静压干气密封综述

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   摘要
干气密封是一种气膜润滑的流体动、静压结合型非接触式机械密封，主要应用于天然气管线、炼油、石油化工、化工等行业的透平压缩机、透平膨胀机等旋转机械。干气密封最早是由螺旋槽气体轴承转化而来的，和其他机械密封相比，其主要区别是在旋转环或静止环端面上(或者同时在这两个端面上)刻有浅槽，当密封运转时，在密封端面形成气膜，使之脱离接触，因而端面几乎无磨损。其可靠性高，使用寿命长，密封气泄漏量小，功耗极低，工艺回路无油污染，工艺气也不污染润滑油系统。静压干气密封是一种不依赖于机组转速的密封，其工作原理主要是利用气体的静压作用在端面间形成稳定的气膜来提供较高的开启力，使端面实现非接触，是一种适合低速工况应用的新型机械密封技术。

关键词：静压于气密封；泄漏；气膜刚度

       密封的重要性，首先体现在可以有效地减少泄露，目前，国内外石化行业普遍使用各类工艺气体大多具有易燃、易爆、有毒的特性，如瓦斯，氢气等。为了防止或者限制这些工艺气体泄漏到大气中，须采用各种有效的密封装置。密封仅仅是一个很小的部件，但它往往能决定机器设备的安全性、可靠性和耐久性，其作用对整台机器、整套装置乃至整个工厂的影响都很大。特别在石油化工企业中，处理的大多是具有可燃性、腐蚀性、易燃及有毒的介质，而且通常工作压力和温度较高，一旦密封失效，介质泄漏不仅污染环境，影响人体健康和产品质量，而且往往会导致火灾、爆炸等重大事故。
       密封还直接关系到能源和物料的节约问题。在整个能源消耗中，各种流体动力机械占据的比例较大，这些机械的内漏或外漏，往往造成容积效率降低，其功率损失达总功率的 10％以上，小型机器甚至达 40～50％。 因此，提高动力机械轴端密封运行的可靠性和稳定性，降低物料和能源的消耗，始终是石油化工设备技术中的一个重要课题。 综上，可以看到密封技术存在很广泛的应用空间，也具有很大的实践应用价值，正因为应用的领域广泛，更需要具备多种学科的综合知识来应用向光的结构设计中。
       密封可分为静密封和动密封两大类，静密封：机械设备运动副相对静止的结合面，如管道连接、压力容器以及传动装置等的接合面间的密封称为静密封。动密封：机械设备运动副相对运动的结合面（如缸体与活塞、阀门的传动轴与阀体、传动轴轴颈与静止的轴承端盖之间）间的密封称为动密封。动密封分为接触型密封和非接触型密封两类。静密封主要有：（a) 垫片密封 （b) 胶密封 （c) 法兰密封。根据工作压力，静密封又可分为:（a) 中低压静密封：常用材质较软、较宽的垫片密封（b)高压静密封：采用材料较硬、接触宽度很窄的金属垫片密封。动密封又可分为（a) 接触式密封:  接触式密封的密封性好，但受摩擦磨损限制，适用于密封面线速度较低的场合。（b)非接触式密封:  非接触式密封的密封性不稳定，适用于较高速度的场合。非接触式密封，由于密封面不直接接触，功率消耗小，寿命长，如果设计得合理，泄漏量也不会太大。但这类密封是利用流体力学的平衡状态而工作的，如果运转条件发生变化，就会引起泄漏量的波动变大。
       密封结构相对而言对材料的要求也较高，具体而言有材料致密性好，不易泄漏介质；有适当的机械强度和硬度；压缩性和回弹性好，永久变形小；高温下不软化、不分解，低温下不硬化、不脆裂；抗腐蚀性能好、在酸、碱、油等介质中能长期工作。摩擦系数小，耐磨性好；具有与密封面接合的柔软性；耐老化性好。经久耐用；加工制造方便，价格便宜。干气密封是一种气膜润滑的流体动、静压结合型非接触式机械密封，主要应用于天然气管线、炼油、石油化工、化工等行业的透平压缩机、透平膨胀机等旋转机械。干气密封最早是由螺旋槽气体轴承转化而来的，是建立在实验基础上的，和其他机械密封相比，其主要区别是在旋转环或静止环端面上(或者同时在这两个端面上)刻有浅槽，当密封运转时，在密封端面形成气膜，使之脱离接触，因而端面几乎无磨损。其可靠性高，使用寿命长，密封气泄漏量小，功耗极低，工艺回路无油污染，工艺气也不污染润滑油系统。此处，捎带介绍下机械密封。相对干气密封来说，机械密封目前应用的更为广泛，从工作形势来看有接触和非接触两大类，泄漏量少，但是相对而言寿命较低。
