非接触式机械密封技术.ppt

《《非接触式机械密封技非接触式机械密封技术》》专题讲座座实现以人以人为本本—健康健康安全安全环保保经济—现代化生代化生产新理念新理念目目￿￿￿￿录•1．非接触式机械密封概述．非接触式机械密封概述•2．非接触式机械密封工作原理．非接触式机械密封工作原理•3．非接触式机械密封与接触式机械密封比．非接触式机械密封与接触式机械密封比较•4．影响非接触式机械密封性能的主要参数．影响非接触式机械密封性能的主要参数•5．非接触式机械密封典型．非接触式机械密封典型结构构• 5.1 离心离心压缩机用非接触式机械密封机用非接触式机械密封• 5.2 离心离心泵用非接触式机械密封用非接触式机械密封• 5.3 低速低速搅拌器用非接触式机械密封拌器用非接触式机械密封•6．非接触式机械密封．非接触式机械密封监控系控系统1．非接触式机械端面密封概述．非接触式机械端面密封概述•气膜密封：气膜密封：即干气密封即干气密封——气膜润滑非接触式机械密封（Gas Lubricated Non-contacting Mechanical Seal，或“Gas Film Gas Film SealSeal”，目前广泛称之为“Dry Gas SealDry Gas Seal”)。

•液膜密封：液膜密封：液膜润滑非接触式机械密封（liquid Lubricated Non-contacting Mechanical Seal，或Liquid Film SealLiquid Film Seal）•理论依据：理论依据：现代流体动压润滑理论•技术优势（与普通接触式机械密封相比）：技术优势（与普通接触式机械密封相比）：•可实现密封介质的零泄漏甚至零逸出（即工艺流体的液态泄漏量和气态逸出量等于零），彻底消除对环境的污染；•密封端面之间无直接的固体摩擦磨损而具有使用寿命大大延长、密封可靠性显著提高、运行维护费用大大降低、经济效益明显提高等技术优势•理论依据：理论依据：18861886年，雷诺年，雷诺(Reynolds)(Reynolds)提出润滑理论的提出润滑理论的基本方程（即基本方程（即N-SN-S方程）压差流压差流剪切流剪切流挤压流挤压流2. 非接触式机械密封工作原理非接触式机械密封工作原理图图1 1 气膜密封结构示意图气膜密封结构示意图 2.1 2.1 气膜密封气膜密封气膜密封的基本气膜密封的基本组成成动环动环弹簧盒弹簧盒静环静环动环动环O形圈形圈推环推环静环静环O形圈形圈弹簧弹簧弹性元件弹性元件a a 密封端面结构密封端面结构 b b 下游泵送原理下游泵送原理图图2 2 气膜密封工作原理气膜密封工作原理气膜密封的工作原理气膜密封的工作原理图图3 3 气膜密封力平衡示意图气膜密封力平衡示意图2.2 2.2 液膜密封工作原理液膜密封工作原理•普遍采用的液膜润滑螺旋槽上游泵送机械密封上游泵送机械密封端面结构。

•若动环外径侧为高压被密封液体（规定为上游侧），内径侧为低压流体（可气体亦可液体，规定为下游侧），当动环旋转时，在螺旋槽粘性流体动压效应的作用下，动静环端面之间产生一层厚度极薄的流体膜，使动静环端面保持分离即非接触状态•在外、内径压力差作用下，高压被密封液体产生由外到内的压差流Qp，而螺旋槽流体动压效应所产生的粘性剪切流Qs方向由内径指向外径，与压差流Qp方向相反，此为上游泵送概念的由来•包括零泄漏密封零泄漏密封和零逸出密封零逸出密封两种a a 密封端面结构密封端面结构 b b上游泵送原理上游泵送原理 图图4 4 上游泵送机械密封工作原理上游泵送机械密封工作原理 ￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿图图5 5 零逸出液膜密封力学分析零逸出液膜密封力学分析 2.3 2.3 气膜密封的产生及发展气膜密封的产生及发展•上世纪六十年代初，首次基于气体润滑轴承理论气体润滑轴承理论提出气膜密封概念，并试图应用于航空发动机上•1969年，英国约翰克兰(Johncrane International)公司并开始从事气膜密封的研究。

