干气密封的研究与发展

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干气密封的研究与发展

摘要：干气密封可分为动压型干气密封和静压型干气密封两大类。本文主要介绍了动压型干气密封的工作原理、密封结构图及其应用场合，分析了干气密封技术的现状、存在的问题，最后指出干气密封技术的发展趋势。

关键词：干气密封 密封结构 研究现状 发展趋势

      流体密封技术被广泛应用于航空航天、国防军工、核能发电等高新技术领域，和石油、石化和化工等国民经济各主导行业。密封技术虽然不是领先性技术，但往往是决定性关键技术。干气密封作为一种新型的流体密封技术，成为未来密封发展的主流，正在被越来越多的人所认识了解和使用。

1 干气密封的发展概述

      干气密封是一种新型的非接触式密封，它是利用气体的动压效应来改善密封端面的润滑状况,使端面间保持一气膜,从而实现非接触密封,它是目前旋转机械轴端密封中最先进的一种密封装置。干气密封的概念是20世纪60年代末期从气体润滑轴承的基础上发展起来的，经过数年研究，并投入工业应用。

      随着干气密封技术的不断发展，我国在80年代中期，开始逐步引进国外干气密封技术，应用于大型离心压缩机。通过实践证明，干气密封具有非常明显的优势。同时，国内有关的研究机构也相继对干气密封进行了一些研究。干气密封，它代表目前世界上最先进的密封发展技术，具有运行可靠，维护简便，使用寿命长等特点。目前，干气密封是一种先进的旋转轴用动密封，其性能可靠，使用寿命长，功耗低，维护成本低，且能适应高温、高压高低速以及各种腐蚀性介质等苛刻工况，因而在石油、化工、冶金、航空等行业中大量使用。

2 干气密封的结构及工作原理  

2.1干气密封的结构

      干气密封结构主要由加载弹簧、O形圈、静环以及动环组成（图1）。静环和加载弹簧被安装在静环座中，并依靠O形圈进行二次密封。静环一般用较软的、有自润滑作用的材料 如石墨制造，在弹簧等载荷的作用下，可沿轴向自由移动。动环依靠轴套固定在旋转轴上并随轴旋转。动环由硬度高、刚性好且耐磨的材料如碳化钨、碳化硅制造。螺旋槽干气密封设计的特别之处是在动环表面加工出一系列螺旋状沟槽，深度一般为 2.5～10μm。

2．2干气密封的工作原理

       缓冲气体（可以是经过滤后的压缩机出口气、氮气或惰性气体）注入到密封装置，动、静环在流体静压力和弹簧力的作用下保持贴合，起到密封的作用。当动环旋转时将被密封气体周向吸入（泵吸作用）槽内，气体沿槽向槽根部运动，由于受到密封堰的阻碍，气体作减速流动并被逐渐压缩。在此过程中，气体的压力升高，即产生了流体动压力。当压力达到一定数值时，具有挠性支承的静环将从动环表面被推开，这样密封面之间始终保持一层极薄的气膜（厚度 3～5μm），所形成的气膜一方面能有效地使端面分开，保持非接触，另一方面又使相对运转的两端面得到冷却。同时，密封面间极小的气膜间隙有效地控制泄漏到最低的水平。           

2．3几种密封形式

      常用的密封形式有单端面干气密封、双端面干气密封、串联干气密封、带中间进气的串联干气密封。

3 干气密封的发展与应用

      经过40多年的发展，干气密封以其优良的性能已经在工业生产领域中得到广泛的应用。它在炼油、化工等行业高速透平压缩机上的应用越来越广。目前干气密封已大量用在石化压缩机上，如炼油行业的富气压缩机、循环氢压缩机、高压加氢压缩机、解吸气压缩机等；化工行业的循环气压缩机、裂解气压缩机、乙烯压缩机、丙烯压缩机、多元制冷压缩机、二氧化碳压缩机、氨气压缩机、原料气压缩机、合成气压缩机、天然气压缩机等。由于国内外干气密封产品价格的大幅下降，其性价比远远高于浮环密封和机械密封。因此不论是国外进口的还是国产的工艺气体用高速透平压缩机新机，都首选干气密封作为其轴端密封装置，而且一些原来采用浮环密封或机械密封的压缩机也逐步改为干气密封。

4 国内干气密封发展存在的问题

4.1研究现状

       随着干气密封技术和产品的发展和广泛应用，国内有关研究机构也相继对干气密封进行了研究。具体的研究有如下几个方面：

1)密封端面摩擦的研究

      端面间的摩擦是决定密封性能的首要原因之一，也是长期以来研究的热点。对于普通机械密封，大多数人接受Summers—smith等证明的在一定条件下，端面处于混合摩擦状态的混合摩擦学说，即机械密封正常工作状态为混合摩擦，在开、停车会出现干摩擦，在润滑性良好的工况可能会出现边界摩擦。但对此也尚未定论，需要进一步研究。

