上游泵送干氣密封設(shè)計

王玉鵬 楊正寬

摘 要：干氣密封是非接觸式機械密封，其原理是在一組摩擦副的動環(huán)上，刻有一定形式的淺槽，在摩擦副相對轉(zhuǎn)動后，淺槽產(chǎn)生動壓效應(yīng)，將摩擦面推開，達(dá)到非接觸的效果。常規(guī)的干氣密封，在動環(huán)上刻有動壓槽，隨著轉(zhuǎn)動，介質(zhì)被向內(nèi)泵送到動壓槽的根部，向圓內(nèi)側(cè)泵送，當(dāng)由氣體壓力和彈簧力產(chǎn)生的閉合壓力與氣膜的開啟壓力相等時，便建立了穩(wěn)定的平衡間隙，即利用螺旋泵效下游泵送，使介質(zhì)通過摩擦副而產(chǎn)生氣膜，達(dá)到非接觸密封的目的，介質(zhì)側(cè)的高壓介質(zhì)會通過動靜環(huán)之間的間隙，漏向大氣側(cè)一小部分，并且動壓槽槽型方向也是將高壓側(cè)的介質(zhì)推向大氣側(cè)，此過程中，介質(zhì)氣會泄漏排出一部分，泄漏后的介質(zhì)氣基本都做燒掉處理，雖說浪費的介質(zhì)不多，但長時間運行，消耗量也是很大。本篇文章介紹的上游泵送干氣密封將徹底解決傳統(tǒng)干氣密封浪費介質(zhì)氣的問題。

關(guān)鍵詞：上游泵送；干氣密封；介質(zhì)氣；消耗。

Wang Yupeng Yang Zhengkuan

（Dalian JiuTech Seals Co.，Ltd. ， Dalian Liaoning 116039， China）

（Dalian Tiansheng General Machinery Co.，Ltd. Dalian Liaoning 116025， China）

Abstract：Dry gas seal is a kind of non-contact mechanical seal， there are shallow grooves on the face of the rotary ring which will cause hydrodynamic effect when seal faces start rotating， the hydrodynamic effect push the seal faces away from each other and keep non-contacting. For conventional dry gas seal， the medium will be pumped to the bottom of the hydrodynamic grooves when rotating， a stable balancing film will be established when the closed pressure produced by the gas pressure and the spring force is equal to the opening pressure of the gas film， it use the downstream pumping effect cause by the spiral pump to push the medium pass the seal faces and generate gas film to keep the seal face non-contacting. A small part of the high pressure medium will leak to the atmospheric side through the gas film and its hydrodynamic grooves enhance this process， the leakage gas medium are generally burned out， although the quantity of the leakage gas are few， but the total wastage is huge over long time operating. The upstream pumping groove dry gas seal introduced in this paper will solve the wastage medium problem of the conventional dry gas seal completely.

Keywords： upstream pumping； dry gas seal； medium gas； wastage

一、干氣密封的介紹

1、干氣密封應(yīng)用

由于化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，各種大型化工廠、煉油廠的建立，離心壓縮機就成為壓縮和輸送化工生產(chǎn)中各種氣體的關(guān)鍵機器，而占有極其重要的地位。有些化工基礎(chǔ)原料，如丙烯、乙烯、丁二烯、苯等，可加工成塑料、纖維、橡膠等重要化工產(chǎn)品。在生產(chǎn)這種基礎(chǔ)原料的石油化工廠中，離心壓縮機也占有重要地位，是關(guān)鍵設(shè)備之一。除此之外，其他如石油精煉，制冷等行業(yè)中，離心壓縮機也是極為關(guān)鍵的設(shè)備。而干氣密封是離心式壓縮機軸封的最重要零配件之一。離心式壓縮機和干氣密封的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)離心式壓縮機運轉(zhuǎn)時，干氣密封同步運轉(zhuǎn)，來阻隔介質(zhì)側(cè)的工藝氣向大氣側(cè)泄漏。當(dāng)干氣密封運轉(zhuǎn)時，摩擦副之間需要氣體潤滑膜。介質(zhì)側(cè)的一組摩擦副的氣膜是靠的工藝氣體自身實現(xiàn)的，大氣側(cè)的一組摩擦副的氣膜是靠氮氣作為緩沖氣實現(xiàn)的。如此阻隔工藝氣向大氣側(cè)泄漏。在兩組摩擦副之間收集起來的泄漏的氣體排入火炬管線燒掉。大氣側(cè)泄漏的氮氣直接排向大氣。如圖2所示。

