淺談干氣密封的發(fā)展

林智

摘 要：文章系統(tǒng)介紹了干氣密封的工作原理、密封結(jié)構(gòu)及其分類，并與傳統(tǒng)機(jī)械密封進(jìn)行比較，闡述其優(yōu)點(diǎn)。從螺旋槽干氣密封的參數(shù)設(shè)計(jì)以及氣體端面熱效應(yīng)這兩個方面闡述了干氣密封的研究現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)干氣密封技術(shù)存在的問題，最后指出干氣密封技術(shù)的發(fā)展趨勢及進(jìn)一步研究的方向。

關(guān)鍵詞：干氣密封;密封結(jié)構(gòu);參數(shù)設(shè)計(jì);研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

中圖分類號：TB42? ??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

干氣密封全稱干式氣體潤滑機(jī)械密封，是一種新型的非接觸旋轉(zhuǎn)軸密封。這種密封采用氣體作為密封介質(zhì)，應(yīng)用氣體潤滑技術(shù)，使兩端密封表面被一層極薄的氣膜分隔開，避免了密封端面間的接觸磨損，使得構(gòu)件具有軸承的承載能力和機(jī)械密封的密封性能。可以說，干氣密封是氣體動壓軸承和機(jī)械端面密封相結(jié)合的產(chǎn)物。

由于密封非接觸運(yùn)行，密封摩擦副材料基本不受PV值的限制，特別適合作為高速、高壓設(shè)備的軸封，解決了許多機(jī)械密封不能干運(yùn)轉(zhuǎn)的難題，而且相比傳統(tǒng)的接觸式機(jī)械密封，這類密封還具有無磨損、能耗低、維修少、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

一、干氣密封工作原理

干氣密封旋轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)時，密封氣體被吸入動壓槽內(nèi)，由外徑朝向中心，徑向分量朝著密封堰流動。由于密封堰的節(jié)流作用，進(jìn)入密封面的氣體被壓縮，氣體壓力升高。在該壓力作用下，密封面被推開，流動的氣體在兩個密封面間形成一層很薄的氣膜，此氣膜厚度一般在3微米左右。當(dāng)閉合力（氣體靜壓力+彈簧力）等于氣膜反力（流體動壓力）時，該氣膜厚度十分穩(wěn)定。由于氣體膜的形成，動靜環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)時，端面不會直接接觸，大大改善了密封端面的工作條件，使密封能長周期、安全運(yùn)行。干氣密封處于靜止?fàn)顟B(tài)時，沒有流體動壓效應(yīng)，靠密封壩與密封堰的緊密貼合起到密封作用。

二、干氣密封結(jié)構(gòu)

1.基本結(jié)構(gòu)

利用流體動力學(xué)原理，通過在密封端面上開設(shè)動壓槽（可以開在動環(huán)端面、也可以開在靜環(huán)端面）而實(shí)現(xiàn)密封端面的非接觸運(yùn)行。

基本結(jié)構(gòu)與普通接觸式機(jī)械密封基本相同，典型的干氣密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，由旋轉(zhuǎn)環(huán)、靜環(huán)、彈簧、密封圈以及彈簧座和軸套組成。圖2所示為干氣密封旋轉(zhuǎn)環(huán)示意圖，旋轉(zhuǎn)環(huán)密封面經(jīng)過研磨、拋光處理，并在其上面加工出有特殊作用的流體動壓槽。

干氣密封與傳統(tǒng)接觸式機(jī)械密封相同與不同之處：

相同之處：干氣密封基本結(jié)構(gòu)與機(jī)械密封一樣。干氣密封工作與普通的液相泵用機(jī)械密封類似，主要由動環(huán)（隨軸旋轉(zhuǎn)）、靜環(huán)（固定在機(jī)殼上，不隨軸旋轉(zhuǎn)）、彈簧元件、動靜環(huán)輔助密封圈、其他結(jié)構(gòu)元件組成。

