机械密封与干气密封技术简介

机械密封与干气密封技术简介

什么是机械密封

机械密封是一种用来解决旋转轴与机体之间密封的装置，主要依靠弹性元件对动、静环端面密封副的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧而实现密封的，又叫做端面机械密封或端面密封。

机械密封原理

机械密封依靠弹性元件提供弹力，克服补偿环辅助密封圈与轴之间的摩擦力，使补偿环紧密地贴合在非补偿环的端面，形成密封面初始闭合力，当主机充满压力介质并开始工作时，可使密封端面产生闭合力，从而使密封面达到合理的比压，实现流体的密封。

组成

1、机械密封一般由四大部分组成：

1）由静止环和旋转环组成的一对密封端面，该密封端面有时也称为摩擦副，是机械密封的核心；

2）以弹性元件（或磁性元件）为主的补偿缓冲机构；

3）辅助密封机构；

4）使动环和轴一起旋转的传动机构。

2、机械密封的结构多种多样，最常见的机构如上图所示。机械密封安装在旋转轴上，密封腔内有1、紧定螺钉 2、弹簧座 3、弹簧 4、动环辅助密封圈 5、动环 它们随轴一起旋转。机械密封的其他零件、包括6、静环7、静环辅助密封圈和8、防转销安装在锅盖内，端盖和密封腔体用螺栓连接。

轴通过紧定螺钉、弹簧座、弹簧带动动环旋转，而静环由于防转动销的作用而静止于端盖内。动换在弹簧力和介质的作用下，与静环的端面紧密结合，并发生相对滑动，阻止了介质沿端面间的径向泄露（泄漏点1），构成了机械密封的主密封。

摩擦副磨损后在弹簧和密封流体压力的推动下实现补偿，始终保持两密封端面的紧密接触。动、静磨损后在弹簧和密封流体压力的推动下实现补偿，始终保持两密封端面的紧密接触。动、静环中具有轴向补偿能力的称为补偿环，不具有补偿能力的称为非补偿环。

图中动环为补偿环静环为非补偿环。动环辅助密封圈阻止了介质可能沿动环与轴向间隙的泄露（泄露点2）；而静环辅助密封圈阻止了介质可能与端盖之间的间隙泄露（泄露点3）。工作时，辅助密封圈无明显相对运动，基本上属于静密封。端盖与密封腔体链接处的泄露点4为静密封，常用O型圈或垫片来密封。

5、机械密封与其他形式的密封相比，具有以下特点。

1）密封性好。

2）使用寿命长。

3）运转中不用调整。

4）功率损耗小。

5）轴或轴套表面不易磨损。

6）耐振性强。

7）密封参数高，适用范围广。

8）结构复杂、拆装不变。

干气密封技术简介

定义：

干气密封一般指依靠几微米的气体薄膜润滑的机械密封，也称为气膜密封或气体密封。随着现代工业的迅速发展，干气密封被广泛地用于离心式压缩机、膨胀机、蒸汽透平以及高速和高压的流体机械中，其中应用最广泛的是螺旋槽干气密封。

工作原理

干气密封和传统上的液相用机械密封类似，只不过干气密封的两端面被一定的薄气膜分隔开，成为非接触状态。由于气体的粘度很小，需要依靠强有力的流体动压效应来产生分离端面的流体压力，同时使气膜具有足够的刚度以及抵抗外界载荷的波动，保持端面的非接触。

一般来讲，典型的干气密封结构包含有静环、动环组件（旋转环）、副密封O形圈、静密封、弹簧和弹簧座（腔体）等零部件。静环位于不锈钢弹簧座内，用副密封O形圈密封。弹簧在密封无负荷状态下使静环与固定在转子上的动环组件配合，如图上所示。

在动环组件和静环配合表面处的气体径向密封有其先进独特的方法。配合表面平面度和光洁度很高，动环组件配合表面上有一系列的螺旋槽，如图2所示。

图2

随着转子转动，气体被向内泵送到螺旋槽的根部，根部以外的一段无槽区称为密封坝。密封坝对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。该密封坝的内侧还有一系列的反向螺旋槽，这些反向螺旋槽起着反向泵送、改善配合表面压力分布的作用，从而加大开启静环与动环组件间气隙的能力。反向螺旋槽的内侧还有一段密封坝，对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。配合表面间的压力使静环表面与动环组件脱离，保持一个很小的间隙，一般为3微米左右。当由气体压力和弹簧力产生的闭合压力与气体膜的开启压力相等时，便建立了稳定的平衡间隙。

