干气密封技术研究现状及发展趋势

干气密封技术研究现状及发展趋势

陈秀琴,朱维兵,王和顺

Research Status and Developing Trend of Dry G as Seal Technique

CHEN Xiu2qin,ZHU Wei2bing,WAN G He2shun

(西华大学机械工程与自动化学院,四川成都　610039)

摘　要:介绍了干气密封的特点、工作原理、密封结构及其应用场合。从密封端面摩擦、密封结构、密封设计方法、密封计算理论等方面阐述了干气密封的研究现状,分析了干气密封技术存在的问题,最后指出干气密封技术的发展趋势及进一步研究的方向。

关键词:干气密封;密封结构;摩擦;研究现状;发展趋势

中图分类号:TQ05　文献标识码:B　文章编号:100024858(2008)022*******

引言

流体密封技术被广泛应用于航空航天、国防军工、核能发电等高新技术领域,和石油、石化和化工等国民经济各主导行业。密封技术虽然不是领先性技术,但往往是决定性关键技术[1]。如火箭的液氧透平泵、核能发电站中的主冷泵、高压聚乙烯的高压压缩机、铂重整装置的无油润滑压缩机和聚丙烯的反应釜等许多机器设备的方案就取决于密封技术。此外,密封还直接关系到能源以及水和成品物料等资源的节约问题。

处理危险性工艺气体的透平压缩机必须采用密封性能良好的轴端密封形式,才能实现工艺气体向外界、或密封液向工艺气体的微泄漏或零泄漏。从密封的发展和技术水平来看,石油、化工和气体工业用离心压缩机的轴端密封先后经历了以下几个阶段:迷宫密封、浮环密封、机械(接触型)密封、干气密封[4]。实践证明,干气密封具有非常明显的优势,是最先进的一代透平压缩机轴端密封形式,已发展成为目前大机组新机项目和改造项目的首选轴端密封形式。

1　干气密封的工作原理及结构

干气密封(dry gas seal)是一种新型的非接触密封。它的概念是20世纪60年代末在气体润滑轴承的基础上发展起来的[2],是对接触型液膜机械密封的改进,经过数年研究,并投入工业应用。80年代国外在大型离心压缩机中,用干气密封取代了浮环密封和其相应的密封油系统,也用于离心压缩机、通风机、鼓风机和离心泵等旋转设备上。

111　干气密封的工作原理

干气密封的工作原理,实际上是一种润滑气膜流体的动、静压结合型非接触式机械密封与气体阻塞密封的有机结合(见图1)。它的最大特点是在动环或静环的端面上加工出均匀分布的浅槽,其深度小于10μm,图2a是几种常见的浅槽形式。以螺旋槽面干气密封为例,

当密封旋转时(见图2b),被密封气体周向吸入螺旋槽内,径向分量由外径向中心流动,而密封坝限制气体流向低压侧,气体随着螺旋槽截面形状的变化被压缩,在槽根部产生局部高压区,将动静密封环打开形成约3μm宽度的气膜,由气膜产生的开启力与弹簧和介质形成的闭合力达到平衡,于是密封形成非接触运转。而螺旋槽产生的流体动压总是能平衡外界干扰对动静密封环之间间隙的影响,保证密封件运转的平稳性。螺旋槽干气密封在正常运转条件下,其闭合力(弹簧和气体作用力)等于开启力(气膜作用力),

　收稿日期:2007207219

　作者简介:陈秀琴(1984—),女,浙江乐清人,硕士研究生,主要从事干气密封技术方面的研究。

11外环　21静环　31弹簧　4、5、81O形环　61转轴　71组装套

图1　干气密封结构

图2　常见浅槽和密封原理示意

这是理想的设计工况。112　密封结构

干气密封的设计选用主要取决于气体成分

、气体压力、工艺状况和工厂安全以及对排放气体的污染极限的要求。实际应用中,干气密封主要有3种布置形

式:单端面密封结构、串联式密封结构和双端面密封结构[2]。

(1)单端面密封结构,又称单级密封,该种密封适用于密封出现故障后允许有少量泄漏、危险性小的场合,可用于空气、氮气、二氧化碳压缩机。

(2)串联式干气密封结构,这是应用最普遍的一种结构形式。一个串联式干气密封可能由两级或更多级干气密封按照相同的方向首尾相连,每级密封分担部分负载。通常情况下采用两级结构,第一级(主密封)承担全部负荷,而另外一级作为备用密封承受压力降,在备用密封和主密封之间通入惰性体就形成阻塞密封,保证密封介质绝对不向大气泄漏。在压力很高的场合,需要采用三级串联式密封,其中前两级密封分担总的负载,第三级作为备用密封和阻塞密封。

