淺析泵用干氣密封技術及應用

禹韶松

（神華新疆化工有限公司機動部，新疆烏魯木齊 831404）

淺析泵用干氣密封技術及應用

禹韶松

（神華新疆化工有限公司機動部，新疆烏魯木齊 831404）

干氣密封技術通常應用在離心壓縮機等高轉速流體設備上。隨著干氣密封技術的發展，干氣密封在離心泵的軸端密封上應用越來越普遍。首先敘述了泵用干氣密封技術在煤化工領域的應用現狀；其次分析了泵用干氣密封的工作原理及特點；最后，闡述了串聯式干氣密封在液氨泵上的應用案例。

離心泵；機械密封；干氣密封；應用實例

1 概述

現如今，離心泵是煤化工企業普遍采用的一種用量非常大的泵。統計表明，其中約90%的泵采用離心泵。通常情況下，傳統的離心泵軸端密封有機械密封和填料函密封兩種型式，填料函密封基本上用于輸送無污染、無毒、無害介質的清水泵，大部分離心泵選用的軸封型式為機械密封。一般對于接觸式機械密封，其使用壽命和密封介質的特性有很大關系。通常條件下，密封的介質是由清水、潤滑性效果好的油類等機械密封而成，密封介質的使用壽命通常能夠在一年以上；在密封介質帶有腐蝕性或者帶有機械雜質的情況下，其使用壽命通常是半年到一年左右。另外，在其他一些更惡劣的條件下，像高溫、高壓、高速、介質易揮發和汽蝕等情況下，機械密封的使用會更短。

煤化工技術的特征為采用煤當作原材料，通過化學加工使煤轉變成氣體、液體或者固體燃料以及化學品的流程。其大體上包含煤的氣化、液化、干餾、焦油加工和電石乙炔化工等技術方法。鑒于煤化工的這些特點，大部分的機泵輸送的介質具有有毒、有害、易燃、易爆、易揮發等特點。因為目前國家對環保要求非常嚴格，煤化工企業正在向節能減排、清潔能源的方向上發展，所以對于離心泵的機械密封性能就提出了更高的要求，使其達到密封介質的綠色環保、無泄漏和較長使用時間。因此，煤化工企業非常有必要在機泵的機械密封介質上下功夫，研發出非接觸式、零泄漏、安全可靠的密封形式。

1960年左右，干氣密封是在氣體動壓軸承的基礎上進化而來的一類新型式的非接觸式密封。非接觸式密封使用流體動力學的原理，依據在密封端面上設立動壓槽，而進一步達到密封端面的非接觸運行的目的。很多科技從業者歷經數年的悉心研制，終于于1979年底在英國的約翰克蘭公司首先把干氣密封擴展到海洋平臺的氣體輸送裝備上，同時取得重大突破和成功。起初，干氣密封是為了克服高速離心壓縮機軸封的難題而出現的。因為密封非接觸運行的出現，密封摩擦副材料大致不接受PV值的限制，尤其和高速、高壓設備的軸封相切合。

伴隨著干氣密封技術的快速發展和逐漸成熟，它的應用范圍也日益廣泛。然而，現如今干氣密封正在更多的應用在離心泵上。總而言之，只要是使用機械密封的場所就要使用干氣密封技術。與傳統的機械密封相比較，干氣密封具備密封壽命期間長、運轉平穩可靠；密封功率耗損低，泄漏量小；可達到介質的較低逸出，是一類環保型密封的方式；密封輔助系統不僅操作比較簡單、可靠，而且在使用過程中不需要維護等優點。

2 泵用干氣密封技術簡介

2.1 干氣密封工作原理

干氣密封通常使用“以氣封氣”或者“以氣封液”的形式來達到工藝介質的零泄漏的目的。和以往的接觸式機械密封形式相比較，其具有摩擦損耗低，使用周期長，工作可靠性高，輔助系統簡便，無環境污染，運行維護費用低等優點。