不同之處：

①密封氣為氣體：密封的工作介質(zhì)為干凈的氣體（用高精度過濾器<1μm過濾），密封的氣體通常采用惰性氮?dú)?。②密封端面開有動壓槽：干氣密封的動或靜環(huán)中有一個端面上開有流體動壓槽。③正常運(yùn)行時端面不貼合;靜止?fàn)顟B(tài)密封端面緊密貼合，運(yùn)行狀態(tài)密封端面不接觸。④干氣密封在處于靜止?fàn)顟B(tài)時，保持密封面的密封壩與密封堰緊密貼合。⑤干氣密封處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，動環(huán)隨軸旋轉(zhuǎn)，由于其中一個密封環(huán)端面開有流體動壓槽，在流體動壓效應(yīng)的作用下，動、靜環(huán)密封面的被一層薄氣膜（約3μm厚的氣膜）分開，密封端面處于非接觸狀態(tài)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無磨損運(yùn)轉(zhuǎn)。⑥彈簧比壓比機(jī)械密封?。簽榱吮ＷC密封端面運(yùn)轉(zhuǎn)時打開，補(bǔ)償環(huán)密封圈的摩擦阻力不能大，彈簧比壓設(shè)計(jì)也比普通機(jī)械密封的小。⑦補(bǔ)償環(huán)密封圈的摩擦阻力不能忽略。⑧密封端面的流體動壓效應(yīng)與槽形有關(guān)。⑨需要一個密封氣控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)是干氣密封不可缺少的重要組成部分。

2.雙端面干氣密封

雙端面干氣密封的主要特點(diǎn)（與雙端面普通機(jī)械密封比較）：

①環(huán)保型密封、實(shí)現(xiàn)介質(zhì)對大氣的“零泄漏”。用帶壓密封氣替代帶壓密封液;保證工藝介質(zhì)不向大氣泄漏。②功率消耗小。整套密封非接觸運(yùn)行，其功率消耗僅為傳統(tǒng)雙端面密封的5%。③使用壽命長。干氣密封使用壽命長達(dá)3～5年，普通機(jī)械密封一般1年。④傳統(tǒng)雙端面機(jī)械密封必須采用復(fù)雜的油系統(tǒng)。⑤密封氣（氮?dú)饣騼x表風(fēng)）無毒，對大氣無污染。⑥共用動環(huán)雙端面干氣密封軸向尺寸緊湊，特別適合密封腔長度較短的離心泵。⑦要求密封氣源必須可靠，氣源壓力必須高于介質(zhì)0.15～0.2MPa.;一旦低于介質(zhì)壓力，密封有被損壞的危險(xiǎn)。⑧密封氣必須經(jīng)過過濾器，保證密封氣干凈（固體雜質(zhì)顆粒<1微米）。⑨為防止泵切換時的抽空，也可加泵腔排氣系統(tǒng)。

3.串聯(lián)式干氣密封

串聯(lián)式干氣密封主要特點(diǎn)：

①干氣密封與接觸式機(jī)械密封串聯(lián)使用，機(jī)械密封為主密封，干氣密封為次密封。②干氣密封與主密封（接觸式機(jī)械密封）間通入氮?dú)猓ＷC主密封具有一定背壓（但小于介質(zhì)壓力）。③主密封泄漏的易揮發(fā)工藝介質(zhì)隨密封氣排入火炬，不易揮發(fā)介質(zhì)排入泄漏收集罐定點(diǎn)排放，保證工藝介質(zhì)不向大氣泄漏，是一種環(huán)保型密封。④主密封失效后，干氣密封短時間內(nèi)可以起到主密封作用，防止工藝介質(zhì)向大氣大量泄漏。⑤密封使用壽命取決于機(jī)械密封的使用壽命，一般在2～3年左右。⑥密封氣偶爾中斷也不會對密封產(chǎn)生太大影響。

三、干氣密封的分類

1.根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向分類

（1）單向旋轉(zhuǎn)。單向旋轉(zhuǎn)密封構(gòu)件屬于非對稱結(jié)構(gòu)，使其不能夠進(jìn)行雙向旋轉(zhuǎn)。它在單向旋轉(zhuǎn)過程中，能夠產(chǎn)生較好的動壓效應(yīng)和密封效果，但是一旦構(gòu)件發(fā)生反向旋轉(zhuǎn)，端面無法打開，就會使得整個密封系統(tǒng)會受到破壞，導(dǎo)致密封的失敗。單向旋轉(zhuǎn)密封有螺旋槽、人字形槽等，其中，最為典型的是螺旋槽干氣密封。

（2）雙向旋轉(zhuǎn)。雙向旋轉(zhuǎn)式干氣密封屬于對稱結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)特點(diǎn)使得其可以雙向旋轉(zhuǎn)，不受方向的限制，所以，它相對于單向旋轉(zhuǎn)密封安裝簡便很多，節(jié)省人力資源。目前，研究成果最為成熟的是以下三種：T型槽干氣密封、U型槽干氣密封、樅樹型干氣密封，這三類均具有較好的動壓效應(yīng)和密封效果。