(3)双端面密封结构,当工艺要求选择压力较高的缓冲介质或缓冲气较脏时,应考虑安装双密封。当压缩机在真空条件下运转时,应采用双密封布置。该种形式的密封主要采用面对面结构,有时两个密封共用一个动环,通过采用惰性气体作阻塞气体而成为一个性能可靠的阻塞密封系统。由于阻塞气体的压力总是维持在比密封气体压力高的水平,因此气体泄漏的方向便朝着工艺介质气体,这就保证了工艺气体不会向大气泄漏,故其主要用于有毒、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。2　干气密封的应用

经过40多年的发展,干气密封以其优良的性能已经在工业生产领域中得到广泛的应用[9]。它在炼油、化工等行业高速透平压缩机上的应用越来越广。目前干气密封已大量用在石化压缩机上,如炼油行业

的富气压缩机、循环氢压缩机、高压加氢压缩机、解吸气压缩机等;化工行业的循环气压缩机、裂解气压缩机、乙烯压缩机、丙烯压缩机、多元制冷压缩机、二氧化碳压缩机、氨气压缩机、原料气压缩机、合成气压缩机、天然气压缩机等。由于国内外干气密封产品价格的大幅下降,其性价比远远高于浮环密封和机械密封。因此不论是国外进口的还是国产的工艺气体用高速透平压缩机新机,都首选干气密封作为其轴端密封装置,而且一些原来采用浮环密封或机械密封的压缩机也逐步改为干气密封。3　干气密封的研究现状、存在的问题及发展趋势311　研究现状

随着干气密封技术和产品的发展和广泛应用,国内有关研究机构也相继对干气密封进行了研究。中国石油大学对干气密封原理和设计理论进行了研究;四川密封技术研究所、北京化工大学也对螺旋槽干气密封的优化设计发表了研究论文,这对干气密封技术的应用具有十分重要的指导意义。另外根据文献[8]、[13]、[15]、[16]等具体的研究有如下几个方面。

1)密封端面摩擦的研究端面间的摩擦是决定密封性能的首要原因之一,也是长期以来研究的热点。Mayer 认为普通机械密封的界面一般为边界摩擦,并基于边界摩擦学说提出了流体交换流动理论;Nau 认为:目前应用的机械密封大都处于流体动力摩擦。Lebeck 的试验研究则表明,在水润滑条件下的普通机械密封中并不能形成足够的流体动压承载能力;A 1И戈卢别夫研究了缝隙内的流体流动,指出密封元件的热弹性变形与表面缺陷之间的关系;Summers —smith 等证明在一定条件下,端面处于混合摩擦状态。因而对于普通机械密封,大多数人所接受的为混合摩擦学说,即机械密封正常工作状态为混合摩擦,在开、停车会出现干摩擦,在润滑性良好的工况可能会出现边界摩擦。但对此也尚未定论,需要进一步研究。同时还有很多学者对此进行了深入的研究。Christensen 给出了详细的混合摩擦理论分析,并建立模型;戈建志等在Christensen 的基础上,建立处于流体动压润滑的理论模型,并通过实验对其进行验证;葛培琪根据雷诺方程和弹性固体接触理论,建立了混合摩擦模型,并给出计算流程和实例。这些为密封机理的研究奠定了一定的理论基础。

2)干气密封的结构研究

密封的结构一般分为机械密封部分和密封系统两

个部分。机械密封部分:摩擦副,主要在配对宽度、端面的精度以及宏观开槽等方面做了很多的研究,而且以宏观开槽为研究的热点;补偿机构,对弹簧的断裂失效尤为关注,而且很多的场合已改用波纹管形式,尤其在炼油厂中的热油泵、高温、低温泵效果更突出;防转装置,仍未给予足够的重视,不同布置中的元件数在不同设计中也不一样,今后要在研究其形状、数量及其公差对密封运动学特性的影响等方面做更多的工作;由于密封端面配合要求很高,这就对其安装提出严格的要求。在密封系统的研究方面,有研究把密封室改为45°喇叭型或“旋风”式,对改善密封工作环境取得较好的效果。但是在一些工作条件苛刻的情况下,需要引用组合式机械密封结构,而且迫切需求对监控系统和报警装置的深入研究。