在动力平衡条件下，作用在密封上的力如图3所示。

图 3

闭合力Fc，是气体压力和弹簧力的总和。开启力Fo是由端面间的压力分布对端面面积积分而形成的。在平衡条件下Fc=Fo，运行间隙大约为3微米

如果由于某种干扰使密封间隙减小，则端面间的压力就会升高，这时，开启力Fo大于闭合力Fc，端面间隙自动加大，直至平衡为止。如图4所示。

图4

类似的，如果扰动使密封间隙增大，端面间的压力就会降低，闭合力Fc大于开启力Fo，端面间隙自动减小，密封会很快达到新的平衡状态，见图5。

图5

这种机制将在静环和动环组件之间产生一层稳定性相当高的气体薄膜，使得在一般的动力运行条件下端面能保持分离、不接触、不易磨损，延长了使用寿命。

通过以上结构的不同组合并配合辅助的密封可演化出用于实际工况的几种结构：

干气密封型式

单端面干气密封

它适用于少量工艺气泄漏到大气中无危害的工况，见图6

图6

串联式干气密封

它适用于允许少量工艺气泄漏到大气的工况，见图7。

图7

一套串联式干气密封可看作是两套或更多套干气密封按照相同的方向首尾相连而构成的。与单端面结构相同，密封所用气体为工艺气本身。通常情况下采用两级结构，第一级（主密封）密封承担全部或大部分负荷，而另外一级作为备用密封不承受或承受小部分压力降，通过主密封泄漏出的工艺气体被引入火炬燃烧。剩余极少量的未被燃烧的工艺气通过二级密封漏出，引入安全地带排放。当主密封失效时，第二级密封可以起到辅助安全密封的作用，可保证工艺介质不大量向大气泄漏。

带中间进气的串联式干气密封

它适用于既不允许工艺气泄漏到大气中，又不允许阻封气进入机内的工况，见图8。

图8

如果遇不允许工艺介质泄漏到大气中，且也不允许阻封气泄漏到工艺介质中的工况，此时串联结构的两级密封间可加迷宫密封。用于易燃、易爆、危险性大的介质气体，可以做到完全无外漏。如H2压缩机、H2S含量较高的天然气压缩机、乙烯、丙烯压缩机等。

该结构所用主密封气除用工艺气本身以外，还需另引一路氮气作为第二级密封的使用气体。通过一级密封泄漏出的工艺气体被氮气全部引入火炬燃烧。而通过二级密封漏入大气的全部为氮气。当主密封失效时，第二级密封同样起到辅助安全密封的作用。

双端面干气密封

它适用于不允许工艺气泄漏到大气中，但允许阻封气（例如氮气）进入机内的工况，见图9。

图9

双端面密封相当于面对面布置的两套单端面密封，有时两个密封分别使用两个动环。它适用于没有火炬条件，允许少量阻封气进入工艺介质中的情况。在两组密封之间通入氮气作阻塞气体而成为一个性能可靠的阻塞密封系统，控制氮气的压力使其始终维持在比工艺气体压力高0.2~0.3MPa的水平，这样密封气泄漏的方向总是朝着工艺气和大气，从而保证了工艺气不会向大气泄漏。

干气密封安装前后流程及所需准备工作

1、 压缩机试车。

2、 拆除驱动端转子支撑轴承和试车铝气封。保留非驱动端推力瓦和推力轴承，转子找到中心位置。以便精确测量干气密封调整垫厚度。

3、 拆除非驱动端推力轴承及推力盘，转子支撑轴承和试车铝气封。

4、 吹扫压缩机密封腔，时间为6个小时以上。

5、 准备无水乙醇或丙酮、两三块绸布及两三块棉布。准备一块百分表、一根铜棒。

6、 安装干气密封。

7、 向压缩机内冲压，使压缩机内保持3公斤以上压力，为干气密封做静压试验。保证密封安装合格。

8、 氮气试车运行，调整系统盘战中各块仪表数值。

9、 投料正式生产，根据原料气组分再调节一遍系统中各个仪表参数。

来源：黑夜里的眼睛19