Основное руководство по сухим газовым уплотнениям: Структура и функция | MachineMFG

Руководство по сухим газовым уплотнениям: Структура и функция

0
(0)

I. Введение

Сухое газовое уплотнение - это новый тип бесконтактного уплотнения вала, разработанный на основе подшипников с газовой смазкой в конце 1960-х годов, наиболее типичным примером которого являются спиральные канавочные уплотнения.

После многолетних исследований компания John Crane в США первой представила сухие газовые уплотнения для промышленного использования.

Практика показала, что сухие газовые уплотнения имеют множество преимуществ перед обычными контактными механическими уплотнениями. Они в основном используются в трубопроводах, на морских платформах, нефтеперерабатывающих заводах и в нефтехимической промышленности, подходят для любых газотранспортных систем.

Поскольку сухие газовые уплотнения являются бесконтактными уплотнениями, не ограниченными величиной PV, они особенно подходят для больших центробежных компрессоров в условиях высоких скоростей и высокого давления. Появление сухих газовых уплотнений представляет собой революционное достижение в технологии уплотнения, позволяющее решить проблемы газового уплотнения без ограничений, связанных со смазочным маслом для уплотнений.

Кроме того, требуемые для них системы газового контроля гораздо проще, чем масляные системы пленочных уплотнений.

Кроме того, появление сухих газовых уплотнений изменило традиционные концепции герметизации, органично объединив технологию сухих газовых уплотнений с принципами барьерных уплотнений.

Новая концепция "использования газа в качестве герметика" заменяет традиционную концепцию "жидкие уплотнения - газ или жидкость", обеспечивая нулевую утечку любой уплотняемой среды. Это делает сухие газовые уплотнения широко применимыми в области уплотнений валов насосов.

В следующей таблице сравниваются показатели утечки сухих газовых уплотнений компрессоров с другими распространенными уплотнениями:

Тип уплотненияпараметрСкорость утечки (Нм3/мин)
Газосмазочное уплотнениеСухое газовое уплотнениеГлубина паза 5 мкм0.025
Углеродное кольцевое уплотнениеЧетыре группы шириной 10 мм с зазором 0,05 мм0.37
Лабиринтное уплотнениеКоличество зубов 151.82
Уплотнение из масляной пленкиКоличество утечек уплотнительного масла
Конец среды (л/мин)Конец атмосферы (л/мин)
Уплотнение с плавающим кольцом2 группы, каждая шириной 20 мм, с зазором 0,05 мм0.120.6
механическое уплотнениеТолщина масляной пленки 1 мкм0.00120.0017

Условия испытаний экспериментальной установки: диаметр вала 140 мм, частота вращения 5000 об/мин, давление технологического газа 0,6 МПа, давление уплотнительного масла (газа) 0,75 МПа.

По сравнению с обычными контактными механическими уплотнениями сухие газовые уплотнения обладают следующими основными преимуществами:

  1. Отказ от системы уплотнительного масла и дополнительной силовой нагрузки, необходимой для ее работы.
  2. Значительное сокращение незапланированных расходов на техническое обслуживание и простоев производства.
  3. Предотвращение загрязнения технологического газа нефтью.
  4. Минимальная утечка уплотняющего газа.
  5. Низкие эксплуатационные расходы и хорошая экономическая целесообразность.
  6. Низкое энергопотребление при работе с уплотнениями.
  7. Длительный срок службы уплотнений и надежная работа.

II. Принцип работы сухих газовых уплотнений

По сравнению с другими механическими уплотнениями, сухие газовые уплотнения имеют схожую структуру. Основное отличие заключается в том, что одно уплотнительное кольцо сухого газового уплотнения имеет равномерно распределенные неглубокие канавки. Эти канавки позволяют уплотнению работать в бесконтактном режиме, создавая эффект динамического давления жидкости при вращении, разделяя уплотнительные поверхности.

По форме канавки на торцевой поверхности сухие газовые уплотнения в основном делятся на однонаправленные и двунаправленные.

формы канавок на уплотнительной торцевой поверхности сухих газовых уплотнений

Однонаправленные канавки чаще всего используются в современных компрессорных установках. Они могут использоваться только в агрегатах с однонаправленным вращением, создавая усилие открытия в нужном направлении; при обратном вращении отрицательное усилие открытия может повредить уплотнение.

