流体动密封技术学习小结

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随着安全环保要求的不断提高及无泄漏等管理要求的发展,各石化、化工企业对流体密封技术的要求也越越来越高。流体密封是防止或限制流体泄漏的工程技术或零部件,起密封作用的零部件通常称之为密封件,放置密封件的部位称为密封腔,较复杂的密封特别是带有辅助系统的密封,称为密封装置,被密封的流体包括气体、液体、以及气体/液体混合物、气体/液体/固体颗粒混合物。泄漏是指具有负面作用的质量迁移,被密封的流体通常以三种形式泄漏:穿漏、渗漏和扩散。穿漏是在压力差作用下通过密封间隙引起的质量迁移(包括漏出和漏入);渗漏是在表面张力作用下通过密封件材料的毛细管的质量迁移;扩散是在浓度差作用下通过密封间隙的质量迁移。

流体动密封的主要形式有:1、接触式动密封,主要分类为:填料密封和接触式机械密封等;2、非接触式动密封,主要分类为:非接触式机械密封、迷宫密封、浮环密封、间隙密封、螺旋密封、离心密封、磁流体密封等;3、组合式密封。

填料密封包括:①软填料密封,应用于部分离心泵、真空泵、搅拌机、往复泵往复压缩机的柱塞或活塞杆;②硬填料密封(活塞环、分瓣环、锥形环),主要是依靠阻塞为主兼有节流来实现密封,主要用于蒸汽机、内燃机、活塞式压缩机等;③成型填料密封(O形圈、V形圈等),按材质分橡胶类、塑料类、皮革类及软金属类。应用最广的是橡胶密封圈;④油封和防尘密封,油封即润滑油密封,多用于润滑油系统中作为油泵的轴承密封,主要功能是把油腔和外界隔离,对内封油,对外防尘,油封的密封圈都是由各种合成橡胶制成,主要由油封本体、加强用骨架及自紧用弹簧组成。

机械密封:机械密封是靠一对或几对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力(或磁力)作用下以及辅助密封的配合下保持接合并相对滑动而达到的阻漏的轴封装置。常用机械密封结构由常用机械密封结构由静止环(静环)1、旋转环(动环)2、弹性元件3、弹簧座4、紧定螺钉5、旋转环辅助密封圈6和静止环辅助密封圈8等元件组成,防转销7固定在压盖9上以防止静止环转动。旋转环和静止环往往还可根据它们是否具有轴向补偿能力而称为补偿环或非补偿环。

机械密封中流体可能泄露的途径:1:机械密封的主密封,动环与静环的端面贴合作相对滑动的动密封,决定机械密封性能与寿命的关键。因此,密封端面的加工要求很高,压力过高,不容易形成润滑油膜,压力过小,泄漏量大,所以,必须保持适当的单位面积压力值;2:动环与轴(轴套)之间的密封,当端面磨损后,它仅仅能追随补偿环沿轴向作微量的位移,实际上是一个相对的静密封;3:静环与密封压盖之间的密封;4:密封压盖与壳体之间的密封;5:轴套与轴之间的密封。

机械密封API标准冲洗方案:

1、PLAN11出口自冲洗:介质由泵的出口经管线进入机械密封实施冲洗。适用情况:(1)清洁介质(介质本身须清洁)(2)介质温度不高于℃(3)泵进出口间的压差不能大于10Bar(大于10Bar.则需设节流阀);

2、PLAN13入口自冲洗:介质由入口经管线进入机封实现液体的循环流动。适用情况:(1)泵进出口压力差大于10Bar(2)清洁介质(3)介质温度不高于℃;3、PLAN21出口冷却自冲洗:介质由泵的出口经冷却器降温后,再进入机械密封,实现对密封的冷却。适用情况:(1)介质温度高于℃(2)清洁介质;

4、PLAN23密封腔内冷却自冲洗:从密封腔内的输液环,通过冷却器回到密封腔冲洗机封的循环过程,应用场合:高温条件下,热碳氢化合物,高于80°C锅炉给水和热水,清洁、非聚合流体;