2、干氣密封原理

干氣密封屬于非接觸式機械密封，原理如圖3所示，干氣密封的摩擦副即一組干氣密封動、靜環(huán)（圖中3、5號件），其原理是在一組摩擦副的動環(huán)上，刻有一定形式的淺槽，在摩擦副相對轉(zhuǎn)動后，淺槽產(chǎn)生動壓效應(yīng)，將摩擦副的接觸面推開，達(dá)到非接觸的效果。常規(guī)的干氣密封，在動環(huán)上刻有動壓槽，隨著轉(zhuǎn)動，介質(zhì)氣被向內(nèi)泵送到動壓槽的根部，向圓內(nèi)側(cè)泵送，槽根部以外的無槽區(qū)稱為密封壩，密封壩對介質(zhì)流動產(chǎn)生阻止、抑制作用，增加氣膜壓力，貼合表面間的壓力使靜環(huán)表面與動環(huán)脫離，保持一個很小的間隙，當(dāng)由氣體壓力和彈簧力產(chǎn)生的閉合壓力與氣膜的開啟壓力相等時，便建立了穩(wěn)定的平衡間隙。

間隙產(chǎn)生后，即利用螺旋泵效下游泵送，使介質(zhì)氣通過摩擦副而產(chǎn)生氣膜，達(dá)到非接觸密封的目的。介質(zhì)側(cè)的高壓介質(zhì)氣會通過動、靜環(huán)之間的間隙，漏向大氣側(cè)一小部分，并且動壓槽的槽型方向也是將高壓側(cè)的介質(zhì)推向大氣側(cè)，此泄漏部分可以通過調(diào)整密封參數(shù)來控制其泄漏量。各大化工廠將泄漏后的介質(zhì)氣基本都做燒掉處理，雖說浪費的介質(zhì)不多，但長時間運行，存在浪費大量的介質(zhì)氣。

二、干氣密封改型后論述

在化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，有些介質(zhì)氣非常珍貴，例如丙烯、乙烯、氨氣等氣體，因干氣密封的需要，長時間泄漏會帶來較大的浪費而帶來較大損失。本文以下介紹的內(nèi)容是改變密封摩擦副，同樣使摩擦副動、靜環(huán)的密封面打開小間隙，形成穩(wěn)定氣膜，實現(xiàn)干氣密封摩擦副非接觸原理，并且還能降低介質(zhì)氣浪費，或讓這種浪費降低到零。這樣改變摩擦副以后，有益效果是解決了常規(guī)干氣密封存在的泄漏介質(zhì)氣的問題，避免介質(zhì)氣或者工藝氣浪費或大量消耗。

實現(xiàn)上述目的本文所采用的技術(shù)方案是，改變配對的動環(huán)和靜環(huán)的本身結(jié)構(gòu)。改變干氣密封泵送方向，讓介質(zhì)側(cè)的工藝氣體再重新泵回介質(zhì)側(cè)內(nèi)，這樣可以使非接觸機械密封達(dá)到工藝氣零泄漏。

