浅谈干气密封的发展

2018-08-29林智

求知导刊 2018年15期

林智

摘要：文章系统介绍了干气密封的工作原理、密封结构及其分类，并与传统机械密封进行比较，阐述其优点。从螺旋槽干气密封的参数设计以及气体端面热效应这两个方面阐述了干气密封的研究现状，分析了国内干气密封技术存在的问题，最后指出干气密封技术的发展趋势及进一步研究的方向。

关键词：干气密封;密封结构;参数设计;研究现状;发展趋势

中图分类号：TB42 文献标识码：A

干气密封全称干式气体润滑机械密封，是一种新型的非接触旋转轴密封。这种密封采用气体作为密封介质，应用气体润滑技术，使两端密封表面被一层极薄的气膜分隔开，避免了密封端面间的接触磨损，使得构件具有轴承的承载能力和机械密封的密封性能。可以说，干气密封是气体动压轴承和机械端面密封相结合的产物。

由于密封非接触运行，密封摩擦副材料基本不受PV值的限制，特别适合作为高速、高压设备的轴封，解决了许多机械密封不能干运转的难题，而且相比传统的接触式机械密封，这类密封还具有无磨损、能耗低、维修少、寿命长等优点。

一、干气密封工作原理

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。当闭合力（气体静压力+弹簧力）等于气膜反力（流体动压力）时，该气膜厚度十分稳定。由于气体膜的形成，动静环运转时，端面不会直接接触，大大改善了密封端面的工作条件，使密封能长周期、安全运行。干气密封处于静止状态时，没有流体动压效应，靠密封坝与密封堰的紧密贴合起到密封作用。

二、干气密封结构

1.基本结构

利用流体动力学原理，通过在密封端面上开设动压槽（可以开在动环端面、也可以开在静环端面）而实现密封端面的非接触运行。

基本结构与普通接触式机械密封基本相同，典型的干气密封结构如图1所示，由旋转环、静环、弹簧、密封圈以及弹簧座和轴套组成。图2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。

干气密封与传统接触式机械密封相同与不同之处：

相同之处：干气密封基本结构与机械密封一样。干气密封工作与普通的液相泵用机械密封类似，主要由动环（随轴旋转）、静环（固定在机壳上，不随轴旋转）、弹簧元件、动静环辅助密封圈、其他结构元件组成。

不同之处：

①密封气为气体：密封的工作介质为干净的气体（用高精度过滤器<1μm过滤），密封的气体通常采用惰性氮气。②密封端面开有动压槽：干气密封的动或静环中有一个端面上开有流体动压槽。③正常运行时端面不贴合;静止状态密封端面紧密贴合，运行状态密封端面不接触。④干气密封在处于静止状态时，保持密封面的密封坝与密封堰紧密贴合。⑤干气密封处于旋转状态时，动环随轴旋转，由于其中一个密封环端面开有流体动压槽，在流体动压效应的作用下，动、静环密封面的被一层薄气膜（约3μm厚的气膜）分开，密封端面处于非接触状态运行，实现无磨损运转。⑥弹簧比压比机械密封小：为了保证密封端面运转时打开，补偿环密封圈的摩擦阻力不能大，弹簧比压设计也比普通机械密封的小。⑦补偿环密封圈的摩擦阻力不能忽略。⑧密封端面的流体动压效应与槽形有关。⑨需要一个密封气控制系统。控制系统是干气密封不可缺少的重要组成部分。

2.双端面干气密封

双端面干气密封的主要特点（与双端面普通机械密封比较）：

①环保型密封、实现介质对大气的“零泄漏”。用带压密封气替代带压密封液;保证工艺介质不向大气泄漏。②功率消耗小。整套密封非接触运行，其功率消耗仅为传统双端面密封的5%。③使用寿命长。干气密封使用寿命长达3～5年，普通机械密封一般1年。④传统双端面机械密封必须采用复杂的油系统。⑤密封气（氮气或仪表风）无毒，对大气无污染。⑥共用动环双端面干气密封轴向尺寸紧凑，特别适合密封腔长度较短的离心泵。⑦要求密封气源必须可靠，气源压力必须高于介质0.15～0.2MPa.;一旦低于介质压力，密封有被损坏的危险。⑧密封气必须经过过滤器，保证密封气干净（固体杂质颗粒<1微米）。⑨为防止泵切换时的抽空，也可加泵腔排气系统。

3.串联式干气密封

串联式干气密封主要特点：

①干氣密封与接触式机械密封串联使用，机械密封为主密封，干气密封为次密封。②干气密封与主密封（接触式机械密封）间通入氮气，保证主密封具有一定背压（但小于介质压力）。③主密封泄漏的易挥发工艺介质随密封气排入火炬，不易挥发介质排入泄漏收集罐定点排放，保证工艺介质不向大气泄漏，是一种环保型密封。④主密封失效后，干气密封短时间内可以起到主密封作用，防止工艺介质向大气大量泄漏。⑤密封使用寿命取决于机械密封的使用寿命，一般在2～3年左右。⑥密封气偶尔中断也不会对密封产生太大影响。