通常情況下，干氣密封的組成部分包括：動環、靜環、彈簧、密封圈和彈簧座等。圖1 所示為干氣密封環（可以是動環，也可以是靜環）示意圖，環密封面通過研磨、拋光，同時在它的上面加工流體動壓槽。

圖1 干氣密封端面動壓槽簡圖

在動環和靜環相對旋轉運動的時候，密封氣體就會被吸入到動壓槽之內。這樣氣體就被壓縮，那么壓力就會升高。在該氣體膜壓力作用時，端面被推開，與氣體靜壓力、彈簧力形成的閉合力達到穩態。這時候流動的氣體就在兩個密封面間產生約3μm的氣膜層，氣膜厚度比較穩定，而且具備優質的氣膜剛度，保障密封運轉平穩可靠。

在出現工藝條件波動或者機械干擾的情況下，使得密封面貼近，有接觸的趨勢。此時氣膜的厚度降低，剛度增大，氣膜反力升高，迫使密封工作間隙增大，恢復到正常值。相反，如果密封氣膜的厚度升高，那么氣膜的反力就會降低，閉合力高于開啟力，密封面貼近恢復到正常值。

2.2 主要特點

2.2.1 摩擦損耗較低

一個薄層平穩的氣膜隔絕著干氣密封的兩密封端面，密封腔內是低黏度的氣體介質，因此干氣密封的端面摩擦損耗和動環部件的轉動摩擦損耗比液體介質的低很多，其比率的差距很大。

2.2.2 使用壽命更長

干氣密封和普通的機械密封不同，其兩端面之間是一層干凈的氣膜，呈非接觸狀態，摩擦力小，因此壽命較長。通常情況下，其使用壽命可達到三年以上，是普通機械密封使用壽命的3~5倍。

2.2.3 零泄漏

使用傳統的封液系統，其不僅價格很貴，而且會有一些難以避免的安全事故發生。目前采用凈化氮氣當做密封氣體可以讓輸送的介質達到零泄漏和零逸出的效果。這不僅能夠排除一些干擾原因，而且沒有任何污染，穩定性十分高。

2.3 接觸式密封的缺點

以往的機械密封形式比較單一，使用的是接觸式密封形式，依照密封件和機械的其他一些部件之間的接觸情況，來判斷其是接觸式密封或者非接觸式密封形式。傳統的基礎是在密封進行操作的時候，有著特定的一些缺點，比如可能會導致密封介質的滲出，進一步導致對環境的破壞性作用。這可以從接觸式密封的工作原理來分析，因為它是采用外界和被密封流體形成的壓力差值來達到密封的效果，這類密封的方法不能完全達到對被密封流體的密封作用，所以就可能導致出現一定的泄露情況，更壞的結果是流體的直接泄露。另外，密封端面之間存在摩擦是在所難免的，這就在一定程度上減少裝備的使用周期。通常在已經密封的情況下，密封系統的端面也比較容易遭受一些很大的摩擦力的影響，這就使設備不能處于有效正常的工作狀態中。

2.4 干氣密封的槽型設計

在流體經過動環和靜環附近的接觸面時候，這就促使動靜環黏合到一起，進一步達到密封的效果。在動靜環的接觸的表面上，其表面是非常光滑的，上面就設計著許多螺旋槽。螺旋槽的設計位置直接關乎著該設備的密封的作用。首先，對于開槽的角度一定要掌握的非常準確。以往的經驗和實驗表明，很小的偏差都會造成接觸面的壓力不足以達到密封的效果。在密封設備開始運轉工作時候，設備周邊氣體就會移動至螺旋槽里面，同時向外邊運動。螺旋槽內的氣體如果被大幅度的壓縮，就會在其內部產生一個高壓區，膜產生的壓力就會使動靜環內較好的黏合在一塊。

