管道帶壓開孔設(shè)備干氣密封的原理及設(shè)計方案

管道帶壓開孔設(shè)備干氣密封的原理及設(shè)計方案

干氣密封即“干運轉(zhuǎn)氣體密封”（Dry Running gas seals）是將開槽密封技術(shù)用于氣體密封的一種新型軸端密封，屬于非接觸密封。

干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(huán)和靜環(huán)是這種密封結(jié)構(gòu)的主要組成部分。當(dāng)動環(huán)高速旋轉(zhuǎn)時，因流體靜壓和動壓作用，動靜環(huán)之間的密封環(huán)端面間會形成一層氣膜，同時產(chǎn)生一個開啟力使密封動靜環(huán)分離開來。非接觸式密封減少了密封環(huán)之間的摩擦，且氣膜相對比較穩(wěn)定，可以減少泄漏量，減少磨損，提高密封性能和延長密封使用壽命，可靠性較高。

干氣密封是20世紀60年代末期在氣體動壓軸承的基礎(chǔ)上通過對機械密封進行改進并發(fā)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(huán)上增開了動壓槽以及隨之相應(yīng)設(shè)置了輔助系統(tǒng)而實現(xiàn)密封端面的非接觸運行。英國的約翰克蘭公司于70年代末期率先將干氣密封應(yīng)用到海洋平臺的氣體輸送設(shè)備上并獲得成功。干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(xiàn)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，特別適合做為高速高壓設(shè)備的軸端密封。

當(dāng)端面外側(cè)開設(shè)有流體動壓槽的動環(huán)旋轉(zhuǎn)時，流體動壓槽把外徑側(cè)（稱之為上游側(cè)）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，而自槽徑至內(nèi)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(huán)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態(tài)下。所形成的氣膜完全阻塞了相對低壓的密封介質(zhì)泄漏通道，實現(xiàn)了密封介質(zhì)的零泄漏或零逸出。

干氣密封與一般機械密封的平衡型集裝式結(jié)構(gòu)一樣，但端面設(shè)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，干氣密封在兩個密封面上產(chǎn)生了一個穩(wěn)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(dǎo)致泄漏量增加，密封效果較差；而密封間隙較小，容易使兩密封面發(fā)生接觸，因為干氣密封的摩擦熱不能及時散失，端面接觸無潤滑，將很快引起密封變形、端面過度發(fā)熱從而導(dǎo)致密封失效。這個氣膜的存在，既有效地使端面分開又使相對運轉(zhuǎn)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(qū)，外區(qū)域和內(nèi)區(qū)域，氣體進入開槽的外區(qū)域這些槽將壓縮進入的氣體，在槽根部形成局部的高壓區(qū)，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(yīng)，動壓槽必須開在高壓側(cè)。開槽的密封間隙內(nèi)的壓力增加對干氣密封的工作是至關(guān)重要的，它將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(wěn)定氣膜。密封的內(nèi)區(qū)域(即壩區(qū)) 是平面的，靠它的節(jié)流作用而限制了泄量。密封工作時端面氣膜形成的開啟力與由彈簧和介質(zhì)作用力形成的閉合力達到平衡，從而實現(xiàn)了非接觸運轉(zhuǎn)。干氣密封的彈簧力是很小的。主要目的是當(dāng)密封不受壓或不工作時能確保密封的閉合，防止意外發(fā)生。

干氣密封的特點：

密封性能好，壽命長，不需密封油系統(tǒng)，功率消耗少，操作簡單及運行維護費用低。干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(tǒng)，正取代浮環(huán)密封和迷宮密封而成為石化行業(yè)高速離心壓縮機軸封的主體密封。

干氣密封的適用場合：

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

模態(tài)分析是動力學(xué)分析的基礎(chǔ)部分，它為動力學(xué)分析中的諧響應(yīng)分析、譜分析以及瞬態(tài)動力學(xué)等分析打下了基礎(chǔ)，提供最基本的數(shù)據(jù)。需要分析的零件或結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型是模態(tài)分析計算的主要研究內(nèi)容， 應(yīng)用此分析得到所設(shè)計零部件的固有頻率和振型之后，就可以在工作中避開固有頻率值，預(yù)防由外界激勵而引起的共振，避免造成密封失效或者設(shè)備損害等后果。

帶壓開孔設(shè)備中的干氣密封為保持非接觸狀態(tài)，在設(shè)計中特別重要的一個數(shù)據(jù)是氣膜剛度，也就是浮力(即復(fù)原力)變化量和間隙變化量的比值，氣膜剛度越大， 干氣密封抗干擾能力越強，密封運行越穩(wěn)定可靠，干氣密封的設(shè)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(fā)生變化，密封性能越會穩(wěn)定。氣體動力學(xué)研究表明，當(dāng)干氣密封兩端面間的間隙在2～3μm時，通過間隙的氣體流動層最為穩(wěn)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(zhì)作用形成的閉合力達到平衡，于是密封實現(xiàn)非接觸運轉(zhuǎn)。理論研究表明，干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(yīng)用中，干氣密封的動壓槽深度一般設(shè)計在3～10μm，在其余參數(shù)確定的情況下，動壓槽深度有一最佳值。

干氣密封回轉(zhuǎn)部件在高速回轉(zhuǎn)時，為了確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(zhì)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(shù)低、熱傳導(dǎo)率高、質(zhì)量輕的材料。

　　另外，干氣密封雖是非接觸式密封，但在啟動和停止的過渡狀態(tài)，密封端面并不是完全張開的，氣膜剛度較小，會發(fā)生瞬間的接觸，如果由接觸摩擦引起的發(fā)熱過大，熱變形會使密封端面很難保持平行，導(dǎo)致進一步的接觸和損傷。因此干摩擦狀態(tài)下的耐磨損性及低摩擦系數(shù)在選用材質(zhì)時要充分考慮到。目前，干氣密封硬質(zhì)材質(zhì)大多選用硬質(zhì)合金碳化鎢、碳化硅，以及新開發(fā)的延性金屬材料。