压缩机干气密封基本原理及使用分析68024

1、关键字：透平式压缩机，干气密封，结构，应用basic principle and use analysis for dry gas seal of compressorli guiqin et alabstract: research is carried out against the product of dry gas seal of german burgmann company,combining the operating performance of compressor,contents of principle of compressor dry gas seal,struc

2、tural feature,seal material,service requirment and manufacture etc.are mainly discussed.key words:turbocompressor dry gas seal structure application一、引言干气密封是一种新型的无接触轴封，山它来密封旋转机器中的气体或液体介质。与其它密 封相比，干气密封貝有泄漏量少，磨损小，寿命长，能耗低，操作简单可靠，维修量低，被密 封的流体不受汕污染等特点。因此，在压缩机应用领域，t气密封止逐渐替代浮环密封、迷宫 密封和油润滑机械密封。干气密封使用的可靠性和经济

3、性己经被许多工程应用实例所证实。目前，干气密封主要用在离心式压缩机上，也还用在轴流式压缩机、齿轮传动压缩机和透 平膨胀机上。干气密封已经成为压缩机正常运转和操作可靠的重要元件，随着压缩机技术的发 展，干气密封正逐步収代浮环密封、迷宫密封和汕润滑密封。本文针对德国廨格曼公司的干气密封产品进行了研究，结合压缩机的工作特点，帝点论述 压缩机干气密封的原理、结构特点、密封材料、使用要求和制造等方血的内容。二、干气密封工作原理分析干气密封的般设计形式是集装式，图1表示出了压缩机干气密封的具体结构。2.动环3.惟汗轧厲貰5.0型理 轻体7一带怀形座的箱鹫图1压缩机干气密封示意图干气密封和普通平衡型机械密封

4、相似，也由静环和动环组成，其中：静环由弹 赞加载，并靠0型圈辅助密封。端面材料可采用碳化硅、氮化硅、硬质介金或石墨。干气密封与液体普通平衡型机械密封的区别在于：干气密封动环端面开有气体 槽，气体槽深度仅有几微米，端血间必须有洁净的气体，以保证在两个端血z间形 成一个稳定的气膜使密封端面完全分离。气膜厚度一般为几微米，这个稳定的气膜 可以使密封端而间保持一定的密封间隙，间隙太大，密封效果变差；而间隙太小会 使密封而发牛接触，因干气密封的摩擦热不能散失，端而间无润滑接触将很快引起 密封端面的变形，从而使密封失效。气体介质通过密封间隙时靠节流和阻塞的作用而被减压，从而实现气体介质的 密封，儿微米的密

5、封间隙会使气体的泄漏率保持最小。动环密封而分为两个功能区（外区域和内区域）。气体进入密封间隙的外区域有 空气动压槽，这些槽压缩进來的气体。为了获得必要的泵效应，动压槽必须被开在 高压侧。密封间隙内的压力增加将保证即使在轴向载荷较大的情况下也将形成一个 不被破坏的稳定气膜。干气密封无接触无磨损的运行操作是靠稳定的气膜来保证的，稳定的气膜是由 密封墙的节流效应和所开动压槽的泵效应得到的。密封面的内区域（密封墙）是平面，靠它的节流效应限制了泄漏量。干气密封的 弹簧力很小，主耍目的是为了当密封不受压时确保密封面的闭合。选择干气密封时，决定性的判断是动环上所开动压槽的几何形状。对于压缩机 的某些操作点，

6、如启动和停车时，一套串联密封在低速或无压操作的情况卞，旋转 的动压槽必须在密封而之间产生一个合适的压力。此力靠特殊措施三维的、弧 形的槽來获得。压缩机干气密封设计和使用为两种槽型：双向的（u形）和单向的（v形）槽型。两 种梢型的特性见表1。表1 v形槽和u形槽的特性v形槽单向u形槽双向反向运转仅能短期的反向运转所有操作速度均可以间隙（pm）31028无压的情况下启离速度*（m/s）0.61.2静止时，启离压力*（mpa）>0.6>0.6智主意：dgs在低于那些被采用的值以卞操作仍能被保证，但是一个分离层是必要 的。三、密封材料分析1. 端面材料干气密封的操作极限与密封各个元件的许用

