【摘 要】本文分析了密封技术的国内外当前状况及发展趋势，阐述了螺旋槽干气机械密封的密封原理和典型的端面结构，设计并制造了41C103乙烯压缩机的干气机械密封结构，分别测得了螺旋槽干气机械密封在不同的压力和转速条件下的泄漏量，并且进行了动态试验，验证了理论分析的结果是正确的，密封结构设计是合理的。
【关键词】螺旋槽；干气机械密封；动态试验1 国内外研究现状及发展
随着石油化工工业的快速发展，各种离心压缩机的应用越来越广泛。干气密封的出现，是密封技术的一次革命，解决了以往气体密封受到密封润滑油污染的问题，干气密封本身所需要的气体控制系统比接触式密封的油系统要简单得多[1]。
世界上第一个机械密封专利出现在英国[2]，直到1900年才开始用于轴承密封。1908年有几个汽轮机密封，改进为轴向移动的密封环密封[3]。1990年日本横山英二首先研制了带中间环的双向螺旋槽端面密封，并获日特开平2-236068专利。1995年日本伊格尔公司首先生产了NFgOO系列斜平面双向气体端面密封。1995年美国杜拉美特公司生产了泵用圆弧槽气体端面密封，可用做零泄漏密封。
国内1988-1990年，华东石油大学顾永泉、王建荣等首先研制和试验了泵入式圆弧槽气体端面密封，并获我国国家实用新型专利92203159.2[4]。从20世纪90年代初，与进口高速透平压缩机配套的干气密封开始进入了中国市场。我国在20世纪90年代后期，开始逐步引进国外干气密封技术应用于大型的离心压缩机，其性价比远远高于浮环密封和机械密封。
2 螺旋槽干气机械密封的密封原理和典型的端面结构
2.1 螺旋槽干气机械密封的密封原理
干气机械密封亦称为气体润滑机械密封。机械密封的两个密封副是在一层很薄的流体膜下做相对运动的。密封稳定运转时，很薄的流体膜就将两密封面隔离开来，使两密封端面得到充分的润滑，从而达到减小磨损和机械损伤的目的。干气密封的工作原理是作用在密封环上的弹簧力、介质压力与流体动力的平衡[5]。流体密封依靠在密封端面上加工一些浅槽以提高气体密封的动压效应来实现的。以乙烯压缩机用螺旋槽干气机械密封为例，其结构见图1及图2所示。
图1 螺旋槽干气机械密封结构示意图
图2 螺旋槽端面示意图
2.2 典型的端面结构
干气机械密封的特殊标志之一是其端面的典型设计结构，也是其核心所在。对数螺旋槽干气密封的密封端面槽型为对数螺旋线，如图3所示。槽的深度一般≤10μm。槽深>10μm，则密封的泄漏量会显著增加[6]。螺旋槽端面密封的螺旋槽一般开在密封环的外缘。开在密封环内缘的，称之为逆流泵送密封，如图4所示。
图3 螺旋线型端面密封 图4 内径开螺旋槽端面密封
人字形螺旋槽和Y形螺旋槽[7]都增加了与高压侧流体连通的下游泵送螺旋槽，它们的作用是将流体泵送到密封面上。
图5 人字形螺旋槽 图6 Y形螺旋槽
3 螺旋槽干气机械密封的设计
3.1 一级密封的主要设计参数
3.2 二级密封的主要设计参数
3.3 主体结构设计
图7 乙烯压缩机用螺旋槽干气机械密封装配示意图
4 泄漏量的主要影响因素
4.1 螺旋槽深度对泄漏量的影响
4.2 转速对泄漏量的影响
4.3 密封介质压力对泄漏量的影响
上述试验的结果表明：干气机械密封的泄漏量随螺旋槽的深度、密封气体的压力、主轴转速的增加而增加，螺旋槽的深度对密封的泄漏量影响最大，转速的影响相对较小。二级密封的泄漏量约为一级密封的泄漏量的1/10。
5 装置试运转试验
借公司压缩机检修之机，将设计制造的干气机械密封安到了41C103压缩机出口端，进行装置运转试验。
该密封在装置试运转已近一年，运行情况始终非常平稳，未见任何异常。
运转试验的结果表明：该密封理论分析（下转第120页）（上接第183页）正确，设计结构合理，密封运转平稳、正常。在操作工况下，泄漏量满足工艺要求，各项参数指标均达到了进口设备的水平。
6 结论
此干气机械密封设计已经基本达到国内同行业设计水平，产品通过在乙烯压缩机上的实际运转测试，其泄漏量满足了工艺要求，各项指标都达到了进口设备的水平，并且在降低能耗方面效果十分显著，基本实现了免维护和工艺介质的零泄漏。
【参考文献】
［１］顾永泉.流体动密封[M].山东:石油大学出版社，1990：268-271.
［２］顾永泉.发展密封学，提高密封水平[R].中国工程学会流体工程学会第二届年会大会报告，1988,12.
［３］顾永泉.机械端面密封[M].山东:石油大学出版社，1994，12.
［４］王建荣，顾永泉，陈弘.圆弧槽气体润滑非接触式机械密封性能研究[J].流体工程，1991，19(3):36-39.
［５］Ralph P. Gabriel. Fundamental of Spiral Groove Non-contacting Face Seal [J]. L.E, 1986，35(7):369-375.
［６］胡丹梅，吴宗祥. 直线槽端面气体密封分析计算[J]//石油化工设备密封技术文集：第七集.1994：32-41.
［７］Tom Lai. Development of Non-contact, No-Leaking Spiral Groove Liquid Face Seals[J]. L.E., 50(8)：625-631.
［责任编辑：汤静］