2.5 靜環的受力分析

靜環主要受到三方面的力，包括彈環給予的彈力、密封氣體給予的壓力和氣膜給予的壓力。通過受力比較可以看出，靜環受到的綜合力是不平衡的。進一步分析可知，在彈環的彈力和密封氣體的壓力作用下，使密封端面產生閉合力，這樣就使得動環和靜環能夠較好的粘合到一塊。密封端面之間的氣膜的壓力，產生開啟力，這個力和閉合力作用方向相反，這使得達到更好的密封效果。

3 密封布置形式

通常條件下，泵用干氣密封的布置形式包含三種，我們從泵送介質的特征、現場施工條件和綠色環保的要求這三個角度進行分析。

3.1 外壓式的雙端面干氣密封

外壓式雙端面干氣密封指的是依靠2套干氣密封設備，通過背對背的形式組合而成的一套密封裝備。首先，在兩套密封間隙中注入潔凈干燥的氮氣，注入后的壓力約達到0.18兆帕，高于腔內介質承受的壓力。通過這種方法，很好的達到了環保的要求。因為注入腔中的隔離氣其中很小一部分到達泵腔來避免液體的滲漏，其中很大一部分沿著外側密封的面封面排入空氣中。為了杜絕因為外部的隔離氣突然停止提供，而讓內側密封打開，內側密封要采用雙向平衡的設計模式。所以，不管是內側密封承受正壓差，隔離氣壓力大于被密封介質的壓力，還是其他情況，內側密封都能達到穩態，實現密封的目的。通常情況下，這種安排的形式應用在多種不包含固體顆粒的物質，進而確保被密封的工藝液體介質實現“無泄漏”和“無逸出”的目的。

3.2 內壓式的雙端面干氣密封

與外壓式雙端面干氣密封的差別是，內壓式雙端面干氣密封使用2套順序布置的方式，內部注入干凈的隔離氣體，通常使用的是氮氣。它的壓力比密封腔介質的壓力高很多，約是0.2MPa，過濾精度是1μm。因為內側密封承擔著內壓的用途，按照氣體阻塞作用以及離心力產生的效果，可以高效杜絕液體介質里的固體顆粒進入密封面。內側密封動環密封面上的流體動壓槽設計在密封面的內徑位置，而外側密封靜環密封面上的流體動壓槽設計在密封面的外徑位置。這種安排方式一般使用在許多包含固體顆粒的液體介質當中。

3.3 串聯式備用干氣密封

串聯式備用干氣密封指的是干氣密封和接觸式機械密封串聯進行裝配。串聯式干氣密封分為兩級密封形式。第一級是機械密封，第二級是干氣密封，密封的介質是干凈N2。通常，機械密封起到主密封的效果，干氣密封是輔助密封。干氣密封一般包括以下幾方面的作用，即提升主密封的背壓，杜絕端面汽化、降低密封面的損耗，延伸了主密封的使用周期；當主密封失去效果的時候，干氣密封在一定時間內可以達到備用密封的效果，防止引發意外事件；主密封泄滲出的氣體隨N2排入火炬，防止危險氣體直接排入大氣，消除了安全隱患進而達到環保的效用。

4 具體應用的實例

某廠液氨輸送泵采用立式結構，輸送介質為：液氨；工作溫度為：-33~35℃；轉速：600~2 950r/min；揚程：100m；流量：46m3/h。

4.1 改造結構說明

針對液氨泵實際工況特點對其改造的干氣密封進行設計，采用串聯式干氣密封作為改造的型號。結構簡圖如圖2所示。

圖2 立式液氨泵干氣密封改造結構示意圖

4.2 改造控制系統說明

干氣密封其中重要組成部分之一，即是控制系統，其主要效果是為干氣密封供應干凈的氣體和監視干氣密封的運轉情況，以保障干氣密封在較長周期內運行，因而在系統中設置了過濾單元，調節單元以及泄漏監測單元。