7、载荷冇关。温度和压力极限由所用 的辅助密封橡胶和端面材料决定。使用的端而材料对干气密封的工作起着决定性的 作用。端血材料对压缩机密封的操作影响很大。端而材料组对的选择与压力、轴径和 转速有关(见表2)。表2端面材料材料组对静环动环硬/软高硬度浸钮石墨buko03碳化硅buka25碳化硅表面喷涂金刚砂buka251碳化硅表面喷涂金刚砂buka251图2压缩机干气密封的形式图3 v形槽 u形槽硬对软材料组对仅被用于低压范围。博格曼干气密封的端面材料主耍为碳化硅，碳化硅与英它材料相比在满足温度 和压力的要求方面均显示出特殊的优势，又因密封间隙的几何形状受端血材料的压 力和温度分布的彩响，从农3材料的

8、物理特性分析碳化硅做端面材料的优势最人。表3各种端面材料的物理特性浸sb石墨wc(ni)sic烧结si3n4韧性材料密度(kg/dm3)2 2.514.53.13.2679e模量(gpa)20 40600420350200220导热系数(w/m*k)7128010012530525热膨胀系数(106/k)4514.842.1020碳化硅的弹性模量(420gpa)较高保证了压力和温度的影响下密封血和辅助件的 变形最小。因此，在所有操作期间，确保了密封间隙的稳定。碳化硅优良的热传导 性(导热系数为100125w/m.k)保证必要的热量消散，因此密封端面的温度分布也 是均匀的。密封而采用硬对硬组对，

9、为了在启动和停车时，增强偶然端面接触的自润滑性, 博格曼干气密封在采用硕对硬材料组对时，碳化硅表面喷涂金刚砂即 dlc=diamond-like carbon®2. 辅助密封材料辅助密封材料见表4。对于辅助密封最重耍的特性是温度极限，挤压特性和压 力相关的气吸现象。在气吸的环境，密封腔的压力突然下降将导致()型圈气体侧爆 炸减压，因此引起橡胶圈的变形。为了消除气吸的损害，压力下降率应低于 2mpa/mino表4辅助密封材料0型圈材1质博格曼代 码din24960 代码|温度极限°c硕度(sh)应用1氢化晴胶hnbrx4*40 +125(-54-+ 135)75乙烯氟胶vv2

10、0+2007590 |空气、co2、n2、氨和天 然气fluorazv9v9*110 +240(275)75含h2s的气体全氟橡胶kk+260(300)65 90髙腐蚀和高温注：*博格曼代码3弹簧和莫他结构件弹赞和其他结构件通常用珞钢、不锈钢、mo2ti不锈钢、沉淀硬化不锈钢和哈 氏c4等。四、基本结构与使用分析1. 单端血密封结构如图4,此结构可作为一种无泄漏结构选择，此结构有一个可把泄漏引到一个 适合的火矩或排气口接口。在这种情况下主要的泄漏与分离气一起被输送到火拒或 排气口。a介质冲洗c火炬d分离气体图4单端面密封结构（如：burgmann dgs）如果输送的气体介质含有杂质，介质必须被

11、过滤后才能通过接口输送到密 封腔。这样，过滤的介质从密封腔流向叶轮侧，从而阻止杂质从叶轮侧进入密封。 2串联密封结构如图5,串联结构是一种操作可靠性较高的干气密封结构。作为汕和气工业的 标准结构，它是设计简单tl仅需耍一个相当简单的气体辅助系统。典型应川是介质 气体少量泄漏到大气中是容许的工况。a介质冲洗c火矩d分离气体s排气口图5 串联结构（如：burgmann dgs）a介质冲洗b缓冲气体c火炬d分离气体s排气口图6带屮间迷宫的串联结构（如：burgmann dgs）a介质冲洗b缓冲气体d分离气体s排气口图7双端面密封结构（如：burgmann dgs）在串联结构中，两个单封被前后放置形成

12、两级密封。介质侧密封（主密封）和人 气侧密封（辅助密封）能够承受全部压力差。在-般的操作中，介质侧的密封承受了 全-部压茅。介质侧密封和大气侧密封之间的泄漏可通过接口引到火炬。大气侧 密封所承受的压力与火炬圧力相同，因此介质泄漏到大气侧和到排气口的量儿乎为 零。此结构使用过程中，当主密封失败时，辅助密封可作为安全密封，保证介质不 会泄漏到大气中。3 .带中间迷宫的串联密封结构如果工艺介质不允许泄漏到人气中和缓冲气体不允许泄漏到工艺介质中，此时 串联结构的两级密封间可加迷宫密封。典型的应川是不允许介质泄漏到人气中，如 h2压缩机，h2s含量较高的天然气压缩机（酸气），和乙烯、丙烯压缩机。此种结构

