离心压缩机密封技术的探讨

2022-09-10

目前国内外石化行业普遍用离心压缩机来输送各种气体。为了防止或限制这些气体沿压缩机旋转轴端部泄漏到大气中去, 就必须采用各种轴端密封装置, 以便维持主机的正常运转, 降低物料和能源的消耗, 防止环境污染和保证人身及设备安全。离心压缩机所采用的密封通常有四种形式, 即迷宫密封、浮环密封、机械密封和干气密封。

1 迷宫密封

迷宫密封是依靠节流间隙中的节流过程 (压力能转化为动能) 和密封空腔中的动能耗散过程 (动能转化为热能) 实现密封。迷宫密封结构简单、安装操作方便, 辅助设备少, 一般允许压缩机内的介质微量漏到大气中去, 而且只适用于低压介质密封。首先, 以空气为介质的压缩机绝大多数采用通过节流来降低泄漏的迷宫式 (梳齿式) 密封, 这是因为空气既无任何危险又非常廉价, 其泄漏量的大小只是影响主机的效率即能源的消耗。因此, 对迷宫密封的主要研究方向是如何加强节流功能以降低泄漏量。利用强化节流效应来降低气体泄漏量的蜂窝密封或刷式密封, 也可以看作是改进型的迷宫密封。其次, 压缩氮气、二氧化碳等“中性”气体的压缩机也可以采用迷宫密封, 但由于其价值远较空气为高, 故在某些大型化肥厂采用气膜螺旋槽密封, 其目的是降低物料和能源的消耗。

石化行业危险性工艺气体压缩机使用的第一代轴端密封是迷宫式密封。但是由于这类密封运行维护费用高, 污染环境等原因, 在80年代基本都被浮环密封代替。

2 浮环密封

浮环密封是液体密封的一种, 它是从固定套筒式油封发展而来的。浮环就是处于转轴上, 位于浮环密封腔内的两个与转轴具有较小间隙的圆环。封油注入浮环密封腔后, 沿浮环间隙向内浮环内侧和外浮环外侧泄漏。由于转子处于高速旋转状态流入浮环间隙内的封油, 在旋转轴的作用下形成了具有一定承载能力的油膜。该油膜一方面将浮环抬起, 使浮环与轴颈间实现液体润滑, 从而减轻摩擦、降低磨损。另一方面, 由于油膜充满了整个浮环间隙, 所以阻止气体介质外漏, 从而起到了密封的作用。浮环密封是压缩危险性工艺气体的离心压缩机轴端密封的传统型式, 到目前为止, 在各种实际应用的密封型式中仍然占据主导地位。从发展历史看, 这种密封是替代迷宫式抽充气密封的新一代密封。

浮环密封有两大主要优点: (l) 属于非接触式密封, 寿命长, 可靠性高; (2) 适应于高速和各种压力等级, 工况范围广。正是这两点使浮环密封成为危险性工艺气体压缩机轴端密封的传统型式。

然而, 浮环密封也有两大缺点: (1) 内泄漏仍然较大, 回收处理内泄漏油 (污油) 的设备比较复杂庞大, 包话油气分离器、脱气槽及控制系统、特别是当内泄漏过大和该系统失灵时便存在密封油污染工艺回路的危险, 其结果是降低产品质量, 甚至毒化催化剂, 直至造成装置停机。为了克服这一缺点, 浮环密封本身也在向减少内泄漏的方向发展, 例如, 采用带泵吸效应的内浮环。 (2) 浮环密封的油气压差很小, 控制系统复杂。浮环密封辅助系统的投资远远高于密封本身的投资。正是由于上述两大缺点, 浮环密封受到了更先进的密封型式的严重挑战。

3 机械密封

过去, 迷宫密封和浮环密封被广泛采用, 随着密封技术的发展, 机械密封和干气密封相继推广使用。离心压缩机采用的传统的浮环密封正在逐步被先进的机械密封所取代, 因为机械密封的泄漏率明显低于浮环密封。这不仅减少了密封油的消耗, 更重要的是减少了密封油对工艺回路的污染。机械密封的润滑和控制系统更简单、操作更方便且安全可靠。尽管机械密封比浮环密封的成本高, 但从总的技术经济特性分析, 其优越性是十分明显的。