       相对于干气密封而言，静压干气密封是一种不依赖于机组转速的密封，其工作原理主要是利用气体的静压作用在端面间形成稳定的气膜来提供较高的开启力，使端面实现非接触，是一种适合低速工况应用的新型机械密封技术，它分为内加压式和外加压式2种结构形式。具有密封性能稳定、可靠性高的特点。因静压干气密封具有环保、节能、高效、长寿命、低维护成本等优点而被广泛应用于石油、化工等领域【2】。静压干气密封正常运转的条件之一就是需要稳定的气膜刚度。影响气膜刚度的因素有很多，例如静环端面的开槽长度和宽度、动静环端面的粗糙度、密封介质、端面间隙、节流孔特性等。节流孔特性包括气源压力、出口压力、节流孔直径和个数等参数，它们直接影响着端面开启力的大小，对形成稳定的气膜刚度起决定性的作用，是影响整个密封性能的关键因素，也是延长密封使用寿命的关键之处。
       静压干气密封根基润滑气体提供的方式，分为自加压和外加压两种类型，自加压式产生静压的气体是设备输送的介质本身，不需要提供另外的起源，但密封的性能容易受到介质压力波动的影响。对于外加压式密封，静压气体由外部气源提供，该类密封额外增加了气源设备，结构复杂，但是这种结构的密封性能比较稳定，可靠性高。因此，大多数研究机构和个人及项目都选取外加压式静压密封进行分析研究。
       静压气体润滑机械密封的起源要追溯到上世纪八十年代，TadashiKoga等在1984年研究了外部气源供气流体压非接触机械密封性能以及其在极限工况下的应用【3】，并对流体静压气体非接触机械密封进行了进一步研究【4】，对端面的开启力以及力的平衡做了详细的分析计算，包括密封面的压力分布，断面开启力和气膜刚度。静压干气密封是在静压气体润滑止推轴承理论的基础上发展起来的。不少研究工作者在相关领域进行了大量研究。其中，国内较新的研究进展是2011年周圣人，朱维兵【5】等人根据相关文献资料分析了静压干气密封的原理和密封性能，重点对外加压式静压干气密封的节流孔参数进行了分析和优化，以及在稳态工作时，对密封环的温度场和热变形进行了分析研究。
                                                                               参考文献
[1] 余建平．静压气体润滑机械密封特性研究[D]．昆明：昆明理工大学，2008
[2] 王和顺，陈次昌，黄泽沛，等．干气密封端面平衡间隙的研究[J]．润滑与密封，2007，32(8)：16—23．W ang Heshun，Chen Cichang，Huang Zepei，et a1．Studies ondry gas seal end balance clearance[J]．Lubrication Engineer—ing，2007，32(8)：16—23．
[3] Koga,Tadashi,Fujita,etal.High Stiffness Seal and Its Application to Extreme Condition British Hydromechanics Research Assn Cranfield[J].Proc 10th Ind.Conf.on Fluid Sealing, Paper Ⅱ 1984
[4] Koga,Tadashi,Fujita,etal.The Hydrostatic Gas Noncontact Seal[J].ASLE Transalations,1985,29(4):505-514
[5] 周圣人.静压干气密封节流孔特性及端面热变形分析[D].西华大学硕士学位论文，2011.
[6] 顾永泉 机械密封实用技术[M].北京：机械工业出版社，2001，7.
[7] 董吉洪 圆盘形止推气体轴承的工程计算方法[J].仪器仪表学报，1999,20（4）增刊：187-189.

石油化工学院                    化工过程机械专业                 于踪洋                 122080706006