5、PLAN31:从泵出口经旋液分离器对密封进行冲洗,离心分离出的固体颗粒返回泵入口。应用场合:不干净或被污染的液体,含有砂子或管渣的水、非聚合液体;

6、PLAN32:从外部清洁源对密封进行冲洗。应用场合:不干净或被污染的液体、纸浆、高温工况、聚合和/或氧化液体;

7、PLAN41:从泵出口经旋液分离器和冷却器对密封进行冲洗,结合21方案和31方案。应用场合:高温工况,通常低于℉(℃)、不干净或被污染的液体,含有砂子或管渣的水、非聚合液体;

8、PLAN52不加压冷却方式:利用压力小于工艺流体压力但不低于大气压力的阻隔流体,注入密封室中,由于隔流体压力小于工艺流体压力,少量工艺流体泄漏至阻隔流体中,被阻隔流体出密封室,到密封系统或放空系统中进行处理,从而避免工艺流体的直接排放大气和环境的污染。技术要求:(1)低压阻隔流体防止渗漏,但阻隔液压力不得低于O.7公斤/厘米(2)阻隔流体须清洁,润滑,且和介质相溶(3)阻隔流体的流向应与轴的旋向相同。适应场合:低沸点、易汽化的介质、危险品、不允许介质被污染的制药行业;

9、PLAN53加压冷却方式:利用压力大于工艺流体和大气压力的阻隔流体注入密封室中,由于阻隔流体压力大于工艺流体压力,防止了工艺流体向阻隔流体的泄漏,从而有效地防止工艺流对大气和环境的污染。技术要求:(1)阻隔流体压力至少比密封腔压力高1—2公斤/厘米(2)阻隔流体须清洁、润滑,且和介质相溶(3)阻隔流体的流向应与轴的旋向相同。适应场合:易结晶或固化的介质、易聚合介质、常温含颗粒的介质;

10、PLAN54加压冷却方式:利用加压泵给阻隔流体加压,压力比工艺流体压高1—2公斤/厘米2一方面,提高阻隔流体的循环速度,加快对密封面的冷却;另一方面,阻止工艺流体通过内侧密封向阻隔流体系统的泄漏,避免工艺流体对大气和环境的污染。技术要求:(1)阻隔流体压力比密封腔内工艺流体压力高1—2公斤/厘米(2)阻隔流体须清洁、润滑,且和介质相溶(3)阻隔流体的流向应与轴的旋向相同。适应场合:高温含颗粒的介质、热流体、低温介质;

11、PLAN62:密封大气侧的外部急冷,急冷流体通常是蒸汽、氮气或水。应用场合:与单密封一起使用、氧化液体或结焦的液体、热烃、结晶液体或盐析液体、腐蚀性、低于0℃的冷液体;

12、PLAN72:未加压缓冲气体控制系统、安全密封通常采用氮气作为缓冲气体。应用场合:与双封布置未加压安全密封(串联)一起使用、高饱和蒸汽压液体,轻烃、危险或有毒液体、清洁的、非聚合、非氧化液体、与75方案和/或76方案结合使用。

13、PLAN74:加压隔离气体控制系统、干气密封通常采用氮气作为隔离气。应用场合:与加压双干气密封一起使用、高饱和蒸汽压液体,轻烃、危险或有毒液体、工况通常不能采用隔离液、清洁的非聚合液体、合适温度液体;

14、PLAN75:从安全密封腔体排出至液体收集系统和气体回收系统。应用场合:应用于安全密封时可以单独使用或与72方案一起使用、流体在室温下冷凝、低饱和蒸汽压流体,轻烃、危险或有毒液体、清洁的、非聚合、非氧化液体;

15、PLAN76:从安全密封腔至气体回收系统的排气。应用场合:应用于安全密封时可以单独使用或与72方案一起使用、流体在室温下不冷凝、高饱和蒸汽压液体,轻烃、危险或有毒液体、清洁的、非聚合、非氧化液体。

