管道帶壓開(kāi)孔設(shè)備干氣密封的原理及設(shè)計(jì)方案

干氣密封即“干運(yùn)轉(zhuǎn)氣體密封”（Dry Running gas seals）是將開(kāi)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(kāi)孔中，動(dòng)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(dòng)環(huán)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，因流體靜壓和動(dòng)壓作用，動(dòng)靜環(huán)之間的密封環(huán)端面間會(huì)形成一層氣膜，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)啟力使密封動(dòng)靜環(huán)分離開(kāi)來(lái)。非接觸式密封減少了密封環(huán)之間的摩擦，且氣膜相對(duì)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(zhǎng)密封使用壽命，可靠性較高。

干氣密封是20世紀(jì)60年代末期在氣體動(dòng)壓軸承的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行改進(jìn)并發(fā)展起來(lái)的一種新非接觸式密封，實(shí)際上主要就是通過(guò)在機(jī)械密封動(dòng)環(huán)上增開(kāi)了動(dòng)壓槽以及隨之相應(yīng)設(shè)置了輔助系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)密封端面的非接觸運(yùn)行。英國(guó)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(tái)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(jī)軸端密封問(wèn)題而出現(xiàn)的，由于密封非接觸式運(yùn)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(kāi)設(shè)有流體動(dòng)壓槽的動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體動(dòng)壓槽把外徑側(cè)（稱(chēng)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(kāi)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(duì)低壓的密封介質(zhì)泄漏通道，實(shí)現(xiàn)了密封介質(zhì)的零泄漏或零逸出。

干氣密封與一般機(jī)械密封的平衡型集裝式結(jié)構(gòu)一樣，但端面設(shè)計(jì)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(rùn)滑機(jī)械密封不同，干氣密封在兩個(gè)密封面上產(chǎn)生了一個(gè)穩(wěn)定的氣膜。這個(gè)氣膜具有較強(qiáng)的剛度使兩個(gè)密封端面完全分離，并保持一定的密封間隙，這個(gè)間隙不能太大，一般為幾微米。密封間隙太大，會(huì)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?yàn)楦蓺饷芊獾哪Σ翢岵荒芗皶r(shí)散失，端面接觸無(wú)潤(rùn)滑，將很快引起密封變形、端面過(guò)度發(fā)熱從而導(dǎo)致密封失效。這個(gè)氣膜的存在，既有效地使端面分開(kāi)又使相對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)的兩端面得到了冷卻，兩個(gè)端面非接觸，故摩擦、磨損大大減小，使密封具有長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。

開(kāi)槽的密封面，分為兩個(gè)功能區(qū)，外區(qū)域和內(nèi)區(qū)域，氣體進(jìn)入開(kāi)槽的外區(qū)域這些槽將壓縮進(jìn)入的氣體，在槽根部形成局部的高壓區(qū)，使端面分開(kāi)，并形成一定厚度的氣膜，為了獲得必要的泵送效應(yīng)，動(dòng)壓槽必須開(kāi)在高壓側(cè)。開(kāi)槽的密封間隙內(nèi)的壓力增加對(duì)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(gè)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(shí)端面氣膜形成的開(kāi)啟力與由彈簧和介質(zhì)作用力形成的閉合力達(dá)到平衡，從而實(shí)現(xiàn)了非接觸運(yùn)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(shí)能確保密封的閉合，防止意外發(fā)生。

干氣密封的特點(diǎn)：

密封性能好，壽命長(zhǎng)，不需密封油系統(tǒng)，功率消耗少，操作簡(jiǎn)單及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。干氣密封作為不需任何密封端面冷卻和潤(rùn)滑用油的無(wú)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(jī)軸封的主體密封。

干氣密封的適用場(chǎng)合：

離心式壓縮機(jī)等高速等高速流體機(jī)械，適用于少量工藝氣泄漏到大氣中無(wú)危害的工況，如空壓機(jī)，氮壓機(jī)等。

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)部分，它為動(dòng)力學(xué)分析中的諧響應(yīng)分析、譜分析以及瞬態(tài)動(dòng)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(jì)算的主要研究?jī)?nèi)容， 應(yīng)用此分析得到所設(shè)計(jì)零部件的固有頻率和振型之后，就可以在工作中避開(kāi)固有頻率值，預(yù)防由外界激勵(lì)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(kāi)孔設(shè)備中的干氣密封為保持非接觸狀態(tài)，在設(shè)計(jì)中特別重要的一個(gè)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(qiáng)，密封運(yùn)行越穩(wěn)定可靠，干氣密封的設(shè)計(jì)就是以獲得最大的氣膜剛度為目的而進(jìn)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(huì)穩(wěn)定。氣體動(dòng)力學(xué)研究表明，當(dāng)干氣密封兩端面間的間隙在2～3μm時(shí)，通過(guò)間隙的氣體流動(dòng)層最為穩(wěn)定。在此厚度的氣膜下， 由氣作用力形成的開(kāi)啟力與由彈簧力和介質(zhì)作用形成的閉合力達(dá)到平衡，于是密封實(shí)現(xiàn)非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)。理論研究表明，干氣密封流體動(dòng)壓槽深度與氣膜厚度為同一量級(jí)時(shí)，密封的氣膜剛度最大。在實(shí)際應(yīng)用中，干氣密封的動(dòng)壓槽深度一般設(shè)計(jì)在3～10μm，在其余參數(shù)確定的情況下，動(dòng)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(shí)，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(shí)，既要考慮到高強(qiáng)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(dòng)和停止的過(guò)渡狀態(tài)，密封端面并不是完全張開(kāi)的，氣膜剛度較小，會(huì)發(fā)生瞬間的接觸，如果由接觸摩擦引起的發(fā)熱過(guò)大，熱變形會(huì)使密封端面很難保持平行，導(dǎo)致進(jìn)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(shí)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(kāi)發(fā)的延性金屬材料。