Однако по сравнению с двунаправленными канавками они могут создавать большее усилие раскрытия и жесткость газовой пленки, обеспечивая более высокую стабильность и надежное предотвращение контакта торцов, что позволяет использовать их на очень низких скоростях и при значительной вибрации.

Двунаправленные канавки

Также часто встречаются двунаправленные канавки. Этот тип канавок не имеет требований к направлению вращения и подходит как для прямого, так и для обратного вращения без повреждения уплотнения. Диапазон его применения шире, чем у однонаправленных канавок, но стабильность и помехоустойчивость уступают.

В ходе многократных экспериментов и сравнительных исследований различных типов канавок сухих газовых уплотнений было подтверждено, что конструкция со спиральными канавками обеспечивает наивысшую жесткость газовой пленки при минимальной утечке, достигая наилучшего коэффициента утечки. Ниже приводится подробное описание этого типа канавок.

На рисунке ниже показано типичное сухое газовое уплотнение со спиральными канавками на уплотнительной поверхности глубиной менее 10 микрометров. Когда уплотнение работает, уплотняемый газ тангенциально втягивается в спиральные канавки, двигаясь радиально от внешнего диаметра к центру (т.е. к стороне низкого давления), и ограничивается уплотнительной плотиной от протекания в сторону низкого давления.

Газ сжимается при движении по спиральным канавкам с изменяющейся формой поперечного сечения, создавая локализованную область высокого давления в корне канавки, разделяя торцы на несколько микрометров для формирования газовой пленки определенной толщины.

При такой толщине газовой пленки усилие открытия, возникающее под действием газовой пленки, уравновешивается усилием закрытия, возникающим под действием пружины и среды, что позволяет уплотнению работать бесконтактно. Газовая пленка, образующаяся между уплотнительными поверхностями сухого газового уплотнения, обладает определенной положительной жесткостью, обеспечивая стабильность работы уплотнения. Для получения необходимого эффекта динамического давления жидкости канавки динамического давления должны быть расположены на стороне высокого давления.

силы, действующие на сухое газовое уплотнение с винтовой канавкой

На приведенной выше диаграмме показаны силы, действующие на сухое газовое уплотнение со спиральной канавкой, и показано, как жесткость газовой пленки обеспечивает стабильность работы уплотнения. В нормальных условиях сила закрытия уплотнения равна силе открытия.

Когда происходят внешние возмущения (например, технологические или эксплуатационные колебания), приводящие к уменьшению толщины газовой пленки, вязкая сила сдвига газа увеличивается, усиливая эффект динамического давления жидкости, создаваемый спиральными канавками, тем самым увеличивая давление газовой пленки и силу открытия для поддержания баланса сил и восстановления первоначального зазора уплотнения; наоборот, если уплотнение нарушено и толщина газовой пленки увеличивается, эффект динамического давления, создаваемый спиральными канавками, ослабевает, уменьшая давление газовой пленки и силу открытия, что позволяет уплотнению вернуться к первоначальному зазору.

Поэтому до тех пор, пока оно находится в пределах расчетного диапазона, при устранении внешних возмущений уплотнение всегда может вернуться к своему расчетному рабочему зазору, что означает, что сухое газовое уплотнение обладает функцией саморегулирования, обеспечивающей стабильную и надежную работу.

Основным показателем стабильности уплотнения является жесткость образующейся газовой пленки, которая представляет собой отношение изменения силы газовой пленки к изменению толщины газовой пленки. Чем больше жесткость газовой пленки, тем выше помехоустойчивость уплотнения и тем стабильнее его работа.

III. Типичные конструкции уплотнений для сухого газа

Существуют различные общие конструктивные формы сухих газовых уплотнений, подходящие для различных условий работы. На практике сухие газовые уплотнения, используемые в центробежных компрессорах, в основном включают следующие четыре конструкции:

  1. Одинарное торцевое уплотнение
Одинарное торцевое уплотнение

Одинарное торцевое уплотнение используется в основном для неопасных газов, т.е. в ситуациях, когда допускается незначительная утечка газа среды в атмосферу. В качестве газа для уплотнения используется сам технологический газ. Этот тип обычно используется в устройствах отечественного производства, таких как компрессоры углекислого газа.