3)密封现代设计

我国密封技术发展的另一个难关在于设计手段的落后。目前,国外著名的密封公司大多拥有自主开发的机械密封CAD,典型的有JohnCrane公司的软件,具有计算运行密封模拟值的功能,而我国直到1996年才由合肥通用机械研究所开发研制了MSCAD。就国内外对机械密封的机理和性能预测研究的现状来看,目前开发的机械密封CAD软件仅是某一类密封的数据库[13]。

4)理论计算

(1)关于气膜流态及保证气膜稳定性的自调机构的研究　密封面间的气膜,在推导各种方程时都假设为层流,但在高速时流动状态可能发生变化,可以是过渡状态的流动或超音速流等。有文献报道,窄间隙亚音速层流时密封面的稳定性最好;大间隙时会不稳定,易引起由层流向紊流流动的转变,且在出口产生音速的流动,从而产生振动,使密封面遭到破坏[8]。

最理想的气膜状态要求静环与动环始终保持平行,但实际上总有各种角度产生。通常压力变形导致密封端面外侧可能接触,而热变形导致密封端面内侧可能接触,前者产生发散气膜、后者产生收敛气膜。密封面上压力分布的变化可重新调节密封面,以保持气膜的稳定。也就是说,一旦通过设计确定了运行间隙并实际校准了,螺旋槽就能在其应用条件下,对可接受的正常移动情况保持气膜稳定性,但不能超出其运行极限。

(2)关于工作状态及稳定性的研究　由于轴承的稳定性要求与机械密封一致,所以基本上以轴承稳定性研究得到的结论作为设计气体螺旋槽干气密封的依据。对工作状态的研究主要有以下几个方面:偏心对密封性能的影响;密封面倾斜的影响;密封面变形的影响。目前,对这三者的研究主要以试验为主,尚未建立数学模型来讨论这些工作状态下密封性能的变化规律。试验证明:偏心、密封面倾斜及热变形都对密封工作特性有很大的影响,为减小这三者的影响,主要采取提高安装精度、采用自对中原理和设计来设计密封的措施[8]。

(3)绝热设计　由于气体导热系数小,摩擦面产生的热不能及时散出,使气膜与密封面间产生热传导,从而使密封面产生热变形,影响表面间的压力分布。试验证明:磨损主要出现在槽台区,而密封坝区无磨损。这是由于气膜压降主要出现在密封坝区,气体在该区膨胀并带走大量的热,从而使密封坝处的温度低、变形小,这样易造成密封面倾斜、承载能力及刚度降低。为克服这一缺点,通常采用“增加密封坝的宽度、使气体温度从T i升到T g所需热量等于密封面相对运动时对气体的剪切热”的绝热设计。

312　存在的问题

1)基础研究工作薄弱

国内在密封的理论研究方面较薄弱,仅在有些大学(如石油大学、北京化工大学、华东理工大学等)和少数研究所(合肥通用机械研究所等)开展了研究课题,进行专题研究。而国外密封产品制造企业则是拨出专项资金、设立研究所或以与大学长年合作的方式,开展基础研究工作。另外,我国相关技术人员参加国际上的关于密封的学术会议人员少、论文少、申报专利数量少,超前开发意识薄弱。

2)密封用材性能较差

随着对外商务接触及技术交流,国内不少企业直接或间接将产品送到国外的一些密封公司进行材料检测,包括了硬质合金、石墨、碳化硅、氧化铝、锥形密封用热压铸钢等。从检测报告看,普遍存在性能不稳定,与国外差距大,品种规格少。对高参数工况或介质具有强腐蚀性、含有磨料颗粒等情况,传统材料不能完全满足要求[13]。

3)产品结构陈旧、加工水平落后

我国许多密封结构仍沿用国外20世纪50年代的结构,不能适应多方面的需求,应在这方面加快发展。目前制约我国密封产品发展的“瓶颈”在于生产条件和工艺水平的落后,而沟槽的加工则是另一技术关键。激光加工已被大多数研究人员认可,但如何降低其加