4.3 干氣密封相關的計算

串聯式干氣密封的主要結構就是機械密封組件和干氣密封組件，其余部件均是輔助它們的運行。在設計時根據工況選擇各部件的材質，同時進行相關的計算。

端面內徑d1；端面外徑d2，平衡直徑d，轉速n，摩擦系數f

式中：ρ為密度，kg/m3；Cp為比熱容，J/（kg·k）；

根據計算確定干氣密封的相關尺寸參數，在保證密封最可靠的工作狀態下，又要保證端面產熱有沖洗作用下在該介質對應飽和蒸汽壓的溫升范圍內，從何介質不會出現汽化現象。計算出沖洗量的大小，彈簧力大小，以及端面的尺寸。然后對密封進行結構設計，在保證密封的強度的同時要做到結構最優化，既保證密封工作的穩定型，又節約了材料。

4.4 干氣密封端面參數的優化

一些現有的理論可以說明，螺旋槽引起的流體動壓效果最強，氣膜剛度最大。所以，要使用螺旋槽干氣密封結構形式。現在，利用有限元計算的程序，對干氣密封端面螺旋槽結構參數進一步優化：在進行優化的時候，把干氣密封產生最佳的氣膜剛度當做優化目標，另外把干氣密封的最大剛漏比當做優化的參考目的。干氣密封最大剛漏比的物理意義指的是，在密封具備較大氣膜剛度的狀況下氣體泄漏量十分小。一般廠家在采用軟件對干氣密封優化時，干氣密封輸入的參數如下所示：

介質平均黏度：17.5Pa.s

密封轉速：600~2 950r/min

工作氣膜厚度：Ho=1.6μm

工作壓力：p=0.1MPa

密封面外徑：DO=φ103.5mm

密封面內徑：Di=77.5mm

螺旋槽密封面結構的優化

當螺旋角約為16°時候，螺旋槽的深是設計氣膜厚度的3.5倍時，密封的氣膜剛度、剛漏比以及承載能力達到最大值。當槽長與壩長之比小于1.5時，密封的氣膜剛度、剛漏比以及承載能力變化十分大，然而槽寬壩寬比為0.4~1.2，密封的性能變化則不是較大。另外，干氣密封螺旋槽數量一般設定在10~30比較合適。

4.5 注意事項

綜上所述，由于液氨的一些特性，改造后的串聯式干氣密封在生產中具有可行性。既保障了設備的合理運轉，延長了使用期限，也有效避免對于被密封介質液氨的泄漏以及逸出情況發生。但在操作時要注意一下幾點：首先，在啟動泵之前注入氮氣，其壓力要比密封腔內存在的液體壓力高出0.2—0.3MPa。其次，在干氣密封工作的時候，務必要經常查看干氣密封系統過濾器前后壓差，當其壓差達到某一個確定值，就要立刻更換濾芯。最后，在機器停止運轉時，密封氣不能中斷。對泵進行檢修前，首先要排除泵內殘留的液體，然后再停止供氣操作。

5 結束語

泵用干氣密封技術較傳統的機械密封在安全性、穩定性和效率上都有較多的優點。在很多領域越來越占據優勢，尤其在高危介質應用方面較傳統的機械密封更安全可靠。其操作系統簡單更是給現場操作帶來了許多便利，干氣密封運用領域也不斷擴大，成為安全生產的一大后備軍。

[1] 康維豐，張天國，游笑輝，等.干氣密封技術在乙烯制冷壓縮機上的應用[J].乙烯工業，2016，（1）：59-64+6.

Analysis of Pump Dry Gas Sealing Technology and Its Application

Yu Shao-song

Dry gas sealing technology is usually used in centrifugal compressors and other high-speed fluid equipment.With the development of dry gas sealing technology，dry gas seal on the centrifugal pump shaft seal on the application of more and more common. In this paper，the application status of pump dry gas sealing technology in coal chemical industry is described.Secondly，the working principle and characteristics of dry gas seal are analyzed.Finally，the application case of tandem dry gas seal on liquid ammonia pump is expounded.

centrifugal pump；mechanical seal；dry gas seal；application example

TB42

A

1003–6490（2017）05–0082–03

2017–04–28

禹韶松（1968—），男，新疆烏魯木齊人，工程師，主要從事設備管理工作。