2.根據(jù)動壓槽的深度分類

（1）深度是微米級別數(shù)量級的，如矩形槽、螺旋槽、弧形槽等。這類槽型是由兩個密封端面之間流體的動壓效應(yīng)產(chǎn)生平衡閉合力，能夠產(chǎn)生較大的開啟力。

（2）深度為毫米級別數(shù)量級的。這種槽型深度比較大，因此密封介質(zhì)一般為液體。密封環(huán)的開啟主要依靠靜壓效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。

四、干氣密封的研究進(jìn)展

隨著干氣密封技術(shù)的成熟和其產(chǎn)品的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)以及各高校也相繼對干氣密封進(jìn)行了研究，這對干氣密封技術(shù)的應(yīng)用具有十分重要的指導(dǎo)意義。筆者通過閱讀大量的文獻(xiàn)，從螺旋槽干氣密封的參數(shù)設(shè)計(jì)以及氣體端面熱效應(yīng)這兩個方面對干氣密封近年來的研究熱點(diǎn)和成果進(jìn)行了總結(jié)和綜述。

1.螺旋槽干氣密封的參數(shù)設(shè)計(jì)

影響干氣密封性能的主要因素有：密封端面開槽的形狀、槽形的幾何參數(shù)以及其操作參數(shù)。目前最為常用的端面槽形是螺旋線形，國外的研究者Josef Sedy也證明了螺旋槽是最適合于干氣密封的槽形。然而，早年在工程實(shí)踐中，有些螺旋槽干氣密封并沒發(fā)揮出它的最大作用，其原因主要是槽形的幾何參數(shù)選擇不恰當(dāng)，沒有實(shí)現(xiàn)槽形幾何參數(shù)的最佳配合。為此，國內(nèi)眾多學(xué)者投入研究。

陳建平通過采用坐標(biāo)變換的方法對圓柱形氣體螺旋槽密封的控制方程進(jìn)行一系列復(fù)雜的計(jì)算，分析及得出密封性能的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如螺旋角α、槽數(shù)n等對密封壓力的影響規(guī)律，并通過大量實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證，得出了螺旋槽機(jī)械密封的主要設(shè)計(jì)參數(shù)選取范圍。林培峰等基于可壓縮氣體雷諾方程，采用伽遼金法對螺旋槽干氣密封進(jìn)行了有限元分析，得到了在VisualC++6.0平臺上的干氣密封有限元計(jì)算軟件，并驗(yàn)證其正確性。南小妮等采用了Fluent等多個軟件對螺旋槽氣體密封的三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬及分析研究，得出的數(shù)值結(jié)果與理論解析結(jié)果基本吻合。蔣小文等采用有限元法對螺旋槽干氣密封端面間氣體的流動過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了螺旋槽端面間氣膜的壓力分布規(guī)律，并對主要的密封性能參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，分析得出了這些參數(shù)對密封性能的影響規(guī)律。丁雪興等運(yùn)用PH線性化方法、迭代法求解得出了氣體動壓和速度分布的解析解，繼而利用多目標(biāo)優(yōu)化方法求解并獲得了最佳的螺旋槽幾何參數(shù)值。李鳳芹等通過對螺旋槽干氣密封氣體穩(wěn)態(tài)流動進(jìn)行一系列的數(shù)值模擬及分析，得出了氣膜壓力的分布規(guī)律以及對密封的影響。宋鵬云等對《螺旋槽非接觸端面密封基本原理》一文中的端面氣膜壓力的控制方程進(jìn)行了驗(yàn)證，并指出方程存在的錯誤并進(jìn)行了修正。宋鵬云等采用氫氣的實(shí)際氣體方程對螺旋槽窄槽理論的氣膜壓力控制方程進(jìn)行修正及求解，得出實(shí)際氣體行為對密封的泄漏率有較大的影響，而對端面氣膜壓力和端面開啟力影響不大。彭旭東等基于氣體潤滑理論，在中壓和低壓條件下，對螺旋槽干氣密封的動壓開啟力增長率、氣膜剛度和剛漏比等密封特性參數(shù)進(jìn)行分析，獲得了螺旋槽干氣密封在中低速旋轉(zhuǎn)情況下的優(yōu)選值范圍。陸俊杰等通過軟件的分析模擬及實(shí)驗(yàn)的方法，得出了在高壓高速旋轉(zhuǎn)的情況下螺旋槽干氣密封在非接觸狀態(tài)下，以根部大壓降引起的熱耗散所產(chǎn)生的溫升為主以及接觸狀態(tài)下，以固體壁面間摩擦產(chǎn)熱為主的溫度分布規(guī)律。