三、干气密封的分类

1.根据旋转方向分类

（1）单向旋转。单向旋转密封构件属于非对称结构，使其不能够进行双向旋转。它在单向旋转过程中，能够产生较好的动压效应和密封效果，但是一旦构件发生反向旋转，端面无法打开，就会使得整个密封系统会受到破坏，导致密封的失败。单向旋转密封有螺旋槽、人字形槽等，其中，最为典型的是螺旋槽干气密封。

（2）雙向旋转。双向旋转式干气密封属于对称结构，这项特点使得其可以双向旋转，不受方向的限制，所以，它相对于单向旋转密封安装简便很多，节省人力资源。目前，研究成果最为成熟的是以下三种：T型槽干气密封、U型槽干气密封、枞树型干气密封，这三类均具有较好的动压效应和密封效果。

2.根据动压槽的深度分类

（1）深度是微米级别数量级的，如矩形槽、螺旋槽、弧形槽等。这类槽型是由两个密封端面之间流体的动压效应产生平衡闭合力，能够产生较大的开启力。

（2）深度为毫米级别数量级的。这种槽型深度比较大，因此密封介质一般为液体。密封环的开启主要依靠静压效应来实现。

四、干气密封的研究进展

随着干气密封技术的成熟和其产品的发展与广泛应用，国内相关研究机构以及各高校也相继对干气密封进行了研究，这对干气密封技术的应用具有十分重要的指导意义。笔者通过阅读大量的文献，从螺旋槽干气密封的参数设计以及气体端面热效应这两个方面对干气密封近年来的研究热点和成果进行了总结和综述。

1.螺旋槽干气密封的参数设计

影响干气密封性能的主要因素有：密封端面开槽的形状、槽形的几何参数以及其操作参数。目前最为常用的端面槽形是螺旋线形，国外的研究者Josef Sedy也证明了螺旋槽是最适合于干气密封的槽形。然而，早年在工程实践中，有些螺旋槽干气密封并没发挥出它的最大作用，其原因主要是槽形的几何参数选择不恰当，没有实现槽形几何参数的最佳配合。为此，国内众多学者投入研究。

陈建平通过采用坐标变换的方法对圆柱形气体螺旋槽密封的控制方程进行一系列复杂的计算，分析及得出密封性能的主要设计参数如螺旋角α、槽数n等对密封压力的影响规律，并通过大量实验对比验证，得出了螺旋槽机械密封的主要设计参数选取范围。林培峰等基于可压缩气体雷诺方程，采用伽辽金法对螺旋槽干气密封进行了有限元分析，得到了在VisualC++6.0平台上的干气密封有限元计算软件，并验证其正确性。南小妮等采用了Fluent等多个软件对螺旋槽气体密封的三维流场进行数值模拟及分析研究，得出的数值结果与理论解析结果基本吻合。蒋小文等采用有限元法对螺旋槽干气密封端面间气体的流动过程进行了数值模拟研究，得到了螺旋槽端面间气膜的压力分布规律，并对主要的密封性能参数进行了计算，分析得出了这些参数对密封性能的影响规律。丁雪兴等运用PH线性化方法、迭代法求解得出了气体动压和速度分布的解析解，继而利用多目标优化方法求解并获得了最佳的螺旋槽几何参数值。李凤芹等通过对螺旋槽干气密封气体稳态流动进行一系列的数值模拟及分析，得出了气膜压力的分布规律以及对密封的影响。宋鹏云等对《螺旋槽非接触端面密封基本原理》一文中的端面气膜压力的控制方程进行了验证，并指出方程存在的错误并进行了修正。宋鹏云等采用氢气的实际气体方程对螺旋槽窄槽理论的气膜压力控制方程进行修正及求解，得出实际气体行为对密封的泄漏率有较大的影响，而对端面气膜压力和端面开启力影响不大。彭旭东等基于气体润滑理论，在中压和低压条件下，对螺旋槽干气密封的动压开启力增长率、气膜刚度和刚漏比等密封特性参数进行分析，获得了螺旋槽干气密封在中低速旋转情况下的优选值范围。陆俊杰等通过软件的分析模拟及实验的方法，得出了在高压高速旋转的情况下螺旋槽干气密封在非接触状态下，以根部大压降引起的热耗散所产生的温升为主以及接触状态下，以固体壁面间摩擦产热为主的温度分布规律。

2.气体端面热效应

影响密封端面温度分布的主要因素有：主轴的转速、介质的粘度、密封腔的压力以及密封环的材料等。近年来，国内学者的研究焦点在于解决气膜温度变化对密封性能影响，以至于可以解决热变形导致的密封端面磨损失效问题，实现气体端面密封的可持续可控运转。

