根據(jù)計算確定干氣密封的相關(guān)尺寸參數(shù)，在保證密封最可靠的工作狀態(tài)下，又要保證端面產(chǎn)熱有沖洗作用下在該介質(zhì)對應(yīng)飽和蒸汽壓的溫升范圍內(nèi)，從何介質(zhì)不會出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。計算出沖洗量的大小，彈簧力大小，以及端面的尺寸。然后對密封進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在保證密封的強度的同時要做到結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，既保證密封工作的穩(wěn)定型，又節(jié)約了材料。

4.4 干氣密封端面參數(shù)的優(yōu)化

一些現(xiàn)有的理論可以說明，螺旋槽引起的流體動壓效果最強，氣膜剛度最大。所以，要使用螺旋槽干氣密封結(jié)構(gòu)形式。現(xiàn)在，利用有限元計算的程序，對干氣密封端面螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化：在進(jìn)行優(yōu)化的時候，把干氣密封產(chǎn)生最佳的氣膜剛度當(dāng)做優(yōu)化目標(biāo)，另外把干氣密封的最大剛漏比當(dāng)做優(yōu)化的參考目的。干氣密封最大剛漏比的物理意義指的是，在密封具備較大氣膜剛度的狀況下氣體泄漏量十分小。一般廠家在采用軟件對干氣密封優(yōu)化時，干氣密封輸入的參數(shù)如下所示：

介質(zhì)平均黏度：17.5Pa.s

密封轉(zhuǎn)速：600~2 950r/min

工作氣膜厚度：Ho=1.6μm

工作壓力：p=0.1MPa

密封面外徑：DO=φ103.5mm

密封面內(nèi)徑：Di=77.5mm

螺旋槽密封面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

當(dāng)螺旋角約為16°時候，螺旋槽的深是設(shè)計氣膜厚度的3.5倍時，密封的氣膜剛度、剛漏比以及承載能力達(dá)到最大值。當(dāng)槽長與壩長之比小于1.5時，密封的氣膜剛度、剛漏比以及承載能力變化十分大，然而槽寬壩寬比為0.4~1.2，密封的性能變化則不是較大。另外，干氣密封螺旋槽數(shù)量一般設(shè)定在10~30比較合適。

4.5 注意事項

綜上所述，由于液氨的一些特性，改造后的串聯(lián)式干氣密封在生產(chǎn)中具有可行性。既保障了設(shè)備的合理運轉(zhuǎn)，延長了使用期限，也有效避免對于被密封介質(zhì)液氨的泄漏以及逸出情況發(fā)生。但在操作時要注意一下幾點：首先，在啟動泵之前注入氮氣，其壓力要比密封腔內(nèi)存在的液體壓力高出0.2—0.3MPa。其次，在干氣密封工作的時候，務(wù)必要經(jīng)常查看干氣密封系統(tǒng)過濾器前后壓差，當(dāng)其壓差達(dá)到某一個確定值，就要立刻更換濾芯。最后，在機器停止運轉(zhuǎn)時，密封氣不能中斷。對泵進(jìn)行檢修前，首先要排除泵內(nèi)殘留的液體，然后再停止供氣操作。

5 結(jié)束語

泵用干氣密封技術(shù)較傳統(tǒng)的機械密封在安全性、穩(wěn)定性和效率上都有較多的優(yōu)點。在很多領(lǐng)域越來越占據(jù)優(yōu)勢，尤其在高危介質(zhì)應(yīng)用方面較傳統(tǒng)的機械密封更安全可靠。其操作系統(tǒng)簡單更是給現(xiàn)場操作帶來了許多便利，干氣密封運用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，成為安全生產(chǎn)的一大后備軍。

[1] 康維豐，張?zhí)靽?，游笑輝，等.干氣密封技術(shù)在乙烯制冷壓縮機上的應(yīng)用[J].乙烯工業(yè)，2016，（1）：59-64+6.

Analysis of Pump Dry Gas Sealing Technology and Its Application

Yu Shao-song

Dry gas sealing technology is usually used in centrifugal compressors and other high-speed fluid equipment.With the development of dry gas sealing technology，dry gas seal on the centrifugal pump shaft seal on the application of more and more common. In this paper，the application status of pump dry gas sealing technology in coal chemical industry is described.Secondly，the working principle and characteristics of dry gas seal are analyzed.Finally，the application case of tandem dry gas seal on liquid ammonia pump is expounded.

centrifugal pump；mechanical seal；dry gas seal；application example

TB42

A

1003–6490（2017）05–0082–03

2017–04–28

禹韶松（1968—），男，新疆烏魯木齊人，工程師，主要從事設(shè)備管理工作。