•1976年，约翰克兰公司设计制造的第一套气膜密封在海洋平台输气管线离心压缩机上得到使用•1985年，美国杜拉美特立公司掌握气膜密封技术并开始制造气膜密封•1987年，1988年德国的Burgmann公司和美国的EG&G SEALOL公司开始从事气膜密封生产制造•1988年，中国石油大学开始从事气膜密封研究工作•上世纪九十年代初，约翰克兰公司开发出泵用气膜密封产品•1992年，约翰克兰公司气膜密封产品随高速透平离心压缩机进口中国•1996年，国产气膜密封产品在巴陵石化鹰山石油化工厂首次使用•至今，已开发出系列透平机组、各类转子泵、多种低速搅拌设备用气膜密封产品并不断推广应用2.4 2.4 气膜密封产品的主要技术指标气膜密封产品的主要技术指标密封公司密封公司压力，压力，MPaMPa温度，温度，℃℃周向速度周向速度m/sm/s轴径，轴径，mmmmJohn CraneJohn Crane4545400400200200330330BurgmannBurgmann2020550550200200300300FlowserveFlowserve2323230230200200300300国内国内15152002001501503003003.￿ ￿非接触式密封与机械密封比非接触式密封与机械密封比较 气膜密封气膜密封机械密封机械密封应用时间应用时间19761976年年19001900年年工作原理工作原理气膜润滑、非接触式密封气膜润滑、非接触式密封混合摩擦润滑、接触式密封混合摩擦润滑、接触式密封使用寿命使用寿命3年以上年以上平均平均1年左右年左右功率消耗功率消耗不足机械密封的不足机械密封的5%与密封轴径、转速有关与密封轴径、转速有关辅助系统辅助系统辅助系统简单、可靠性高、使辅助系统简单、可靠性高、使用中无需维护、无功率消耗。

用中无需维护、无功率消耗密封辅助系统复杂，需专用阻塞流体泵送及压力控制系统，密封辅助系统复杂，需专用阻塞流体泵送及压力控制系统，压力控制要求严格；辅助系统故障率高，运行、维护成本高压力控制要求严格；辅助系统故障率高，运行、维护成本高对对 工工 艺艺影响程度影响程度密封介质为工艺气体本身或氮密封介质为工艺气体本身或氮气，对工艺无任何影响气，对工艺无任何影响密封介质为液体，密封介质泄漏进入工艺流程后会对后续工密封介质为液体，密封介质泄漏进入工艺流程后会对后续工艺产生极大影响，甚至破坏工艺造成停产艺产生极大影响，甚至破坏工艺造成停产对对 环环 境境污染程度污染程度仅有微量氮气往大气泄漏，对仅有微量氮气往大气泄漏，对环境无污染，是环保型密封环境无污染，是环保型密封有密封油或工艺介质泄漏，对环境有一定污染泄漏量过大有密封油或工艺介质泄漏，对环境有一定污染泄漏量过大时对生产带来较大安全隐患时对生产带来较大安全隐患运行费用运行费用一次性投入大，运行成本极低一次性投入大，运行成本极低一次性投入小，运行成本高一次性投入小，运行成本高各种密封的泄漏各种密封的泄漏对比（比（计算算结果）果）计算数据：直径为140,转速为5000rpm，下游压力为，上游压力为，密封介质为空气，阻塞介质为油。

密封形式特征值质量泄漏量(kg/h)气体泄漏量（m3/min)气体润滑迷宫密封15个齿141.61.82碳环密封4环,各10mm, 0.05mm间隙28.80.37气膜密封膜厚5微米4.80.06液体润滑油泄漏介质侧大气侧kg/hL/hkg/hL/h浮环密封2环,各20mm, 0.05mm间隙6.67.231.836机械密封膜厚1微米0.0660.0720.090.102图6  压缩机用双端面密封辅助系统图7  气膜密封辅助系统气膜密封的技术优势：气膜密封的技术优势： 与普通接触式机械密封相比，气膜密封具有以下系列技术优势：•零泄漏或零逸出（统称零逸出）零泄漏或零逸出（统称零逸出），，实现环保功能•密封可靠性大大提高，使用寿命相应延长密封可靠性大大提高，使用寿命相应延长在理想工作状态下，由于密封摩擦副处于非接触状态，端面之间不存在直接的固体摩擦磨损，理论使用寿命无限长•能耗明显下降，经济效益显著能耗明显下降，经济效益显著气膜密封的能耗不足普通接触式机械密封的1/20；且用于降低端面温升的密封冲洗液量和冷却水量大大减少，相应提高了泵效甚至工艺装置的生产效率•辅助系统相对简单辅助系统相对简单。

