管道带压开孔设备干气密封的原理及设计方案

管道带压开孔设备干气密封的原理及设计方案

干气密封即“干运转气体密封”（Dry Running gas seals）是将开槽密封技术用于气体密封的一种新型轴端密封，属于非接触密封。

干气密封是最常用的一种非接触式密封方式之一，在高压管道带压开孔中，动环和静环是这种密封结构的主要组成部分。当动环高速旋转时，因流体静压和动压作用，动静环之间的密封环端面间会形成一层气膜，同时产生一个开启力使密封动静环分离开来。非接触式密封减少了密封环之间的摩擦，且气膜相对比较稳定，可以减少泄漏量，减少磨损，提高密封性能和延长密封使用寿命，可靠性较高。

干气密封是20世纪60年代末期在气体动压轴承的基础上通过对机械密封进行改进并发展起来的一种新非接触式密封，实际上主要就是通过在机械密封动环上增开了动压槽以及随之相应设置了辅助系统而实现密封端面的非接触运行。英国的约翰克兰公司于70年代末期率先将干气密封应用到海洋平台的气体输送设备上并获得成功。干气密封最初是为解决高速离心式压缩机轴端密封问题而出现的，由于密封非接触式运行，因此密封摩擦副材料基本不受PV值的限制，特别适合做为高速高压设备的轴端密封。

当端面外侧开设有流体动压槽的动环旋转时，流体动压槽把外径侧（称之为上游侧）的高压隔离气体泵入密封端面之间，由外径至槽径处气膜压力逐渐增加，而自槽径至内径处气膜压力逐渐下降，因端面膜压增加使所形成的开启力大于作用在密封环上的闭合力，在摩擦副之间形成很薄的一层气膜从而使密封工作在非接触状态下。所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道，实现了密封介质的零泄漏或零逸出。

干气密封与一般机械密封的平衡型集装式结构一样，但端面设计有所不同，表面上有几微米至十几微米深的沟槽，端面宽度较宽。与一般润滑机械密封不同，干气密封在两个密封面上产生了一个稳定的气膜。这个气膜具有较强的刚度使两个密封端面完全分离，并保持一定的密封间隙，这个间隙不能太大，一般为几微米。密封间隙太大，会导致泄漏量增加，密封效果较差；而密封间隙较小，容易使两密封面发生接触，因为干气密封的摩擦热不能及时散失，端面接触无润滑，将很快引起密封变形、端面过度发热从而导致密封失效。这个气膜的存在，既有效地使端面分开又使相对运转的两端面得到了冷却，两个端面非接触，故摩擦、磨损大大减小，使密封具有长寿命的特点。

开槽的密封面，分为两个功能区，外区域和内区域，气体进入开槽的外区域这些槽将压缩进入的气体，在槽根部形成局部的高压区，使端面分开，并形成一定厚度的气膜，为了获得必要的泵送效应，动压槽必须开在高压侧。开槽的密封间隙内的压力增加对干气密封的工作是至关重要的，它将保证即使在轴向载荷较大的情况下，密封也能形成一个不被破坏的稳定气膜。密封的内区域(即坝区) 是平面的，靠它的节流作用而限制了泄量。密封工作时端面气膜形成的开启力与由弹簧和介质作用力形成的闭合力达到平衡，从而实现了非接触运转。干气密封的弹簧力是很小的。主要目的是当密封不受压或不工作时能确保密封的闭合，防止意外发生。

干气密封的特点：

密封性能好，寿命长，不需密封油系统，功率消耗少，操作简单及运行维护费用低。干气密封作为不需任何密封端面冷却和润滑用油的无维修密封系统，正取代浮环密封和迷宫密封而成为石化行业高速离心压缩机轴封的主体密封。

干气密封的适用场合：

离心式压缩机等高速等高速流体机械，适用于少量工艺气泄漏到大气中无危害的工况，如空压机，氮压机等。

模态分析是动力学分析的基础部分，它为动力学分析中的谐响应分析、谱分析以及瞬态动力学等分析打下了基础，提供最基本的数据。需要分析的零件或结构的固有频率和振型是模态分析计算的主要研究内容， 应用此分析得到所设计零部件的固有频率和振型之后，就可以在工作中避开固有频率值，预防由外界激励而引起的共振，避免造成密封失效或者设备损害等后果。

带压开孔设备中的干气密封为保持非接触状态，在设计中特别重要的一个数据是气膜刚度，也就是浮力(即复原力)变化量和间隙变化量的比值，气膜刚度越大， 干气密封抗干扰能力越强，密封运行越稳定可靠，干气密封的设计就是以获得最大的气膜刚度为目的而进行的。从理论上讲，气膜刚度越大，间隙越不易发生变化，密封性能越会稳定。气体动力学研究表明，当干气密封两端面间的间隙在2～3μm时，通过间隙的气体流动层最为稳定。在此厚度的气膜下， 由气作用力形成的开启力与由弹簧力和介质作用形成的闭合力达到平衡，于是密封实现非接触运转。理论研究表明，干气密封流体动压槽深度与气膜厚度为同一量级时，密封的气膜刚度最大。在实际应用中，干气密封的动压槽深度一般设计在3～10μm，在其余参数确定的情况下，动压槽深度有一最佳值。

干气密封回转部件在高速回转时，为了确保一定的密封端面面积，外径一般比较大。因此在选择耐磨材质时，既要考虑到高强度，还要考虑到不易变形，往往选用杨氏弹性率高、热膨胀系数低、热传导率高、质量轻的材料。

　　另外，干气密封虽是非接触式密封，但在启动和停止的过渡状态，密封端面并不是完全张开的，气膜刚度较小，会发生瞬间的接触，如果由接触摩擦引起的发热过大，热变形会使密封端面很难保持平行，导致进一步的接触和损伤。因此干摩擦状态下的耐磨损性及低摩擦系数在选用材质时要充分考虑到。目前，干气密封硬质材质大多选用硬质合金碳化钨、碳化硅，以及新开发的延性金属材料。