压缩机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
【关键词】透平式压缩机, 干气密封, 结构, 应用
【论文摘要】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，重点论述了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。
Basic Principle And Use Analysis For Dry Gas Seal Of Compressor
Abstract: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,structural 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，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。
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。
图1 压缩机干气密封示意图
表
*注意：DGS 在低于那些被采用的值以下操作仍能被保证，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
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。
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，两个单封被前后放置形成两级密封。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。
3. 端面速度
端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。
最大滑动速度数值根据用来计算的直径不同，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大滑动速度可以达到200m/s。
4. 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
此直径指的是动环的内径(小于或大于此范围的公称直径也是可以的) 。 压力
2～10MPa(绝)(橡胶辅助密封)
＞10～25MPa(绝)(非橡胶辅助密封)
最大压力差与材料和公称直径有关。
温度
-20℃～+200℃(橡胶辅助密封)
-55℃～+250℃(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有关。
允许的轴位移
轴向：DN46～118 标准为±1.0mm
DN130～220 标准为±2.0mm
DN230～250 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。这确保了密封及相应的缓冲气系统产品的质量恒定和操作的可靠性。
1. 标准检查计划
干气密封和缓冲气系统的标准试验和检查属于标准检查计划。附加材料和组件试验也可以要求。
标准检查计划的要点为：
. 对于关键性零件符合EN 10204/3.1B标准的材料证明
. 动环的速度试验(旋转试验)
. 动环的表面破裂试验
. 静压和动压功能试验
. 平衡符合平衡等级G2.5(标准) 或G1.0。
2. 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采用失效概率因子作为加载功能。
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。空气被用作试验介质。
4. 使用寿命
无论是否特殊，压缩机密封的设计和材料选择经过计算来确保在连续操作的情况下密封的寿命至少为50000小时。在橡胶易老化的流程中它是可行的。 使用60个月后建议进行下面的维护：
更换所有的橡胶件；
更换弹簧；
更换所有的动环和静环；
在试验台上进行静压和动压试验。
不管储存环境是否是理想的，如果密封被储存60个月或更长，橡胶件将必须被更换且在安装和操作前进行静压试验。事实上，建议储存24个月时就采取上述措施。