  1. Тандемное уплотнение
Тандемное уплотнение

Тандемное сухое газовое уплотнение - это уплотнительная конструкция с высокой эксплуатационной надежностью, обычно применяется там, где допустима незначительная утечка газа рабочей среды в атмосферу. Оно широко используется во вводимых установках нефтехимических предприятий.

Тандемное сухое газовое уплотнение можно рассматривать как два или более комплекта сухих газовых уплотнений, соединенных в одном направлении конец в конец. Как и в случае с односторонней конструкцией, уплотняющим газом является сам технологический газ. Как правило, используется двухступенчатая конструкция, в которой первая ступень (основное уплотнение) несет полную нагрузку, а вторая ступень служит в качестве резервного уплотнения без перепада давления.

Технологический газ, просочившийся через первичное уплотнение, поступает на факел для сжигания. Очень небольшое количество несгоревшего технологического газа просачивается через вторичное уплотнение и безопасно удаляется.

Если первичное уплотнение выходит из строя, вторичное уплотнение действует как вспомогательное защитное уплотнение, предотвращая массивную утечку рабочей среды в атмосферу.

  1. Тандемное уплотнение с промежуточным лабиринтом
Тандемное уплотнение с промежуточным лабиринтом

Если не допускается утечка технологической среды в атмосферу, а также утечка буферного газа в технологическую среду, между двумя ступенями тандемной конструкции может быть установлено промежуточное лабиринтное уплотнение.

Эта конструкция используется для легковоспламеняющихся, взрывоопасных и опасных газов, не допуская утечек извне. Примерами могут служить компрессоры H2, компрессоры для природного газа с высоким содержанием H2S, компрессоры для этилена, пропилена и аммиака.

Кроме технологического газа, эта конструкция также требует дополнительного маршрута азотного газа в качестве уплотняющего газа для вторичного уплотнения. Утечка технологического газа из первичного уплотнения полностью поступает на факел для сжигания под действием азотного газа.

Все газы, выходящие в атмосферу через вторичное уплотнение, являются азотом. Если первичное уплотнение выходит из строя, вторичное уплотнение также служит в качестве вспомогательного предохранительного уплотнения. Эта конструкция относительно сложна, но благодаря своей высочайшей надежности она стала стандартной конфигурацией уплотнений вала центробежных компрессоров среднего и высокого давления.

  1. Двойное торцевое уплотнение
Двойное торцевое уплотнение

Двойное торцевое уплотнение эквивалентно двум одинарным торцевым уплотнениям, расположенным лицом друг к другу, иногда с одним вращающимся кольцом. Оно подходит для условий без факельных систем, где допускается незначительная утечка уплотняющего газа в рабочую среду. Ввод азота между двумя комплектами уплотнений образует надежную блокирующую систему уплотнений.

Давление азота контролируется таким образом, чтобы всегда поддерживать уровень, немного превышающий давление технологического газа (0,2-0,3 МПа), обеспечивая направление утечки газа в сторону технологической среды и атмосферы, тем самым предотвращая утечку технологического газа в атмосферу. Структура двойного торцевого уплотнения в основном используется для токсичных, легковоспламеняющихся и взрывоопасных газов низкого давления.

IV. Обзор конструкции сухого газового уплотнения

Во время работы сухие газовые уплотнения работают без контакта, но на этапах запуска и остановки происходит кратковременный контакт, что требует использования износостойких материалов для сопрягаемых поверхностей.

Материалы для пар трения в сухих газовых уплотнениях обычно включают материалы с низким коэффициентом теплового расширения, высоким модулем упругости, прочностью на растяжение, теплопроводностью и твердостью, такие как SiC или цементированный карбид для твердой поверхности и импрегнированный графит или SiC для мягкой поверхности. Динамические канавки обычно обрабатываются на поверхности динамического кольца.

Поскольку структура сухих газовых уплотнений не сильно отличается от структуры обычных механических уплотнений, при проектировании сухих газовых уплотнений основное внимание уделяется параметрам формы канавок на торцах уплотнения. Теоретические основы сухих газовых уплотнений базируются на принципах работы упорных подшипников со спиральными канавками, придерживаясь уравнения Рейнольдса и уравнений Навье-Стокса.

