网络编辑求职招聘QQ群 http://www.trends-love.com/shangye/16284.html压缩机轴端密封形式介绍一、前言轴端密封件是压缩机的一个重要部件，应用于压缩机的有好几种类型。每一种类型由于不同的设计从而在性能、售价和维护费用上有其独特的优点和缺点，进而影响到整个压缩机系统有效运行时间及寿命，购买价格和运转费用。无论对用户或者制造商来说，昂贵或者复杂的轴端密封并不意味着最好的性能或者最大的经济效益。二、轴端密封的类型及其特性1、碳环（轴套）型/迷宫密封(1)工作原理最简单的轴端密封是轴套型，其结构是一个与旋转轴有间隙配合的轴套。最常用的轴套材料是碳聚合材料。但在有些特殊应用场合也用其他金属或者其他聚合材料。因为旋转轴与轴套间的间隙是唯一的泄漏通道，所以这种密封是通过限制这样的间隙来控制泄漏量的。由于碳聚合材料的强度不是太大，所以在实用中，碳环密封对其上下游之间压力差有一定的限制。与轴端密封同样简单的另一种密封是所谓的莱布尼兹密封或称迷宫密封。不同处在于迷宫密封有在圆周方向的轴向排列的齿和齿槽。这些齿可以在静止的密封环的内圆上（称静止环），也可以在旋转轴或紧配合在旋转轴上的轴套的外圆上（称旋转型）。一个个的齿将所需要密封处和泄漏处的压力差从高到低地分成一个个的串联的压力单元，从而达到减小泄漏量的目的。齿型密封的材料可以是铝、黄铜或其他聚合材料。值得一提的是旋转型迷宫密封的优点是可以用较软的易磨损材料做密封套，从而径向间隙可以很小。这样就可以大大降低泄漏量。例如在一些有很高回流控制要求的离心压缩机上，这样的密封设计就既简单、可靠又很有效。(2)适用场合一般密封压力应小于4×Pa(4bar)(3)特性1)泄漏量高。2)价格低。3)运行费用高(由于较高的缓冲气体用量)，除非迷宫密封的齿损坏或者碳环密封的碳环材料软化，缓冲气体的用量一般很稳定。4)失效模式渐进式。5)置换形式碳环或齿型密封。2、油隔离式机械平面密封(1)工作原理油隔离式机械平面密封被成功地应用于透平机械上已有很长的历史。其结构是由一个碳环和一个密封座组成。碳环和密封座各有一个光滑轴向平面相贴。这个碳环能够有限地径向浮动。进入密封装置的密封油的压力应略高于所需密封的气体压力。碳环的轴向平面在密封油压力的作用下紧贴密封座的光滑密封平面从而形成密封。大部分的密封油会与工作气体混合后流向工作气体一边的泄漏口，而小部分流向另一边的泄漏口。这些泄漏出来的密封油可以通过收集、气体分离处理后循环使用。密封油的泄漏量主要取决于密封的设计间隙。这种轴端密封理论上可以应用于任何常见压力密封。其泄漏量比碳环和齿型密封要小。其缺点是由于要提供给密封油和对油进行后处理，所以需要一个很大的密封油供油和处理系统。(2)适用场合可用于任何常见的密封压力。当用于较高的密封压力场合时，油的压力也必须相应提高，从而油泄漏量也会随之增加。如果能容许高的泄漏量，或者增加环的级数，密封压力也能相应提高。推荐用于没有使用分离气体的场合。(3)特性1)泄漏量3.79～1137dm3(1～3USgal/d)密封油。2)价格中等。3)运行费用取决于整个油系统的能量消耗。4)失效模式可以是渐进型也可以是突变型。5)置换形式整个密封。3、多级环形密封(1)工作原理多级环形密封在设计上类似于油隔离式机械密封。然而它有两个主要不同点区别于油式密封：第一是密封媒体不限于油，气体或蒸汽也可以；第二是由于多级环形密封具有多个串联的密封环，从而就像齿型密封一样把整段压差分解成从高到低的压力段。多级环形密封实际是目前先进的干气密封的前驱。(2)适用场合适用于小于1.05MPa的密封压力。(3)特性1)泄漏量低。2)价格中等。3)运行费用低。4)失效模式渐进(可预测)。5)置换形式密封环。4、干气密封(1)工作原理有据可查的干气密封的基本工作原理至少已有一个世纪的历史。类似于油隔离式机械密封，其结构是由一个旋转和一个静止的环所组成。两个环被称作干气密封的平面对。干气密封所用干净气体有三种功能：密封、润滑和冷却。其中旋转环的密封面上刻有气体动力槽，从而产生轴向推力。这个推力经过精确的计算足够克服来自于静止环背后的轴向弹簧力，但这个间隙又不会大得使大量的气体泄漏，从而在两个环的密封面之间产生间隙，以便设计的密封气体泄漏量通过。泄漏量取决于干气密封的尺寸大小，正常的干气密封泄漏量一般在3～30L/min。大的干气密封的泄漏量也随之而大。干气密封的优化设计需要考虑运行速度、温度、密封压差和密封内的冷却要求等因素。(2)适用场合在干气密封运行时的温度、压力和转速的综合作用下，任何进入干气密封的液体对干气密封的功能和工作寿命是非常有害的，所以必须避免。大多数制造商和API(美国石油学会)标准规定了进入干气密封的气体的最低温度，至少在该气体的露点温度以上的20℃，从而保证气体的干燥度。如前所述，在旋转环相对静止环的密封平面上刻有气体动力槽。当旋转环旋转时，由于气体的粘性和槽的阻挡作用在两个密封平面向产生轴向推力形成一个间隙，密封气体就是通过这个间隙而泄漏。