機械密封在離心壓縮機上的應用

于震遠

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

從目前的實際情況來看，機械密封對機械設備的重要性逐漸顯現出來。隨著產品技術的不斷提升和節能要求的逐步提高，對機械密封的應用要求也不斷攀升。至于機械密封，它的實際密封效果會給整機帶來直接影響，特別是在易燃、易爆等介質條件下，一旦出現問題，就會給機械密封的正常運行帶來直接影響，甚至可能引發嚴重的安全事故。

1 機械密封探討

機械密封（也稱為單面密封）是由垂直于泵軸的一對或多對動態和靜態環接觸表面組成的密封裝置。相對旋轉以保持附著力并防止由于泵的中壓和補償彈簧力的共同作用而導致的泄漏。它主要用于旋轉軸的密封裝置，例如，泵、壓縮機和液壓驅動器。其主要功能是容易泄漏的軸封改造成難泄漏端面機械密封。工況下，動靜環之間形成了一層非常薄的液膜，既能實現介質的密封，又能起到潤滑作用，減少摩擦副磨損。

2 機械密封的特點

機械密封具有可靠、使用壽命長等優勢。如果機械密封中的密封填料（密封環或密封圈）失效，就有發生泄漏的可能，但是，機械密封在正常使用的過程中是不允許出現泄漏的，一旦泄漏，就要更換機械密封，其具體特點如下：（1）機械密封將其改換為與軸垂直的端面密封，從而將軟填料、軸和軸套之間的摩擦改換為靜動環之間的摩擦，它和軸一起轉動，所以不會與軸、軸套之間發生相對運動，消除了軸與軸套因摩擦產生的損耗。（2）運用到實際中的端面都是被精密的儀器加工過的，有著非常高的表面粗糙度與平面度，非常有效地提升了密封的效果。（3）定位的方式很特別，能夠保證很高的同心性，減少了偏心導致的損耗。（4）在安裝機械密封時，需要計算機械密封彈簧壓縮量（集裝式機械密封除外），同時，確保結構中使用的密封圈和彈簧有一定的補償能力，因此，對維修人員技術要求較高。

3 干氣密封技術的應用分析

3.1 干氣密封的結構

干氣密封件的總體結構由活動環（也稱為旋轉環）、固定環、定位環、彈簧座和軸套組成。固定環固定在不銹鋼彈簧座上，使用的材料是具有自潤滑性能的相對較軟的碳石墨。靜環不隨軸旋轉，而是通過彈簧和介質的力沿軸向移動。通常，動環由鎢和碳化硅硬質合金（通常使用的碳化鎢和碳化硅）制成，具有高硬度、良好的剛度和很強的耐磨性。動環組件的表面通常被螺旋加工成特定形狀的淺槽。靠近內徑側的動環稱為密封壩，螺旋槽之間的區域稱為密封磨損。旋轉時，密封氣體從外徑到中心被吸入動壓槽，并且徑向元件被引入密封堰。密封堰起到節流的作用，壓縮進入密封表面的氣體（螺旋槽）并增加壓力。氣流進入螺旋槽的根部，并被密封壩阻擋。在結合氣釘和彈簧力的作用下，當關閉壓力等于氣膜的打開壓力時，形成穩定的間隙。

3.2 干氣密封的失效、泄漏分析及相應對策

（1）結構設計方面的問題。氣體的靜態壓力和由彈簧力形成的閉合力必須與氣體膜的反作用力相匹配，因此，干式氣密封設計可以保持非常穩定的2～3微米的氣體膜厚度。當結構不合適且動環旋轉時，間隙過大，密封件泄漏，間隙過小，容易引起干摩擦。另外，在動環的槽設計中，通常使用螺旋槽，并且由旋轉引起的動壓效果最大，并且所得的干氣密封氣膜具有最大的剛性和穩定性。另外，研究表明，如果將槽壁的厚度設定為與氣膜厚度相同的順序，則氣膜的密封剛性也最大。如上所述，氣膜的厚度通常最穩定在約3微米。當動靜環結構的設計通常被設計成具有3微米的厚度時，實際上，干氣密封件動壓槽的壁厚通常在10微米以內，即干氣密封件動壓槽壁的數量、寬度和長度。密封效果有特殊效果。

（2）安裝干氣密封的失效原因。與普通的機械密封不同，干式氣體密封在移動環和固定環的配合表面之間需要相對穩定的間隙，并且通常相對較薄。空氣密封約3微米。因此，必須在干氣密封的靜態和動態環的兩個配合之間保持清潔、光滑和干燥。干氣密封件的主要故障是由于密封件的污染，而主要的污染源是設備中的工藝氣體，密封氣源和軸承潤滑劑，氣體進入封閉腔體時產生的固體顆粒。注意清潔和干燥配合表面，以確保干凈的安裝環境，尤其是在安裝過程中。安裝時，操作員應戴上干凈的手套，安裝后的密封孔應干凈干燥，以減少雜質。