Наша компания применяет метод конечных элементов для численных расчетов, используя собственное программное обеспечение, разработанное внутри компании, для расчета распределения давления газовой пленки на поверхности спирального рифленого уплотнения, дальнейшего определения несущей способности, жесткости газовой пленки и скорости утечки газа сухого газового уплотнения.

Стабильность и надежность работы сухого газового уплотнения зависит от жесткости газовой пленки на поверхности уплотнения. Влияние как технологических параметров, так и конструктивных параметров спиральной канавки на работу уплотнения отражается, прежде всего, в их влиянии на жесткость газовой пленки; чем выше жесткость, тем выше стабильность уплотнения.

Помимо учета жесткости газовой пленки, наша компания также обращает внимание на скорость утечки уплотнения, стремясь к максимально возможному соотношению жесткости и утечки. Это означает, что уплотнение обладает одновременно высокой жесткостью и низкой скоростью утечки. Только сухие газовые уплотнения с максимальным отношением жесткости к утечке и значительной жесткостью газовой пленки могут обеспечить длительную, стабильную и идеальную работу.

Конструктивные параметры спиральных канавок, влияющие на жесткость газовой пленки, включают глубину канавки, угол наклона спирали, количество канавок, отношение ширины канавки к ширине водослива и отношение длины канавки к длине водослива, что требует оптимизации с помощью специализированного программного обеспечения. Параметры процесса, влияющие на жесткость газовой пленки, включают:

  1. Вязкость буферного газа: Вязкость уплотняющего газа существенно влияет на жесткость газовой пленки; более высокая вязкость приводит к усилению гидродинамических эффектов и увеличению жесткости.
  2. Температура газа уплотнения: Вязкость газа зависит от температуры; более высокие температуры приводят к увеличению вязкости и жесткости газовой пленки.
  3. Скорость уплотнения: Более высокие скорости усиливают гидродинамические эффекты, увеличивая жесткость газовой пленки. В идеале, без учета влияния обработки уплотнения и точности установки, более высокие скорости повышают стабильность сухого газового уплотнения, не ограничиваясь значением PV механического уплотнения, что делает сухие газовые уплотнения особенно подходящими для высокоскоростных применений.
  4. Диаметр торца уплотнения: При одинаковой скорости больший диаметр уплотнения обеспечивает более высокую линейную скорость и большую жесткость газовой пленки.
  5. Давление буферного газа: Давление буферного газа оказывает минимальное влияние на жесткость газовой пленки; как правило, более высокое давление незначительно увеличивает жесткость.

V. Система контроля сухого газового уплотнения

Для обеспечения надежности работы сухого газового уплотнения каждый комплект оснащен соответствующей системой контроля и управления. Эта система поддерживает работу уплотнения в оптимальном проектном состоянии. Если уплотнение выходит из строя, система быстро подает сигнал тревоги, позволяя обслуживающему персоналу оперативно устранить проблему.

Здесь мы представим типичную тандемную систему сухого газового уплотнения.

На приведенной ниже схеме показана система. В нормальных условиях поток газа всасывается из выходного отверстия устройства, проходит через две ступени фильтрации (с точностью до 3 мкм), в результате чего получается сухой, чистый газ. Этот газ служит буфером для сухого газового уплотнения, поступая в камеру уплотнения.

Давление контролируется таким образом, чтобы оно было немного выше давления эталонного технологического газа при нормальной работе (обычно 50 кПа), что предотвращает попадание в уплотнительную поверхность таких примесей, как пыль и конденсат масла в неочищенном технологическом газе, которые могут негативно повлиять на работу сухого газового уплотнения. В системе используется датчик перепада давления для измерения разницы давления между буферным и эталонным газом.

Сигнал управляет пневматическим мембранным регулирующим клапаном, расположенным на входе буферного газа, регулируя давление на входе для поддержания постоянного перепада давления с эталонным газом. Большая часть буферного газа, поступающего в камеру уплотнения, возвращается в технологический газ через лабиринтное уплотнение.