工成本,形成通用的高精度自动加工系统是急需解决的问题。

4)高参数密封可靠性较差

据不完全统计,在炼油企业中(多为高温或高压密封),导致叶片泵非计划维修的主要原因是密封设备的失效。在化工企业,密封设备的平均装机寿命大约也只有515个月;而在连续生产的装置上,一般都要求密封设备能保证1年以上的寿命。但实际只有不到20%的产品可以满足这一要求。显然这类密封产品的可靠性问题应引起高度重视[13]。

313　发展趋势及进一步研究方向

干气密封技术虽然己经被广泛应用且应用范围逐渐扩大,但对干气密封理论的研究、认识和应用还有待于进一步的加深[8]。

1)干气密封总体设计方面

以往的干气密封研究仅在摩擦、材料等方面进行,至今没有得出令人满意的结论。目前已在端面微观形貌(粗糙度、波度、变形等)、相变、空化等方面开展了很多研究,但是很少从流体力学角度入手。考虑耦合传热、变形等因素,对气体膜内流动进行分析,建立比较实用的干气密封设计模型,提出相关的理论和相应的改型措施是当前需要深入进行的重要方面。现代设计和机理的研究相辅相成。把几何模型的建立和压力、温度变形的耦合计算作为对像处理,开发出图形交互式的计算分析系统,并同时与实验数据对比修正,以优化设计参数,最终形成一套完整的设计软件系统意义深远。这方面需要大量的数值模拟以及实验数据的搜集统计工作,需要更多的人员和经费投入并完善现有CAD软件功能。由于密封失效存在的原因很多,它和设计、操作以及使用条件的关系尚不清晰,可建立故障诊断和分析系统来进行研究。

密封的压力、温度会对密封性能产生直接的影响,造成密封泄漏,特别是我国石油化工工业运转周期将延长,迫切需求开展这方面的研究,以便测量和记录现场实际工作条件,并由此确定对密封性能的影响。且随着旋转设备向高参数发展以及环保给密封提出更高的要求,迫切要求密封系统有自动监测和调控功能,且随着微电子学、测控技术的发展及其在密封领域的应用,密封技术的监控技术将会在石化等工业领域中得到应用。但是引起密封失效的因素很多,究竟选择哪种参数作为反馈信号才能够及时准确,也是当今研究的热点。

新材料的研制开发。随着机械密封使用要求的提高,也促使其用材进一步发展,如对有自润滑性硬质合金、高性能工程陶瓷、高性能密封圈材料以及混入纳米粒子的SiC2C2C等新材料的研究与应用。利用喷涂技术和新工艺来修复硬面和制造硬面环也有很多尝试。随着纳米科学与技术的发展而派生出来的纳米摩擦学的发展,有很多学者分析了介质润滑性对摩擦系数和磨损的影响,从微观上解释了摩擦磨损机理,设计与制备出纳米尺度上的润滑及减摩耐磨材料,是20世纪90年代以来摩擦学研究领域最活跃,也是材料学与摩擦学科交叉领域最前沿的内容。为了改善材料的润滑条件,还有很多学者作了纳米粒子做润滑油添加剂的研究和展望。

2)理论计算方面

①通过对螺旋槽干气密封结构进行有限元理论分析,从分析结果对比可知,有限元法更为准确、更接近于实际。但从目前国内的研究结果看,一些理论还不太成熟,方法还不太统一,有待于进一步完善。②由于干气密封不可能达到零泄漏,所以密封布置方式的选择要更为具体和合理。如何采取有效的措施减小泄漏量是干气密封的一个研究方向。③液体污染物进入螺旋槽后,经逐渐积累会造成气膜承载力的下降,有发生端面接触的危险。如何清除和防止螺旋槽中液体杂质污染需进一步研究。④密封材质的选择决定了干气密封的运行状况及使用寿命,因此要通过对比研究与不断的实践,从而得出一些好的经验和结论。

⑤影响干气密封运转性能的因素很多,一般分为工艺参数和密封的结构参数。密封面结构参数对密封的稳定性及可靠性有很大的影响,密封面的结构优化问题应成为研究的重点。

4　结束语

随着我国高新技术和工业的高速发展,对各种密封技术提出了更高要求。一是在实际产品上要求产品更少的泄漏量,同时具有更高的使用寿命;二是环保要求越来越高;三是要求流体机械的效率更高,并最大程度地节能降耗。对这些问题的解决主要是通过改进密封结构(如采用双端面或串联式密封等)、优化各种参数、改进制造工艺和检测方法、加强密封系统控制、提高密封材料性能以及密封辅助系统等几个方面来加以解决。