1、將動環(huán)的動壓槽的槽型改為上游泵送。如圖4所示。

2、靜環(huán)的摩擦面上沿圓周方向開設(shè)有環(huán)槽，環(huán)槽與靜環(huán)同軸，靜環(huán)沿圓周均勻分布有與動環(huán)的動壓槽對應(yīng)的氣孔，氣孔貫穿靜環(huán)且其一端穿過環(huán)槽與動壓槽對應(yīng)。如圖5所示。

改后的動、靜環(huán)配合使用，其狀態(tài)如圖6所示。設(shè)備停止?fàn)顟B(tài)，動環(huán)不旋轉(zhuǎn)，密封內(nèi)壩區(qū)起到密封作用。設(shè)備開啟后，動環(huán)的使用旋向如圖4所示，動壓槽的槽型呈上游泵送趨勢，介質(zhì)由動壓槽的槽根部引入后，推向遠(yuǎn)離圓心的動壓槽的槽頂處，被泵送的介質(zhì)流向與介質(zhì)受到離心力方向相同；靜環(huán)沿圓周均勻分布有與動環(huán)的動壓槽對應(yīng)的氣孔，氣孔貫穿靜環(huán)，且其一端與動壓槽的槽根部對應(yīng)，通過氣孔引氣。

由于動環(huán)槽區(qū)的每一個動壓槽都是獨立不連續(xù)的，動環(huán)轉(zhuǎn)動時動壓槽會出現(xiàn)盲區(qū)吸不到氣體，會出現(xiàn)短時負(fù)壓，引起摩擦副之間氣膜不穩(wěn)定，導(dǎo)致摩擦副接觸，使得干氣密封失效，因此為保證每一個動壓槽能時刻吸到氣體，在靜環(huán)摩擦面上沿圓周方向開設(shè)環(huán)槽，環(huán)槽與靜環(huán)同軸，氣孔一端穿過環(huán)槽，環(huán)槽與動壓槽的槽根部對齊。

根據(jù)工況的不同，氣孔的另一端可開設(shè)于靜環(huán)的不同位置，當(dāng)介質(zhì)側(cè)是氣體，且介質(zhì)側(cè)不允許混入其他氣體時，則氣孔需開在靜環(huán)的介質(zhì)側(cè)方位，也可開設(shè)于靜環(huán)摩擦面的對面，或開設(shè)于靜環(huán)的外周面，而當(dāng)介質(zhì)側(cè)是液體或是介質(zhì)側(cè)是氣體但允許混入其他氣體時，則氣孔需開在靜環(huán)的非介質(zhì)側(cè)方位，即靜環(huán)的內(nèi)周面，介質(zhì)由靜環(huán)氣孔另一端引氣到靜環(huán)摩擦面的環(huán)槽部分，為動環(huán)提供氣源，實現(xiàn)上游泵送。

介質(zhì)氣通過氣孔、環(huán)槽，再由上游泵送泵入介質(zhì)內(nèi)，實現(xiàn)介質(zhì)氣在小范圍內(nèi)循環(huán)，介質(zhì)流向圖見圖7所示。這樣既滿足了干氣密封的氣膜要求，又達(dá)到了零泄漏，不浪費介質(zhì)氣。利用此項技術(shù)，會給各大化工廠帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益。

以上所介紹的干氣密封特點是，區(qū)別于傳統(tǒng)的干氣密封，通過簡單結(jié)構(gòu)改變，改變干氣密封的泵送方向。有效避免介質(zhì)的浪費或大量消耗，降低了化工企業(yè)的生產(chǎn)成本。

三、 結(jié)束語

此種改型后的干氣密封經(jīng)過實踐證明，改后的干氣密封結(jié)構(gòu)經(jīng)受住現(xiàn)場種種苛刻條件的考驗，保證了密封能夠長周期穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)。并且為用戶避免巨大的化工介質(zhì)浪費。

作者簡介：

王玉鵬（1981—），本科，工程師，從事流體機械密封研究、設(shè)計。

楊正寬（1982—），本科，工程師，從事合成橡膠后處理干燥設(shè)備研發(fā)、設(shè)計。