干气密封基本原理及使用分析

压缩机干气密封基本原理及使用分析

一、引言

干气密封是一种新型的无接触轴封，由它来密封旋转机器中的气体或液体介质。与其它密封相比，干气密封具有泄漏量少，磨损小，寿命长，能耗低，操作简单可靠，维修量低，被密封的流体不受油污染等特点。因此，在压缩机应用领域，干气密封正逐渐替代浮环密封、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性已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，干气密封正逐步取代浮环密封、迷宫密封和油润滑密封。

本文针对德国博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，重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面的内容。

二、干气密封工作原理分析

干气密封的一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。

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相似，也由静环和动环组成，其中：静环由弹簧加载，并靠O型圈辅助密封。端面材料可采用碳化硅、氮化硅、硬质合金或石墨。

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，端面间必须有洁净的气体，以保证在两个端面之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面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面发生接触，因干气密封的摩擦热不能散失，端面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，几微米的密封间隙会使气体的泄漏率保持最小。

动环密封面分为两个功能区(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，这些槽压缩进来的气体。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，主要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，如启动和停车时，一套串联密封在低速或无压操作的情况下，旋转的动压槽必须在密封面之间产生一个合适的压力。此力靠特殊措施——三维的、弧形的槽来获得。

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。两种槽型的特性见表1。

表1V形槽和U形槽的特性

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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载荷有关。温度和压力极限由所用的辅助密封橡胶和端面材料决定。使用的端面材料对干气密封的工作起着决定性的作用。

端面材料对压缩机密封的操作影响很大。端面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

图2压缩机干气密封的形式

图3V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要为碳化硅，碳化硅与其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面材料的压力和温度分布的影响，从表3材料的物理特性分析碳化硅做端面材料的优势最大。

表3各种端面材料的物理特性

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面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100～125W/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。

密封面采用硬对硬组对，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硬对硬材料组对时，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。对于辅助密封最重要的特性是温度极限，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O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/min。

表4辅助密封材料

3．弹簧和其他结构件

弹簧和其他结构件通常用铬钢、不锈钢、Mo2Ti不锈钢、沉淀硬化不锈钢和哈氏C-4等。

四、基本结构与使用分析

1.单端面密封结构

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炬或排气口接口。在这种情况下主要的泄漏与分离气一起被输送到火炬或排气口。

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，介质必须被过滤后才能通过接口“A”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。作为油和气工业的标准结构，它是设计简单且仅需要一个相当简单的气体辅助系统。典型应用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—火炬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带中间迷宫的串联结构

(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，两个单级密封被前后放臵形成两级密封。介质侧密封(主密封)和大气侧密封(辅助密封)能够承受全部压力差。在一般的操作中，介质侧的密封承受了全部压差。介质侧密封和大气侧密封之间的泄漏可通过接口“C”引到火炬。大气侧密封所承受的压力与火炬压力相同，因此介质泄漏到大气侧和到排气口的量几乎为零。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大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。典型的应用是不允许介质泄漏到大气中，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“C”排到火炬。大气侧密封通过接口“B”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，使用双端面密封结构。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，主要用于石油化工行业和其他有害气体压缩机。

双端面密封是一种有效地防止介质气体逃逸到周围环境中的密封结构。它包括供给缓冲气体，如氮气，在两道密封之间通过接口“B”加一个比介质压力高的缓冲气体(一般缓冲气体的压力比介质压力高0.2MPa)。缓冲气体一部分泄漏到大气，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。所有间隙必须被计算来排除在操作压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有效的操作温度检查。

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用温度也要考虑密封间隙间的涡流和摩擦所产生的热。这些热与密封的速度、压力、气体和密封设计结构有关。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。