干气密封作为一种非接触式密封是目前密封技术研究的热点,其极限速度高,密封性能好,寿命长,不需密封油系统,功率消耗少,操作简单及运行维护费用

低。干气密封作为不需任何密封端面冷却和润滑用油的无维修密封系统,正取代浮环密封和迷宫密封而成为石化行业高速离心压缩机轴封的主流。

参考文献:

[1]　彭旭东,焦玉瑞,叶志伟,彭连军.机械端面密封技术的热

点问题[J].通用机械,2003(3):54-57.

[2]　柳季君.干气密封的工作机理及其典型结构[J].化学工

业与工程技术,2002,23(4):38-39.

[3]　张剑慈.干气密封的特性及其应用[J].浙江化工,2004,

35(11):28-29.

[4]　王玉明,杨惠霞,姜南.流体密封技术[J].液压气动与密

封,2004(3):1-5.

[5]　昌军.轴端密封新技术———干气密封[J].河南化工,2000

(10):27-28.

[6]　杨富来.干气密封技术及实际应用[J].石油化工设备技

术,2004,25(3):63-66.

[7]　顾永泉.机械密封实用技术[M].北京:机械工业出版社,

2001.[8]　巨军.干气密封技术的研究与应用[D].兰州:兰州理工大

学,2006.

[9]　曹登峰,宋鹏云,等.螺旋槽气体端面密封动力学研究进

展[J].润滑与密封,2006(5):178-182.

[10]蒋小文,顾伯勤.螺旋槽干气密封端面间气膜特性[J].化

工学报,2005,56(8):1419-1425.

[11]Arvind G odse.干气密封[J].润滑与密封,2001(3):48-

50.

[12]陈志.干气密封的工作原理及设计计算[J].机械,2002,

29(3):33-34.

[13]张金凤,袁寿其,曹武陵.机械端面密封技术研究现状及

发展趋势[J].流体机械,2004,32(10):26-31.

[14]于新奇,王振辉,蔡仁良.动压型机械密封技术的应用和

发展[J].流体机械,2005,33(8):28-32.

[15]Etsion,K ligeman.Analytical and experimental investigation

of laser2textured mechanical seal faces[J].Tribology Tranc2 tions,1999,42(3):511-516.

[16]Etsion.Dynamic analysis of mon2contacting face seals[J].

Lubrication Technology,1982,194(2):460-468.

一种油温自动控制方法在液压缸实验台中的应用

张立军1,刘克铭2

The Application of Oil Temperature Control Method for Cylinder Stand

ZHAN G Li2jun1,L IU Ke2ming2

(1.中国石油大学机电工程学院,山东东营　257061;2.广西大学机械工程学院,广西南宁　530004)

摘　要:在分析了传统油温控制方法对液压缸实验台液压系统存在问题的基础上,提出了一种新的针对液压缸实验台液压系统的油温控制方法———管路冷热油混流法。该系统具有控制精度高、结构简单和造价低等优点。

关键词:液压缸实验台;油温控制;冷热油混流

中图分类号:TH137.1;TP391.9　文献标识码:B　文章编号:100024858(2008)022*******

1　引言

液压缸是液压系统主要执行元件之一。目前已广

泛应用于工程机械、矿山机械、汽车工业以及智能机械

等各类行业,如挖掘机、起重机、高空作业车以及机器

人制造等。其特性好坏在很大程度上影响液压系统的

工作性能。随着液压技术的飞速发展,对液压缸综合性能要求也日益提高,液压缸的试验与检测已成为保证液压系统正常工作的重要手段。

　收稿日期:2007209227

　作者简介:张立军(1977—),男,山东省平阴县人,讲师,博士,主要从事液压系统设计和仿真方面的教学和科研工作。 油温控制是液压缸实验台实验中的一个重要因素,这是因为油温变化直接影响油黏度的变化,而黏度是选用液压油的一个重要指标,黏度过小,会使泄漏增加,降低系统的容积效率;黏度过大,会使黏性摩擦力