2.氣體端面熱效應(yīng)

影響密封端面溫度分布的主要因素有：主軸的轉(zhuǎn)速、介質(zhì)的粘度、密封腔的壓力以及密封環(huán)的材料等。近年來，國內(nèi)學(xué)者的研究焦點(diǎn)在于解決氣膜溫度變化對密封性能影響，以至于可以解決熱變形導(dǎo)致的密封端面磨損失效問題，實(shí)現(xiàn)氣體端面密封的可持續(xù)可控運(yùn)轉(zhuǎn)。

李娜等采用有限元分析法以及進(jìn)行大量研究和模擬實(shí)驗(yàn)，建立了穩(wěn)態(tài)T型槽干氣密封的動、靜環(huán)溫度場的模型，獲得了溫度分布規(guī)律及熱變形規(guī)律，并得出熱變形的主要因素，最后提出干氣密封環(huán)的優(yōu)化方案。朱維兵等通過熱平衡分析和模型簡化建立了固體導(dǎo)熱微分方程，并應(yīng)用ANSYS軟件建立靜壓干氣密封動、靜環(huán)溫度場有限元分析模型，獲得了動、靜環(huán)的溫度分布規(guī)律。李娜等通過對干氣密封副的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，建立了密封副的物理模型和熱平衡時的數(shù)學(xué)模型，繼而運(yùn)用數(shù)值方法在ANSYS分析軟件的基礎(chǔ)上對動環(huán)進(jìn)行了熱分析，得到了動環(huán)穩(wěn)態(tài)溫度分布以及動環(huán)穩(wěn)態(tài)溫度梯度分布。秦小嶼等通過運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS，分析獲得了T型槽干氣密封工況參數(shù)、材料參數(shù)、幾何參數(shù)等對密封環(huán)熱變形的影響。丁雪興等通過推導(dǎo)求解在高壓、高速旋轉(zhuǎn)、速度滑移的情況下的氣膜能量微分方程，繼而運(yùn)用Matlab軟件模擬計(jì)算得到氣膜的溫度分布。王延忠等通過使用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行干氣密封端面熱力變形的正交仿真模擬，確定密封環(huán)的端面優(yōu)選結(jié)構(gòu)參數(shù)，并獲得密封動環(huán)的熱變形及動環(huán)材料屬性對密封特性的影響。

五、目前存在的問題

1.基礎(chǔ)研究工作薄弱

國內(nèi)在干氣密封的理論研究方面尚較薄弱，投入的資源也較缺乏。僅在一些大學(xué)（如中國石油大學(xué)、北京化工大學(xué)、華東理工大學(xué)、蘭州理工大學(xué)等）和少數(shù)研究所（合肥通用機(jī)械研究所等）開展了研究課題，進(jìn)行專題研究。而國外密封產(chǎn)品制造企業(yè)則是有專項(xiàng)資金撥出、設(shè)立專項(xiàng)研究所或以與大學(xué)長年合作的方式，開展專題研究工作。另外，我國相關(guān)技術(shù)研究人員與國外的交流少，參加國際密封的學(xué)術(shù)會議人員少、高水平論文少、申報(bào)專利數(shù)量少，以及缺乏超前開發(fā)意識。

2.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)陳舊、加工水平落后、缺乏創(chuàng)新改造

我國許多密封結(jié)構(gòu)仍在沿用國外20世紀(jì)50年代的結(jié)構(gòu)，在很多方面都不能達(dá)到需求，應(yīng)在這方面加快發(fā)展，多給予研究。目前，生產(chǎn)條件和加工工藝水平的落后是制約我國密封產(chǎn)品發(fā)展的“瓶頸”。溝槽的加工是制造密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，雖然激光加工技術(shù)已被大多數(shù)研究人員認(rèn)可，但如何降低其加工成本以及如何形成通用的高精度自動加工系統(tǒng)是急需解決的問題。