迷宫密封是在转轴周围设若干个依次排列的环行密封齿,齿与齿之间形成一系列截流间隙与膨胀空腔,被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的,它利用节流降压来减小气体的泄漏量,通过抽气与充气可以密封危险性气体,其优点是:非接触式、使用寿命长、结构简单、制造成本低、维护方便;但存在的缺点是:泄漏量大、运行维护费用高、加工精度高,难于装配、有环境污染的危险。它主要用于密封气体,在汽轮机,燃气轮机、压缩机、鼓风机的轴端和级间均广泛采用迷宫密封。对一般密封所不能胜任的高温、高压、高速和大尺寸密封部位特别有效。迷宫密封的工作原理:由于在转轴的周围依次排列着许多环形密封齿,当气体经过每一个密封齿时,气流经间隙高速进入环形空腔后,突然膨胀而产生强烈的漩涡,使气流的大部分能量转化为热量而散失掉,使焓值恢复到接近于间隙前的值,这时气体压力逐级下降,从而达到密封的效果。

浮环就是处于转轴上,位于浮环密封腔内的两个与转轴具有较小间隙的圆环,封油注入浮环密封腔后,沿浮环间隙向内浮环内侧和外浮环外侧泄漏,由于转子处于高速旋转状态,流入浮环间隙内的封油,在旋转轴的作用下形成了具有一定承载能力的油膜,该油膜一方面将浮环抬起,使浮环与轴颈间实现液体润滑,从而减轻摩擦、降低磨损,另一方面,由于油膜充满了整个浮环间隙,所以阻止气体介质外漏,从而起到了密封的作用。浮环密封由内浮环(介质侧浮环)、外浮环(大气侧浮环)、浮环座、压盖、弹簧、防转销组成。在工作时,浮环受力情况与轴承相似,所不同的是,对轴承而言,轴浮动而轴瓦固定不动,因此当轴转动而产生油膜力时,会将轴抬起;而对浮环来说,由于浮环重量很小,故轴转动而在浮环与轴的间隙中产生油膜浮力时,浮起的将是浮环,轴是相对固定的。根据轴承油膜原理知道,浮环与轴完全同心,则不会产生油膜浮力,反之,如浮环与轴承偏心,则轴转动时会产生油膜浮力,这浮力使浮环浮起而使偏心减小。当偏心减小到一定程度,即对应产生的浮力正好与浮环重量相等时,便达到了动态平衡。由于浮环很轻,因此这个动态平衡时的偏心是很小的,即浮环会自动与轴保持基本同心。

浮环密封结构简图:

干气密封是干运转、气体润滑、非接触式机械端面密封的简称,它是一种非接触性、靠气膜润滑、以气封气的新型密封技术,具有低功耗、长寿命、高可靠性、低运行维护费用等特点。典型的干气密封结构如下图所示,由旋转环、静环、弹簧、密封圈以及弹簧座和轴套组成:

下图所示为干气密封旋转环示意图,旋转环密封面经过研磨、抛光处理,并在其上面加工出有特殊作用的流体动压槽:

干气密封旋转环旋转时,密封气体被吸入动压槽内,由外径朝向中心,径向分量朝着密封堰流动,由于密封堰的节流作用,进入密封面的气体被压缩,气体压力升高,在该压力作用下,密封面被推开,流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜,此气膜厚度一般在3微米左右。气体动力学研究表明,当干气密封两端面间的间隙在2—3微米时,通过间隙的气体流动层最为稳定,当气体静压力、弹簧力形成的闭合力与气膜反力相等时,该气膜厚度十分稳定。正常条件下,作用在密封面上的闭合力(弹簧力和介质力)等于开启力(气膜反力),密封工作在设计工作间隙。当受到外部干扰,气膜厚度减小,则气膜反力增加,开启力大于闭合力,迫使密封工作间隙增大,恢复到正常值。相反,若密封气膜厚度增大,则气膜反力减小,闭合力大于开启力,密封面合拢恢复到正常值。因此,只要在设计范围内,当外部干扰消失以后,气膜厚度就可以恢复到设计值。

干气密封具有如下优点:1、密封使用寿命长、运行稳定可靠;2、密封功率消耗小,仅为接触式机械密封的5%左右;3、与其他非接触式密封相比,干气密封气体泄漏量小,可实现介质的零逸出,是一种环保型密封;4、密封辅助系统简单、可靠,使用中不需要维护。




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