这类密封在低中压离心压缩机领域之所以逐步替代传统的浮环密封, 是基干两方面的原因: (l) 克服了浮环密封内泄漏量过大和辅助系统复杂两大缺点; (2) 在技术上已经成熟到其寿命和可靠性并不亚于浮环密封的程度。与浮环密封相比, 这类密封的内泄漏量由2000m L/h~3000m L/h降低到10 0m L/h~10 00 m L/h。这佯, 不仅减少了密封油污染工艺回路的危险性, 而且污油回收设备的重量和占地面积均减小了。其次, 这类密封的油气压差由浮环密封的0.05MPa提高到0.15MPa~0.30MPa, 控制的安全可靠性提高, 系统也变得简单一些。这类密封与浮环密封相比, 密封本体投资加大, 系统投资减少, 设备总投资相差不多, 但更加安全可靠运行维护费用有所降低。

4 干气密封

干气密封是20世纪70年代发展起来的一项新型技术, 与其他密封方式相比有着无可比拟的优势。通常, 干气密封与机械接触式密封有相似的剖面外形, 密封是在与转动相垂直的平面内实现的。干气密封公用面结构主要有扁平密封块、台阶形密封块、锲形密封块和螺旋槽表面四种形式。现以螺旋槽气体密封为例, 简单分析干气密封的特点、结构、工作原理。

4.1 干气密封的特点

干气密封是目前最先进的一种非接触密封型式, 其主要特点是:密封功率消耗小, 仅为接触式机械密封的5%左右;与其它非接触密封相比, 干气密封气体泄漏量小;在离心压缩机中, 采用自身工艺气体作为密封气, 对工艺流程无不利影响;可实现介质的零逸出, 是一种环保型密封;密封辅助系统较为简单, 可靠, 使用中不需要维护。

4.2 干气密封的基本结构

干气密封主要由动静两部分组件组成。静止部分包括O形环密封的静环 (主环) 、加载弹簧及固定静环的不锈钢夹持套 (固定在压缩机机壳内) 。动环 (配对环) 由一夹紧套和一锁定螺母 (保持轴向定位) 等部件安装在旋转轴上随轴高速旋转, 动环一般由硬度高、刚性好且耐磨的钨、硅硬质合金制造。螺旋槽式干气密封设计的特别之处是在动环表面加工出一系列螺旋状沟槽, 深度一般为0.0025mm~0.01mm。在静止条件下, 静环上的弹性负荷使动环与静环保持相互接触。

4.3 工作原理

螺旋槽式干气密封的工作原理是利用流体静力和流体动力的平衡实现的。密封气体注入密封装置, 使动、静环受到流体静压力作用, 不论配对环是否转动, 这些力都是存在的, 而流体的动压力只有在转动时才产生, 配对动环上的螺旋槽是产生流体动压力的关键, 当动环随轴转动时, 螺旋槽里的气体被剪切, 从外缘流向中心, 产生动压力, 而密封坝对气体的流出有抑制作用 (静压力的存在) , 使得气体流动受阻, 气体压力升高, 这一升高的压力将挠性安装的静环与配对动环分开, 当气体压力与弹簧恢复力平衡后, 维持最小间隙, 即气膜刚度。

密封的刚度与螺旋槽的结构形式密切相关, 目前主要有双向槽和单向槽两种, 其中单向槽干气密封刚度较好, 适用于中压和高压离心压缩机;双向槽干气密封气膜刚度较差, 但可以安装在驱动端和非驱动端, 减少了备件数量, 适用于低压离心压缩机。

摘要：由于对密封理论及实用技术掌握得不好, 在密封的选型及对实际问题的处理当中, 经常会出现一些问题, 最终导致密封失效, 介质泄漏, 装置停车停产, 企业效益严重受损。为此本文针对离心压缩机的密封技术进行了探讨。

关键词：迷宫密封,浮环密封,机械密封,干气密封