李娜等采用有限元分析法以及进行大量研究和模拟实验，建立了稳态T型槽干气密封的动、静环温度场的模型，获得了温度分布规律及热变形规律，并得出热变形的主要因素，最后提出干气密封环的优化方案。朱维兵等通过热平衡分析和模型简化建立了固体导热微分方程，并应用ANSYS软件建立静压干气密封动、静环温度场有限元分析模型，获得了动、静环的温度分布规律。李娜等通过对干气密封副的结构进行了分析，建立了密封副的物理模型和热平衡时的数学模型，继而运用数值方法在ANSYS分析软件的基础上对动环进行了热分析，得到了动环稳态温度分布以及动环稳态温度梯度分布。秦小屿等通过运用有限元分析软件ANSYS，分析获得了T型槽干气密封工况参数、材料参数、几何参数等对密封环热变形的影响。丁雪兴等通过推导求解在高压、高速旋转、速度滑移的情况下的气膜能量微分方程，继而运用Matlab软件模拟计算得到气膜的温度分布。王延忠等通过使用有限元分析软件ANSYS进行干气密封端面热力变形的正交仿真模拟，确定密封环的端面优选结构参数，并获得密封动环的热变形及动环材料属性对密封特性的影响。

五、目前存在的问题

1.基础研究工作薄弱

国内在干气密封的理论研究方面尚较薄弱，投入的资源也较缺乏。仅在一些大学（如中国石油大学、北京化工大学、华东理工大学、兰州理工大学等）和少数研究所（合肥通用机械研究所等）开展了研究课题，进行专题研究。而国外密封产品制造企业则是有专项资金拨出、设立专项研究所或以与大学长年合作的方式，开展专题研究工作。另外，我国相关技术研究人员与国外的交流少，参加国际密封的学术会议人员少、高水平论文少、申报专利数量少，以及缺乏超前开发意识。

2.产品结构陈旧、加工水平落后、缺乏创新改造

我国许多密封结构仍在沿用国外20世纪50年代的结构，在很多方面都不能达到需求，应在这方面加快发展，多给予研究。目前，生产条件和加工工艺水平的落后是制约我国密封产品发展的“瓶颈”。沟槽的加工是制造密封结构的关键技术，虽然激光加工技术已被大多数研究人员认可，但如何降低其加工成本以及如何形成通用的高精度自动加工系统是急需解决的问题。

3.高参数密封可靠性较差

据不完全统计，在炼油企业中（多为高温或高压密封），导致叶片泵非计划维修的主要原因是密封设备的失效。在化工企业，密封设备的平均装机寿命大约也只有5.5个月;而在连续生产的装置上，一般都要求密封设备能保证1年以上的寿命。但实际只有不到20%的产品可以满足这一要求，显然这类密封产品的可靠性问题应引起高度重视。

4.密封用材性能较差

随着对外商务接触及技术交流，国内不少企业直接或间接将产品送到国外的一些密封公司进行材料检测，包括硬质合金、石墨、碳化硅、氧化铝、锥形密封用热压铸钢等。从检测报告看，普遍存在性能不稳定，与国外差距大，品种规格少，对高参数工况或介质具有强腐蚀性、含有磨料颗粒等情况，传统材料不能完全满足要求。

六、发展趋势

二十世纪八九十年代，干气密封的理论研究主要是以提高密封本身的稳定性和降低泄漏量为主要目的。综合目前其他密封型式、气体轴承以及摩擦、磨损和润滑方面的研究现状，笔者认为以下几个方面将代表今后干气密封技术的主要研究方向。

1.理论研究

对系统非线性动力学行为进行研究，内容涉及系统轴向、角向及其耦合非线性振动分析和稳定性控制，寻求提高抗振、稳定性好且泄漏量小的密封结构的几何参数值最佳范围，实现控制失稳、分岔和混沌运动的设想，为干气密封优化设计、稳定控制及故障诊断提供理论基础。

2.密封设计

干气密封的设计通常是根据给定工况与要求，参照国内外同类或者类似产品的结构型式初步选取参数，然后进行工作性能的计算，如果满足要求则设计完成，不满足则改进参数甚至型式，直到满足要求为止。随着计算机技术的发展，密封设计将由传统的设计方法发展到优化设计和运用专家系统设计。运用优化设计和专家系统可有效地提高设计质量、水平和周期。

3.结构型式

开发具有密封补偿能力、高性能、稳定性高的新型结构，如波紋管式螺旋槽干气密封，这是近几年来国外气体密封技术发展的一个热点。这种结构的气体密封能够适用于多种使用条件，并且泄漏量可控制在非常低的水平。

4.开槽技术

干气密封产品制造的关键是密封端面上沟槽的加工。由于密封面上动压槽非常浅，而且对槽深精度要求高，一般的机械加工是无法实现的。因此提高干气密封性能、降低产品价格的关键是研究开发低成本、高精度的开槽技术和加工工艺。目前，随着激光技术应用的成熟和成本降低，高质量的密封槽将越来越多地采用激光加工。这是因为激光加工不但能保证各动压槽深度一致，而且能够加工任何形状的动压槽，而且利用计算机控制能保证很高的槽形加工精度。

5.试验研究

先进的实验手段、实验设备和虚拟仪器的引入，测试非线性振动量等，将会促进人们加深对螺旋槽干气密封理论及设计的认识。