机械密封在离心压缩机上的应用

于震远

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

从目前的实际情况来看，机械密封对机械设备的重要性逐渐显现出来。随着产品技术的不断提升和节能要求的逐步提高，对机械密封的应用要求也不断攀升。至于机械密封，它的实际密封效果会给整机带来直接影响，特别是在易燃、易爆等介质条件下，一旦出现问题，就会给机械密封的正常运行带来直接影响，甚至可能引发严重的安全事故。

1 机械密封探讨

机械密封（也称为单面密封）是由垂直于泵轴的一对或多对动态和静态环接触表面组成的密封装置。相对旋转以保持附着力并防止由于泵的中压和补偿弹簧力的共同作用而导致的泄漏。它主要用于旋转轴的密封装置，例如，泵、压缩机和液压驱动器。其主要功能是容易泄漏的轴封改造成难泄漏端面机械密封。工况下，动静环之间形成了一层非常薄的液膜，既能实现介质的密封，又能起到润滑作用，减少摩擦副磨损。

2 机械密封的特点

机械密封具有可靠、使用寿命长等优势。如果机械密封中的密封填料（密封环或密封圈）失效，就有发生泄漏的可能，但是，机械密封在正常使用的过程中是不允许出现泄漏的，一旦泄漏，就要更换机械密封，其具体特点如下：（1）机械密封将其改换为与轴垂直的端面密封，从而将软填料、轴和轴套之间的摩擦改换为静动环之间的摩擦，它和轴一起转动，所以不会与轴、轴套之间发生相对运动，消除了轴与轴套因摩擦产生的损耗。（2）运用到实际中的端面都是被精密的仪器加工过的，有着非常高的表面粗糙度与平面度，非常有效地提升了密封的效果。（3）定位的方式很特别，能够保证很高的同心性，减少了偏心导致的损耗。（4）在安装机械密封时，需要计算机械密封弹簧压缩量（集装式机械密封除外），同时，确保结构中使用的密封圈和弹簧有一定的补偿能力，因此，对维修人员技术要求较高。

3 干气密封技术的应用分析

3.1 干气密封的结构

干气密封件的总体结构由活动环（也称为旋转环）、固定环、定位环、弹簧座和轴套组成。固定环固定在不锈钢弹簧座上，使用的材料是具有自润滑性能的相对较软的碳石墨。静环不随轴旋转，而是通过弹簧和介质的力沿轴向移动。通常，动环由钨和碳化硅硬质合金（通常使用的碳化钨和碳化硅）制成，具有高硬度、良好的刚度和很强的耐磨性。动环组件的表面通常被螺旋加工成特定形状的浅槽。靠近内径侧的动环称为密封坝，螺旋槽之间的区域称为密封磨损。旋转时，密封气体从外径到中心被吸入动压槽，并且径向元件被引入密封堰。密封堰起到节流的作用，压缩进入密封表面的气体（螺旋槽）并增加压力。气流进入螺旋槽的根部，并被密封坝阻挡。在结合气钉和弹簧力的作用下，当关闭压力等于气膜的打开压力时，形成稳定的间隙。

3.2 干气密封的失效、泄漏分析及相应对策

（1）结构设计方面的问题。气体的静态压力和由弹簧力形成的闭合力必须与气体膜的反作用力相匹配，因此，干式气密封设计可以保持非常稳定的2～3微米的气体膜厚度。当结构不合适且动环旋转时，间隙过大，密封件泄漏，间隙过小，容易引起干摩擦。另外，在动环的槽设计中，通常使用螺旋槽，并且由旋转引起的动压效果最大，并且所得的干气密封气膜具有最大的刚性和稳定性。另外，研究表明，如果将槽壁的厚度设定为与气膜厚度相同的顺序，则气膜的密封刚性也最大。如上所述，气膜的厚度通常最稳定在约3微米。当动静环结构的设计通常被设计成具有3微米的厚度时，实际上，干气密封件动压槽的壁厚通常在10微米以内，即干气密封件动压槽壁的数量、宽度和长度。密封效果有特殊效果。

（2）安装干气密封的失效原因。与普通的机械密封不同，干式气体密封在移动环和固定环的配合表面之间需要相对稳定的间隙，并且通常相对较薄。空气密封约3微米。因此，必须在干气密封的静态和动态环的两个配合之间保持清洁、光滑和干燥。干气密封件的主要故障是由于密封件的污染，而主要的污染源是设备中的工艺气体，密封气源和轴承润滑剂，气体进入封闭腔体时产生的固体颗粒。注意清洁和干燥配合表面，以确保干净的安装环境，尤其是在安装过程中。安装时，操作员应戴上干净的手套，安装后的密封孔应干净干燥，以减少杂质。