（3）密封供氣系統失效原因。干氣密封在動環和靜環之間的間隙約為3微米。間隙直接由密封氣體密封，這對密封氣體供應系統提出了更高的要求。不僅在安裝過程中，而且在使用過程中，都必須實現干氣密封件的清潔和干燥。此方法應使用專用線路作為密封氣體的來源，并且密封氣體的壓力和流量不應改變。同時，在進入密封面之前，應先安裝氣源緩沖罐、粗濾器和細濾器，以防止雜質和液體進入密封面，使密封氣體中的雜質含量不超過規定值。在操作過程中，應注意適當提高主密封氣體的溫度，以定期切水和液體，蒸發主密封氣體的冷凝水，并減少或防止冷凝水的產生。

（4）開車、停車對干氣密封的影響。當離心壓縮機啟動和停止時，速度非常慢，動環和靜環彼此接觸，并且尚未形成一定厚度的氣膜。這增加了密封表面的磨損。對于干氣密封的長期運行，應避免長期低速運行。在停止或運行設備時，使用壓縮機曲柄是維護機器的重要手段，但是，使用曲柄會導致低速運行。如果使用干氣密封，則離心壓縮機的啟動時間不應超過10分鐘。此外，設備應減少停機次數，以使壓縮機形成穩定的氣膜并減少動態和靜態環形表面的磨損。

（5）干氣密封失效的其他原因。離心壓縮機在使用過程中，不可避免地會產生振動，并且可以承受相對較高的振動水平，但是，過高的振動水平仍然會損壞干燥氣體密封，因此，在使用和操作過程中，必須嚴格控制振動。

4 非接觸式機械密封的原理

非接觸式機械密封控制系統的工作原理：當非接觸式機械密封裝置系統運行時，旋轉環3隨旋轉軸11旋轉，線圈2通電，兩個固定環1和9通過旋轉環3旋轉。產生相同的大小。在相反的方向上電磁排斥，此時，旋轉環3處于平衡位置，并且兩側的密封端面之間的間隙處于設計狀態。

如果由于干擾（例如操作波動等）使旋轉環3相對于固定環軸向偏移，則當旋轉環3沿軸向接近固定環9時，h1增加并且h2減少。檢測到旋轉環3的位置偏移信號。在位移信號轉換電路后，輸出電壓為xU，將其與平衡位置參考電壓rU進行比較以獲得電壓eU，然后，由控制器調整和轉換相位和幅度。作為控制電流，通過功率放大器的作用，負載被放置在兩個固定環1和9的線圈上，因此，固定環1線圈中的電流減小，而固定環12線圈中的電流增加，從而密封面間隙在一側變為h1。磁通量減小，并且具有密封表面間隙h2的一側的磁通增加，從而相對于旋轉環的密封表面間隙為h1，固定環1在具有密封表面間隙h2的固定側的排斥力減小。做吧環9對旋轉環的排斥力增大，固定環1對旋轉環的排斥力小于固定環9對旋轉環的排斥力。這兩個力的合力使旋轉環和固定環9軸向分開，并最終將旋轉環恢復到平衡位置。相反，如果旋轉環由于外部振動而與固定環9軸向分開，則h1減小而h2增大。在檢測到位移變化信號后將系統遞增，然后，輸入控制系統中進行處理。大固定環1的線圈電流和固定環9的線圈電流減小，因此，h1側的磁通量增加，h2側的磁通量減小，此時，固定環1與旋轉環配對的排斥力大于固定環9對旋轉環的排斥力，因此，旋轉環返回到設定的平衡位置。這樣，兩個靜環與可動環之間的非接觸相對運動形成了自調節的穩定系統，使得密封件可以達到穩定的目的。

圖1 密封控制系統工作原理圖

5 跳閘活塞式在離心壓縮機上的應用

活塞式壓縮機主要由機身、曲軸、連桿、活塞等部分組成，壓縮原理一般是活塞通過往復運動的方式將氣體牢牢地壓縮在密閉的缸體中。當盛滿氣體的氣缸在力的作用下不斷地受到壓縮，使得氣缸內的壓力和排氣的壓力保持一致。

而當活塞繼續移動時，會改變原先已經穩定的氣壓，缸內的壓力會推動排氣閥門的開啟，從而壓力向排氣罐輸出，一直到活塞運動到止點結束為止。此時，當氣壓再次穩定時，閥門自身的重力和彈簧力，會推動排氣閥門自動關閉。

總之，壓縮機就是一個不斷吸氣、壓縮再排氣的過程，這組動作的不斷重復就是活塞式壓縮機的運行方式。而在實際的運作過程中，活塞式壓縮機還會受到其他因素的影響，因此壓縮的效率并不一定能保持最初的理想狀態。

6 結語

機械式密封發展至今，已有百年歷史。這一過程也在不斷地進步，雖然還有一些不足，但也在逐步地克服。在不久的將來，將有更大的發展空間，并將為我國工程技術的發展做出更大的貢獻。