为了控制这个间隙的大小,在静止环的背后装有几个轴向弹簧，而静止环虽然不能动但可以有限制的轴向浮动。当旋转环静止时，由于在两个平面间没有气体产生轴向推力，所以两个平面在弹簧力作用下紧紧贴在一起没有间隙。当旋转环转动时，由于气体动力槽产生的轴向推力就会推开静止环，而在两平面间产生气体膜，从而产生间隙。这个间隙的大小取决于气体轴向推力的大小。而由旋转产生的轴向推力取决于气体动力槽的几何形状和尺寸。一般都经过精确的计算和设计。干气密封的旋转环可以被想象成一个精细的离心叶轮。三、干气密封一般在实用中的几种组合设计1、串联式干气密封(1)工作原理实用中最常见的干气密封设计是串联式。串联式干气密封由主级和副级两个密封平面串联组成。基本的串联式干气密封在工作时，压力高于所要密封的气体压力的干净的工艺气体（也可能是冷却过的）进入主级密封平面对。在正常工况下，大部分密封气体流向压缩工作端（其流量通常由一个齿型密封控制），余下的大约10%～20%的密封气体通过主密封平面对之间的间隙流向泄漏口方向，同时带走一定的热量。这些流向泄漏口方向的气体99%通过两个密封平面对之间的通道流向主泄漏口。API要求对从主泄漏口流过的泄漏量进行监控从而监控干气密封的工作情况。值得注意的是由于压力和温度的不同，特别是一些多转子压缩机例如螺杆压缩机，每个干气密封可能有不同的泄漏量。余下的流向泄漏口方向的气体就会通过副级密封平面对流向压缩机的外工作端。在正常工况下，通过副级密封平面对的流量很小，以致于在工作时不可能监控，所以这个泄漏量是不监控的。另一种串联式干气密封是带有中间隔离装置的。这种设计在两个密封平面对之间加了一个额外的装置，这对压缩机周围环境的密封加强了保护。这种设计是我们公司几十年来的标准设计。这种串联式干气密封的主级密封部分相同于上面的基本设计型，只是主副密封级之间加了一级齿型密封。这种设计要求增加一个二级隔离气体进口。二级隔离气体通常是氮气或其他惰性气体。二级隔离气体进入密封的压力通常略高于大气压加上副泄漏通道的背压。二级隔离气体进入密封后分两路。其中至少一半通过齿型密封与主密封气体混合后进入主泄漏通道。从主泄漏通道流出的气体可以被收集后排放或者燃烧，这取决于设计的后处理手段。余下的二级隔离惰性气体通过副级密封平面对之间的间隙流向副泄漏通道而排出密封装置。这种设计保证了只有惰性气体才有可能被排放至大气。(2)适用场合任何密封压力，推荐用于压缩机的工作气体不允许有任何杂质混合的场合。(3)特性1)泄漏量低。2)价格：高。3)运行费用：低。4)失效模式：突变。5)置换模式：整个密封装置。2、双联背向型干气密封(1)工作原理这是另一种常见的干气密封设计。因为两个密封平面对形成镜对称的组装方式，这种设计被称为“背靠背"型。这种装置的隔离气体一般是氮气或其他惰性气体。隔离气体同时进入密封平面对。除非特殊设计，隔离气体一半进入压缩机工作端而另一半流向非工作端。当压缩机工作气体不能混杂隔离气体时，密封可被设计成让隔离气体偏流向非工作端密封平面对，但在工作端的密封平面对就需要另外的干净工作气体来进行隔离密封。这种密封在通常情况下只有一个泄漏口，而被认为是最佳的密封。(2)适用场合密封压力有一定的限制。当密封压力高于35MPa时，应与压缩机和干气密封制造进行商讨。推荐用于不允许任何压缩工作气体污染大气环境的场合。(3)特性1)泄漏量低。2)价格高。3)运行费用低。4)失效模式突变型。5)置换模式整个密封装置。(4)其他在轴端密封设计和选择中需考虑的因素最关键应该考虑的因素是要密封的气体类型和压力。例如。对于中等压力（低于70MPa）的有毒气体，双联背向型应该是优先的选择。而对于高压（大于MPa）的从气体的类型和浓度上来考虑非毒性气体，串联型干气密封也许是可接受的选择。对于低压（低于15MPa）的潮湿而不干净的应用场合，干气密封就不宜使用。油隔离型密封通常在潮湿而不干净的应用场合要优于干气密封系统。这里我们要强调的一点是没有一种轴端密封系统是万能的而适用于任何场合。除了工艺上的考虑，尺寸也是很重要的，密封的尺寸受到径向轴承尺寸的制约。当径向轴承根据负载情况和转子动力学要求选定后，径向轴承的尺寸就决定了主轴在密封处的容许尺寸。对于梁型压缩机来说，径向轴承必须后于密封安装而先于拆卸。所以密封的尺寸必须大于径向轴承。只有对于悬挂式压缩机来说，安装和拆卸顺序可能会相反，但是一般来说，密封的内径大于径向轴承处的轴径为3mm以上为宜，以便保护径向轴承处光滑的轴表面。因此，在很多场合，径向轴承的尺寸限制了密封的最小尺寸。而当径向轴承大于mm时，适用的干气密封可能很难在市场上找到。另一方面，对于很小的压缩机，例如在密封处的轴径可能只有25～80mm。虽然干气密封不难制造，但是，密封控制系统可能就显得非常的不经济。所以，轴端密封的选择还必须考虑其经济性。其他注意点有：密封装置所用材料与工艺气体的相容性；工艺气体对密封所用材料的腐蚀性；在高速压缩机上，密封气体的转子部分由于离心力产生的变形等。