与双端面接触式机械密封相比，无需复杂的封油供给、循环系统及与之相配的调控系统，只需供给洁净干燥的中性气体，其压力应高于密封介质的压力，但无须循环，消耗量也小•使用范围拓宽使用范围拓宽与普通接触式机械密封相比，气膜密封可以在更高PV值、高含固体颗粒介质等条件下使用实例例对比比1（气膜密封）（气膜密封） 某石化公司氯碱厂一原料泵（轴径为35mm）为例：原来采用接触式机械密封，后改为气膜密封，使用效果对比如下表：比较内容接触式单机械密封双端面气膜密封泄漏运行一开始出现泄漏无泄漏使用寿命不超过6个月三年以上产品价格1650元/套13000元/套+3000元系统费用3年备件费用9900元16000元摩擦功耗0.85kW0.05kW3年电能消耗20196kW，10098元1188kW，594元密封水气消耗每分钟3升脱盐水，3年消耗4277吨，合计64152元0.04NM3/小时 氮气，3年消耗950NM3氮气，合计950元费用核计84150元17544元节约费用66606元实例例对比比2（液膜密封）（液膜密封） 中铝公司某氧化铝厂一进料泵（轴径为80mm）为例：原来采用接触式机械密封，后改为双端面液膜密封，使用效果对比如下表：比较内容双端面集装式机械密封双端面集装式液膜密封泄漏运行不久出现泄漏无泄漏使用寿命不超过3个月半年以上产品价格6,500元/套21,000元/套年备件费用26,000元42,000元摩擦功耗8.85kW0.5kW半年电能消耗38,232kW，19,116元2,160kW，1080元半年水蒸汽消耗0.39吨/小时，103元/吨，合计17,3534元0.01吨/小时，103元/吨，合计4450元一年费用核计218,650元26,530元年节约费用192,120元原机械密封使用情况液膜密封使用情况4. 影响非接触式密封性能的主要参数影响非接触式密封性能的主要参数•影响非接触机械密封性能的参数为密封结构参数密封结构参数和密封操作参数密封操作参数。

1.1. 密封结构参数密封结构参数1.1 1.1 密封端面动压槽形状（下图）密封端面动压槽形状（下图）•理论研究表明，在气膜密封端面开任何形状的沟槽，都能产生动压效应对数螺旋槽产生的流体动压效应最强，用其作为气膜密封动压槽而形成的气膜刚度最大，及气膜密封的稳定性最好1.2 1.2 密封端面动压槽深度密封端面动压槽深度•流体动压槽深度与气膜厚度为同一量级时密封的气膜刚度最大动压槽深度一般在3—10微米在其余参数确定的情况下，动压槽深度有一最佳值1.3 1.3 密封端面动压槽数量、动压槽宽度、动压槽长度密封端面动压槽数量、动压槽宽度、动压槽长度•理论研究表明，气膜密封动压槽数量趋于无限时，动压效应最强不过，当动压槽达到一定数量后，再增加槽数时，对气膜密封性能影响已经很小此外，气膜密封动压槽宽度、动压槽长度对密封性能都有一定的影响气膜密封端面气膜密封端面结构构液膜密封端面液膜密封端面结构构气膜密封端面气膜密封端面结构构双向旋双向旋转功能的功能的￿“￿“T”型槽型槽气膜密封端面气膜密封端面结构构单向旋向旋转功能的端面螺旋槽功能的端面螺旋槽2. 操作参数对密封泄漏量的影响操作参数对密封泄漏量的影响2.1 密封直径、转速对泄漏量的影响密封直径、转速对泄漏量的影响•密封直径越大，转速越高，密封环线速度越大，气膜密封的泄漏量就越大。