（3）密封供气系统失效原因。干气密封在动环和静环之间的间隙约为3微米。间隙直接由密封气体密封，这对密封气体供应系统提出了更高的要求。不仅在安装过程中，而且在使用过程中，都必须实现干气密封件的清洁和干燥。此方法应使用专用线路作为密封气体的来源，并且密封气体的压力和流量不应改变。同时，在进入密封面之前，应先安装气源缓冲罐、粗滤器和细滤器，以防止杂质和液体进入密封面，使密封气体中的杂质含量不超过规定值。在操作过程中，应注意适当提高主密封气体的温度，以定期切水和液体，蒸发主密封气体的冷凝水，并减少或防止冷凝水的产生。

（4）开车、停车对干气密封的影响。当离心压缩机启动和停止时，速度非常慢，动环和静环彼此接触，并且尚未形成一定厚度的气膜。这增加了密封表面的磨损。对于干气密封的长期运行，应避免长期低速运行。在停止或运行设备时，使用压缩机曲柄是维护机器的重要手段，但是，使用曲柄会导致低速运行。如果使用干气密封，则离心压缩机的启动时间不应超过10分钟。此外，设备应减少停机次数，以使压缩机形成稳定的气膜并减少动态和静态环形表面的磨损。

（5）干气密封失效的其他原因。离心压缩机在使用过程中，不可避免地会产生振动，并且可以承受相对较高的振动水平，但是，过高的振动水平仍然会损坏干燥气体密封，因此，在使用和操作过程中，必须严格控制振动。

4 非接触式机械密封的原理

非接触式机械密封控制系统的工作原理：当非接触式机械密封装置系统运行时，旋转环3随旋转轴11旋转，线圈2通电，两个固定环1和9通过旋转环3旋转。产生相同的大小。在相反的方向上电磁排斥，此时，旋转环3处于平衡位置，并且两侧的密封端面之间的间隙处于设计状态。

如果由于干扰（例如操作波动等）使旋转环3相对于固定环轴向偏移，则当旋转环3沿轴向接近固定环9时，h1增加并且h2减少。检测到旋转环3的位置偏移信号。在位移信号转换电路后，输出电压为xU，将其与平衡位置参考电压rU进行比较以获得电压eU，然后，由控制器调整和转换相位和幅度。作为控制电流，通过功率放大器的作用，负载被放置在两个固定环1和9的线圈上，因此，固定环1线圈中的电流减小，而固定环12线圈中的电流增加，从而密封面间隙在一侧变为h1。磁通量减小，并且具有密封表面间隙h2的一侧的磁通增加，从而相对于旋转环的密封表面间隙为h1，固定环1在具有密封表面间隙h2的固定侧的排斥力减小。做吧环9对旋转环的排斥力增大，固定环1对旋转环的排斥力小于固定环9对旋转环的排斥力。这两个力的合力使旋转环和固定环9轴向分开，并最终将旋转环恢复到平衡位置。相反，如果旋转环由于外部振动而与固定环9轴向分开，则h1减小而h2增大。在检测到位移变化信号后将系统递增，然后，输入控制系统中进行处理。大固定环1的线圈电流和固定环9的线圈电流减小，因此，h1侧的磁通量增加，h2侧的磁通量减小，此时，固定环1与旋转环配对的排斥力大于固定环9对旋转环的排斥力，因此，旋转环返回到设定的平衡位置。这样，两个静环与可动环之间的非接触相对运动形成了自调节的稳定系统，使得密封件可以达到稳定的目的。

图1 密封控制系统工作原理图

5 跳闸活塞式在离心压缩机上的应用

活塞式压缩机主要由机身、曲轴、连杆、活塞等部分组成，压缩原理一般是活塞通过往复运动的方式将气体牢牢地压缩在密闭的缸体中。当盛满气体的气缸在力的作用下不断地受到压缩，使得气缸内的压力和排气的压力保持一致。

而当活塞继续移动时，会改变原先已经稳定的气压，缸内的压力会推动排气阀门的开启，从而压力向排气罐输出，一直到活塞运动到止点结束为止。此时，当气压再次稳定时，阀门自身的重力和弹簧力，会推动排气阀门自动关闭。

总之，压缩机就是一个不断吸气、压缩再排气的过程，这组动作的不断重复就是活塞式压缩机的运行方式。而在实际的运作过程中，活塞式压缩机还会受到其他因素的影响，因此压缩的效率并不一定能保持最初的理想状态。

6 结语

机械式密封发展至今，已有百年历史。这一过程也在不断地进步，虽然还有一些不足，但也在逐步地克服。在不久的将来，将有更大的发展空间，并将为我国工程技术的发展做出更大的贡献。