13、的密封工作时，工艺气体的压力通过介质侧密封被降低。泄漏的工艺 气体通过接口“ct扌if到火炬。大气侧密封通过接口被缓冲气体（氮气或空气）加压。 缓冲气体的压力保证有连续的气流通过迷宫到火炬的出口。4.双端面密封结构当没有火炬，但具有可以提供合适压力的缓冲气体的时候，使用双端而密封结 构。由于密封热量的产生，对于每一种工况，操作极限必须通过计算。此结构，典型的应用是不允许介质泄漏到大气侧，主耍川于石汕化工行业和英 他有害气体压缩机。双端面密封是-种冇效地防i上介质气体逃逸到周i韦i环境屮的密封结构。它包括 供给缓冲气体，如氮气，在两道密封z间通过接口“b”加一个比介质压力髙的缓冲 气体（一般缓冲

14、气体的压力比介质压力高0.2mpa）o缓冲气体-部分泄漏到大气，另 部分泄漏到介质中。五、设计与操作范围1压力为了确定最大允许压力必须考虑与密封元件的挤压间隙和挤压特性相关的密封 端面的变形。所冇间隙必须被计算来排除在操作圧力和操作温度下辅助密封元件的 挤压。每一个气体密封的间隙情况必须根据彳j效的操作温度检查。2. 温度为了确定最大允许操作温度，不仅考虑被密封气体的使川温度也要考虑密封间 隙间的涡流和摩擦所产牛的热。这些热与密封的速度、压力、气体和密封设计结构 冇关。因此，在应用温度下，密封的每一个元件都应被计算。这些计算的温度应低于材料的特性温度，即密封元件的最大允许温度。3. 端血速度端

15、面的最大滑移速度以端面材料允许作用的载荷为基础，计算的安全系数至少 为1.5,允许靠离心力来减少张力。它们在旋转试验中检查。最人滑动速度数值根据用來计算的玄径不同，每种制造也是不同的。动环的内 径或外径和静环的动态的或气动的直径全是可能的。碳化硅动环外径的最人滑动速度可以达到200m/so4. 一般操作范围压缩机气体密封的基本形式应用范围如下：公称直径46 250mm此宜径指的是动环的内径（小于或人于此范围的公称立径也是可以的）。压力2lompa（绝）（橡胶辅助密封）> 1025mpa（绝）（非橡胶辅助密封）最人压力差与材料和公称直径冇关。温度20 °c+200 °c

16、 （橡胶辅助密封）55°c+250°c（非橡胶辅助密封）滑动速度动环外径的最大速度vg为200m/s。最大操作速度与滑动面的材料冇关。允许的轴位移轴向：dn46118标准为± 1.0mmdn13（）220标准为 ±2.0mmdn230 250标准为 ±3.0mm特殊形式为：最大±4.0mm径向：dn46 250标准为 ±0.6mm六、干气密封制造质量要求压缩机密封和它们的缓冲气系统产品由质量部严格控制。重要的材料和组件的 试验被记录。这确保了密封及和应的缓冲气系统产甜的质虽恒定和操作的可靠性。1. 标准检查计划干气密封和缓冲

17、气系统的标准试验和检查属于标准检査计划。附加材料和纽件 试验也可以要求。标准检査计划的要点为：对于关键性零件符合en 10204/3b标准的材料证明动环的速度试验（旋转试验）.动环的表而破裂试验.静压和动压功能试验平衡符合平衡等级g2.5（标准）或g1.0o2. 旋转试验在操作期间被加载的动环的抗拉应力因离心力而减少。金属材料制造保证材料 的抗拉强度，但碳化硅制造和其他非金属端面材料将仅釆用失u怕室蜃幼軀 釉毓 6 ffl?br> 每一个动环的强度都要试验，因此，在旋转试验中，旋转试验需要的 速度为最大操作速度的1.225倍。试验压力为操作时压力的1.5倍。如果碳化硅环经 住此试验，它就能保证组件能长时间承受工作载荷。3. 功能试验压缩机密封总是由制造商进行静压和动压功能试验。试验是在比最高工况值高 的情况下完成的。