四、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。clip_image.gif(9.77KB)-6-:20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(μm)3～～8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*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。五、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 端面材料材料组对静环动环硬/软高硬度浸锑石墨Buko03碳化硅Buka25硬/硬碳化硅表面喷涂金刚砂Buka碳化硅表面喷涂金刚砂Bukaclip_image.gif(3.11KB)-6-:20图3 V形槽
U形槽b25cdbff.gif(4.75KB)-6-:20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浸Sb石墨WC(Ni)SiC烧结Si3N4韧性材料密度(kg/dm3)2～2..53.13.～9E-模量(GPa)20～00～导热系数(W/m*K)7～～～25热膨胀系数(10-6/K)4～54..10～20碳化硅的弹性模量(GPa)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～W/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-likecarbon。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O型圈材质博格曼代码DIN代码温度极限℃硬度(Sh)应用氢化晴胶HNBRX4*-40～+(-54～+)75乙烯氟胶VV-20～+
90空气、CO2、N2、氦和天然气FluorazV9V9*-10～+()75含H2S的气体全氟橡胶KK～+()65～90高腐蚀和高温注：*——博格曼代码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。六、基本结构与使用分析1.单端面密封结构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。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。cebbaecca6b06.jpg(12.46KB)ddm-6-:.串联密封结构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。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。bef82dafe07.jpg(14.8KB)cl-6-:.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。d49fcf7fdf07.jpg(13.95KB)cl2-6-:.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。c0ebdf3e.jpg(14.87KB)sdm-6-:01*由于氢气泄露危害性较大（爆炸限的范围很宽），为了避免泄露因此一般采用串联结构，本人建议采用带中间迷宫（带缓冲气）的结构七、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m/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～mm
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℃～+℃(橡胶辅助密封)
-55℃～+℃(非橡胶辅助密封)
滑动速度：动环外径的最大速度Vg为m/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～
标准为±1.0mmDN～
标准为±2.0mmDN～
标准为±3.0mm
特殊形式为：最大±4.0mm
径向：
DN46～
标准为±0.6mm八、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EN04/3.1B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.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。干气密封制造商介绍：干气密封的制造商不是很多，著名的几家有：进口制造商：约翰克兰：
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