2)干气密封的结构研究

      密封的结构一般分为机械密封部分和密封系统两个部分。机械密封部分：摩擦副，主要在配对宽度、端面的精度以及宏观开槽等方面做了很多的研究。在密封系统的研究方面，取得了一定的成果，但是在一些工作条件苛刻的情况下，迫切需求对密封系统进行深入的研究。

3)密封现代设计

       我国密封技术发展的另一个难关在于设计手段的落后。设计手段的落后严重制约了我国干气密封的发展。

4.2存在的问题

1)基础研究工作薄弱

      国内在密封的理论研究方面较薄弱，仅在有些大学和少数研究所开展了研究课题，进行专题研究。而国外密封产品制造企业则是拨出专项资金、设立研究所或以与大学长年合作的方式，开展基础研究工作。另外，我国相关技术人员参加国际上的关于密封的学术会议人员少、论文少、申报专利数量少，超前开发意识薄弱。

2)密封用材性能较差

      国内企业设计的产品与国外差距大，品种规格少，普遍存在性能不稳定的情况，对高参数工况或介质具有强腐蚀性、含有磨料颗粒等情况，传统材料不能完全满足要求。

3)产品结构陈旧、加工水平落后

       我国许多密封结构仍沿用国外20世纪50年代的结构,不能适应多方面的需求，应在这方面加快发展。目前制约我国密封产品发展的“瓶颈”在于生产条件和工艺水平的落后，而沟槽的加工则是另一技术关键。激光加工已被大多数研究人员认可，但如何降低其加工成本，形成通用的高精度自动加工系统是急需解决的问题。

4.3发展趋势及进一步研究方向

      干气密封技术虽然己经被广泛应用且应用范围逐渐扩大，但对干气密封理论的研究、认识和应用还有待进一步的加深。

1)干气密封总体设计方面

       以往的干气密封研究仅在摩擦、材料等方面进行，至今没有得出令人满意的结论。目前已在端面微观形貌、相变、空化等方面开展了很多研究，但是很少从流体力学角度人手。考虑耦合传热、变形等因素，对气体膜内流动进行分析，建立比较实用的干气密封设计模型，提出相关的理论和相应的改型措施是当前需要深入进行的重要方面。

2)理论计算方面

      理论计算是试验和设计的基础，但从目前国内的研究结果看，一些理论还不太成熟，方法还不太统一，与国外顶尖水平相比还有很大差距，所以要加强与外部的交流与合作，学习他们的先进技术才能进一步加强和完善国内的理论计算水平。

3)密封结构的设计

       对密封的失效本质进行跨尺度研究，以现代数值模拟仿真结合试验结果指导结构设计，实现密封的高稳定性、高可靠性、强追随能力和优良密封性。应特别关注表面的织构化、表面微纳形貌化及其与摩擦界面变形之间的协同效应，对密封进行热、流固耦合研究。

5 结束语

      随着我国高新技术和工业的高速发展，对各种密封技术提出了更高要求。干气密封作为一种非接触式密封是目前密封技术研究的热点，其极限速度高，密封性能好，寿命长，不需密封油系统，功率消耗少，操作简单及运行维护费用低。由于其优良的特性从而得到了广泛的应用，一是在实际产品上要求产品更少的泄漏量，同时具有更高的使用寿命；二是环保要求越来越高；三是要求流体机械的效率更高，并最大程度地节能降耗。干气密封作为不需任何密封端面冷却和润滑用油的无维修密封系统，正取代浮环密封和迷宫密封而成为石化行业高速离心压缩机轴封的主流。

参考文献：

1 彭旭东 王玉明 黄兴 李鲲.密封技术的现状与发展趋势[J].液压气动与密封，2009(4):4-11.

2 刘飞 朱维兵.干气密封发展概况及其特性分析[J]. 机械设计与制造, 2010(11)：261-263.

3 王玉明 杨惠霞 姜南.流体密封技术[J].液压气动与密封,2004(3):1-5.

4 杨富来.干气密封技术及实际应用[J].石油化工设备技术,2004,25(3):63-66.

5 陈秀琴 朱维兵 王和顺.干气密封技术研究现状及发展趋势[J].液压与气动,2008(2):52-56.

6 黄义仿 丁雪兴 郑劲陈兰新.干气密封螺旋槽内气体流场的有限元模拟[J].化工机械,2007,34(2):95-97.

7 丁雪兴.干气密封螺旋槽润滑气膜的稳、动态特性研究[D].兰州：兰州理工大学，2008.

8 顾永泉.流体动密封[M].北京:中国石化出版社，1992

          石油化工学院；化工过程机械；122080706015；张英杰