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管道帶壓開孔設備幹氣密封的原理及設計方案
欄目:帶壓開孔工程 發布時間:2019-06-25 作者: 天津先鋒 來源: 原創

管道帶壓開孔設備幹氣密封的原理及設計方案

幹氣密封即“幹運轉氣體密封”(Dry Running gas seals)是将開槽密封技術用于氣體密封的一種新型軸端密封,屬于非接觸密封。

幹氣密封是最常用的一種非接觸式密封方式之一,在高壓管道帶壓開孔中,動環和靜環是這種密封結構的主要組成部分。當動環高速旋轉時,因流體靜壓和動壓作用,動靜環之間的密封環端面間會形成一層氣膜,同時産生一個開啟力使密封動靜環分離開來。非接觸式密封減少了密封環之間的摩擦,且氣膜相對比較穩定,可以減少洩漏量,減少磨損,提高密封性能和延長密封使用壽命,可靠性較高。

幹氣密封是20世紀60年代末期在氣體動壓軸承的基礎上通過對機械密封進行改進并發展起來的一種新非接觸式密封,實際上主要就是通過在機械密封動環上增開了動壓槽以及随之相應設置了輔助系統而實現密封端面的非接觸運行。英國的約翰克蘭公司于70年代末期率先将幹氣密封應用到海洋平台的氣體輸送設備上并獲得成功。幹氣密封最初是為解決高速離心式壓縮機軸端密封問題而出現的,由于密封非接觸式運行,因此密封摩擦副材料基本不受PV值的限制,特别适合做為高速高壓設備的軸端密封。

當端面外側開設有流體動壓槽的動環旋轉時,流體動壓槽把外徑側(稱之為上遊側)的高壓隔離氣體泵入密封端面之間,由外徑至槽徑處氣膜壓力逐漸增加,而自槽徑至内徑處氣膜壓力逐漸下降,因端面膜壓增加使所形成的開啟力大于作用在密封環上的閉合力,在摩擦副之間形成很薄的一層氣膜從而使密封工作在非接觸狀态下。所形成的氣膜完全阻塞了相對低壓的密封介質洩漏通道,實現了密封介質的零洩漏或零逸出。

幹氣密封與一般機械密封的平衡型集裝式結構一樣,但端面設計有所不同,表面上有幾微米至十幾微米深的溝槽,端面寬度較寬。與一般潤滑機械密封不同,幹氣密封在兩個密封面上産生了一個穩定的氣膜。這個氣膜具有較強的剛度使兩個密封端面完全分離,并保持一定的密封間隙,這個間隙不能太大,一般為幾微米。密封間隙太大,會導緻洩漏量增加,密封效果較差;而密封間隙較小,容易使兩密封面發生接觸,因為幹氣密封的摩擦熱不能及時散失,端面接觸無潤滑,将很快引起密封變形、端面過度發熱從而導緻密封失效。這個氣膜的存在,既有效地使端面分開又使相對運轉的兩端面得到了冷卻,兩個端面非接觸,故摩擦、磨損大大減小,使密封具有長壽命的特點。

開槽的密封面,分為兩個功能區,外區域和内區域,氣體進入開槽的外區域這些槽将壓縮進入的氣體,在槽根部形成局部的高壓區,使端面分開,并形成一定厚度的氣膜,為了獲得必要的泵送效應,動壓槽必須開在高壓側。開槽的密封間隙内的壓力增加對幹氣密封的工作是至關重要的,它将保證即使在軸向載荷較大的情況下,密封也能形成一個不被破壞的穩定氣膜。密封的内區域(即壩區) 是平面的,靠它的節流作用而限制了洩量。密封工作時端面氣膜形成的開啟力與由彈簧和介質作用力形成的閉合力達到平衡,從而實現了非接觸運轉。幹氣密封的彈簧力是很小的。主要目的是當密封不受壓或不工作時能确保密封的閉合,防止意外發生。

幹氣密封的特點:

密封性能好,壽命長,不需密封油系統,功率消耗少,操作簡單及運行維護費用低。幹氣密封作為不需任何密封端面冷卻和潤滑用油的無維修密封系統,正取代浮環密封和迷宮密封而成為石化行業高速離心壓縮機軸封的主體密封。

幹氣密封的适用場合:

離心式壓縮機等高速等高速流體機械,适用于少量工藝氣洩漏到大氣中無危害的工況,如空壓機,氮壓機等。

模态分析是動力學分析的基礎部分,它為動力學分析中的諧響應分析、譜分析以及瞬态動力學等分析打下了基礎,提供最基本的數據。需要分析的零件或結構的固有頻率和振型是模态分析計算的主要研究内容, 應用此分析得到所設計零部件的固有頻率和振型之後,就可以在工作中避開固有頻率值,預防由外界激勵而引起的共振,避免造成密封失效或者設備損害等後果。

帶壓開孔設備中的幹氣密封為保持非接觸狀态,在設計中特别重要的一個數據是氣膜剛度,也就是浮力(即複原力)變化量和間隙變化量的比值,氣膜剛度越大, 幹氣密封抗幹擾能力越強,密封運行越穩定可靠,幹氣密封的設計就是以獲得最大的氣膜剛度為目的而進行的。從理論上講,氣膜剛度越大,間隙越不易發生變化,密封性能越會穩定。氣體動力學研究表明,當幹氣密封兩端面間的間隙在23μm時,通過間隙的氣體流動層最為穩定。在此厚度的氣膜下, 由氣作用力形成的開啟力與由彈簧力和介質作用形成的閉合力達到平衡,于是密封實現非接觸運轉。理論研究表明,幹氣密封流體動壓槽深度與氣膜厚度為同一量級時,密封的氣膜剛度最大。在實際應用中,幹氣密封的動壓槽深度一般設計在310μm,在其餘參數确定的情況下,動壓槽深度有一最佳值。

幹氣密封回轉部件在高速回轉時,為了确保一定的密封端面面積,外徑一般比較大。因此在選擇耐磨材質時,既要考慮到高強度,還要考慮到不易變形,往往選用楊氏彈性率高、熱膨脹系數低、熱傳導率高、質量輕的材料。

  另外,幹氣密封雖是非接觸式密封,但在啟動和停止的過渡狀态,密封端面并不是完全張開的,氣膜剛度較小,會發生瞬間的接觸,如果由接觸摩擦引起的發熱過大,熱變形會使密封端面很難保持平行,導緻進一步的接觸和損傷。因此幹摩擦狀态下的耐磨損性及低摩擦系數在選用材質時要充分考慮到。目前,幹氣密封硬質材質大多選用硬質合金碳化鎢、碳化矽,以及新開發的延性金屬材料。

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