3.高參數(shù)密封可靠性較差

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在煉油企業(yè)中（多為高溫或高壓密封），導(dǎo)致葉片泵非計(jì)劃維修的主要原因是密封設(shè)備的失效。在化工企業(yè)，密封設(shè)備的平均裝機(jī)壽命大約也只有5.5個月;而在連續(xù)生產(chǎn)的裝置上，一般都要求密封設(shè)備能保證1年以上的壽命。但實(shí)際只有不到20%的產(chǎn)品可以滿足這一要求，顯然這類密封產(chǎn)品的可靠性問題應(yīng)引起高度重視。

4.密封用材性能較差

隨著對外商務(wù)接觸及技術(shù)交流，國內(nèi)不少企業(yè)直接或間接將產(chǎn)品送到國外的一些密封公司進(jìn)行材料檢測，包括硬質(zhì)合金、石墨、碳化硅、氧化鋁、錐形密封用熱壓鑄鋼等。從檢測報(bào)告看，普遍存在性能不穩(wěn)定，與國外差距大，品種規(guī)格少，對高參數(shù)工況或介質(zhì)具有強(qiáng)腐蝕性、含有磨料顆粒等情況，傳統(tǒng)材料不能完全滿足要求。

六、發(fā)展趨勢

二十世紀(jì)八九十年代，干氣密封的理論研究主要是以提高密封本身的穩(wěn)定性和降低泄漏量為主要目的。綜合目前其他密封型式、氣體軸承以及摩擦、磨損和潤滑方面的研究現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為以下幾個方面將代表今后干氣密封技術(shù)的主要研究方向。

1.理論研究

對系統(tǒng)非線性動力學(xué)行為進(jìn)行研究，內(nèi)容涉及系統(tǒng)軸向、角向及其耦合非線性振動分析和穩(wěn)定性控制，尋求提高抗振、穩(wěn)定性好且泄漏量小的密封結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)值最佳范圍，實(shí)現(xiàn)控制失穩(wěn)、分岔和混沌運(yùn)動的設(shè)想，為干氣密封優(yōu)化設(shè)計(jì)、穩(wěn)定控制及故障診斷提供理論基礎(chǔ)。

2.密封設(shè)計(jì)

干氣密封的設(shè)計(jì)通常是根據(jù)給定工況與要求，參照國內(nèi)外同類或者類似產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)型式初步選取參數(shù)，然后進(jìn)行工作性能的計(jì)算，如果滿足要求則設(shè)計(jì)完成，不滿足則改進(jìn)參數(shù)甚至型式，直到滿足要求為止。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，密封設(shè)計(jì)將由傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法發(fā)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)用專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)。運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)和專家系統(tǒng)可有效地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、水平和周期。

3.結(jié)構(gòu)型式

開發(fā)具有密封補(bǔ)償能力、高性能、穩(wěn)定性高的新型結(jié)構(gòu)，如波紋管式螺旋槽干氣密封，這是近幾年來國外氣體密封技術(shù)發(fā)展的一個熱點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)的氣體密封能夠適用于多種使用條件，并且泄漏量可控制在非常低的水平。

4.開槽技術(shù)

干氣密封產(chǎn)品制造的關(guān)鍵是密封端面上溝槽的加工。由于密封面上動壓槽非常淺，而且對槽深精度要求高，一般的機(jī)械加工是無法實(shí)現(xiàn)的。因此提高干氣密封性能、降低產(chǎn)品價格的關(guān)鍵是研究開發(fā)低成本、高精度的開槽技術(shù)和加工工藝。目前，隨著激光技術(shù)應(yīng)用的成熟和成本降低，高質(zhì)量的密封槽將越來越多地采用激光加工。這是因?yàn)榧す饧庸げ坏鼙ＷC各動壓槽深度一致，而且能夠加工任何形狀的動壓槽，而且利用計(jì)算機(jī)控制能保證很高的槽形加工精度。

5.試驗(yàn)研究

先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和虛擬儀器的引入，測試非線性振動量等，將會促進(jìn)人們加深對螺旋槽干氣密封理論及設(shè)計(jì)的認(rèn)識。

參考文獻(xiàn)：

[1]張劍慈.干氣密封的特性及其應(yīng)用[J].浙江化工，2004（11）：28-29.

[2]楊富來.干氣密封技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2004（3）：63-66.

[3]丁雪興，劉 勇，張偉政，等.螺旋槽干氣密封微尺度氣膜的溫度場計(jì)算[J].化工學(xué)報(bào)，2014（4）：1353-1358.