 密封介质压力对泄漏量的影响密封介质压力对泄漏量的影响•不难想象，在密封工作间隙一定的情况下，密封气压力越高，气体泄漏量越大 介质温度、介质粘度对泄漏量的影响介质温度、介质粘度对泄漏量的影响•介质温度对泄漏量的影响是由于温度对介质粘度有影响而造成的介质粘度增加，动压效应增强，气膜厚度增加，但同时流经密封端面间隙的阻力增加因此，对密封泄漏量的影响不是很大气膜密封的功耗气膜密封的功耗密封尺寸及密封尺寸及转速速对泄漏量的影响泄漏量的影响压力、温度及气体性力、温度及气体性质对泄漏量的影响泄漏量的影响5.气膜密封典型气膜密封典型结构构压缩机用机用单端面气膜密封端面气膜密封(single dry gas seal) 工艺介质侧工艺介质侧大气侧大气侧洁净的阻塞气体洁净的阻塞气体阻塞气体泄漏阻塞气体泄漏压缩机双端面气膜密封机双端面气膜密封(double dry gas seal) 泄漏泄漏 泄漏泄漏 工艺流体侧工艺流体侧大气侧大气侧阻塞气体阻塞气体 压缩机串机串联式气膜密封式气膜密封(tandem seal)阻塞气体阻塞气体 工艺介质侧工艺介质侧大气侧大气侧泄漏泄漏 泄漏泄漏 压缩机机带级间迷迷宫密封的串密封的串联式气膜密封式气膜密封工艺侧工艺侧大气侧大气侧干净阻塞气体干净阻塞气体 中性阻塞气体中性阻塞气体 泄漏泄漏 中性阻塞气体中性阻塞气体 压缩机机带外置阻塞迷外置阻塞迷宫密封的串密封的串联式气膜密封式气膜密封阻塞密封气阻塞密封气 次级泄漏及阻塞次级泄漏及阻塞 泵用用双端面气膜密封双端面气膜密封泵用双端面气膜密封用双端面气膜密封泵用串用串联式气膜密封式气膜密封 低速低速搅拌器用气膜密封拌器用气膜密封6.气膜密封气膜密封监控控系系统压缩机用单端面压缩机用单端面气膜密封系统气膜密封系统（（API617API617））压缩机用双端面压缩机用双端面气膜密封系统气膜密封系统（（API617API617））压缩机用串联压缩机用串联式（带中间梳式（带中间梳齿）气膜密封齿）气膜密封系统系统（（API617API617））压缩机用串联压缩机用串联式（不带中式（不带中间梳齿）间梳齿） 气膜密封系气膜密封系统统（（API617API617））泵用串联式气膜密封监控系统泵用串联式气膜密封监控系统泵用双端面气膜密封监控系统泵用双端面气膜密封监控系统泵用干气密封控制盘泵用干气密封控制盘气膜密封的选择气膜密封的选择工艺气体是工艺气体是空气或氮气空气或氮气密封气体为空气或氮密封气体为空气或氮气气,允许向大气泄漏允许向大气泄漏工艺气体易燃、工艺气体易燃、易爆、有毒易爆、有毒密封气体密封气体 =外部工艺气体外部工艺气体 单端面气膜密封单端面气膜密封with tertiary seal可否得到可否得到分离气体分离气体?经用户同意选择经用户同意选择单端面气膜密封单端面气膜密封密封气体密封气体=工艺气体工艺气体否否否否否否否否是是否否是是是是是是是是阻塞气体阻塞气体=外部中性气体外部中性气体(惰性气体如惰性气体如N2)漏入大气漏入大气外部气体允许外部气体允许进入工艺流程进入工艺流程 双端面气膜密封双端面气膜密封串联式气膜密封串联式气膜密封+中间迷宫密封中间迷宫密封密封气体具有密封气体具有腐蚀性腐蚀性?否否否否需要辅助密封需要辅助密封及密封气体及密封气体串联式气膜密封串联式气膜密封是是是是 需要低流量阻需要低流量阻塞气体塞气体是是 单端面气膜密封单端面气膜密封否否外部工艺气体允许外部工艺气体允许进入工艺流程进入工艺流程气膜密封的气膜密封的选择程序程序。