Система контроля сухого газового уплотнения

Небольшая часть вытекает через сухое газовое уплотнение первой ступени, называемое газом утечки первой ступени. Большая часть этого газа безопасно сжигается на факеле.

Стабильная газовая пленка, необходимая для длительной идеальной работы, может образоваться только при правильном перепаде давления. Система достигает этого путем установки дроссельного клапана на выходе газа утечки первой ступени, регулируя диафрагму клапана для создания соответствующего противодавления. Этот клапан также служит для ограничения утечки в случае выхода из строя уплотнения первой ступени.

Кроме того, через фильтр и редукционный клапан в последующее лабиринтное уплотнение в качестве изолирующего газа подается азот. Его давление немного выше, чем давление масла в коробке подшипника (обычно атмосферное), что создает надежную систему блокирующих уплотнений.

Это гарантирует, что смазочное масло из коробки подшипников не попадет в сухое газовое уплотнение, и предотвращает загрязнение смазочного масла в зоне подшипников остаточным технологическим газом.

Часть изолирующего газа попадает в подшипниковый щит, а остальная часть смешивается с небольшим количеством технологического газа, не сгоревшего от газа утечки первой ступени, называемого газом утечки второй ступени. Его можно безопасно выпустить в атмосферу как безвредный для окружающей среды газ.

Основным методом определения правильности работы уплотнения является контроль утечки газа первой ступени. При возникновении аномалии давление и расход сухого газового уплотнения первой ступени значительно увеличиваются.

Если оно достигает заранее установленного высокого аварийного значения, датчик давления посылает сигнал в диспетчерскую, вызывая сигнал тревоги. Это предупреждает операторов о необходимости проверить, находится ли давление в системе управления в пределах расчетного диапазона.

Когда объем утечки газа достигает чрезвычайно высокого значения, это указывает на то, что сухое газовое уплотнение вышло из строя, что приводит к остановке системы для предотвращения повреждения оборудования.

VI. Меры предосторожности при установке сухого газового уплотнения

Сухие газовые уплотнения - это высокоточные компоненты, требующие особого внимания при установке, демонтаже и использовании. Обычно рекомендуется соблюдать следующие меры предосторожности:

  1. Неспециализированные производители не должны разбирать уплотнения из-за сложных монтажных связей, высоких требований к чистоте, специализированных инструментов для сборки и необходимости точной динамической балансировки.
  2. Транспортировка, установка и демонтаж требуют использования позиционирующих пластин.
  3. Относительное положение полости и вала требует высокой точности; заранее проверьте соответствующие размеры и при необходимости отрегулируйте их с помощью прокладок.
  4. Во время установки соблюдайте концентричность ротора и корпуса, фиксируя ротор на месте.
  5. Обычно начинают с установки конца упорной пластины, чтобы обеспечить точное позиционирование уплотнения на другом конце.
  6. Тщательно очистите уплотнительную камеру и все впускные и выпускные трубы, обеспечив более высокий уровень чистоты по сравнению с масляными трубами.
  7. Не используйте для смазки консистентную смазку; вместо нее используйте силиконовую смазку.
  8. После установки уплотнения в блок и снятия позиционирующих пластин убедитесь, что осевое смещение ротора не превышает 2 мм.

VII. Техническое обслуживание при эксплуатации сухого газового уплотнения

Сухие газовые уплотнения, разработанные для широкого спектра применений, обычно не требуют обслуживания в нормальных условиях.

Тем не менее, необходимо ежедневно следить за протеканием уплотнения. Увеличение утечки может указывать на потенциальную неисправность уплотнения, поэтому следует обратить внимание на следующие аспекты:

  1. Сухие газовые уплотнения со спиральными канавками рассчитаны на однонаправленное вращение, поэтому следует избегать обратного вращения. Кроме того, длительная работа на низких скоростях менее 5 метров в секунду может привести к повреждению уплотнения.
  2. Обеспечьте стабильный поток уплотняющего газа. Поддержание стабильного и бесперебойного потока уплотняющего газа имеет решающее значение для нормальной работы сухих газовых уплотнений.
  3. Избегайте работы уплотнения под отрицательным давлением. Отрицательное давление в двухсторонних уплотнениях может значительно увеличить утечку в статических условиях и повредить уплотнительные поверхности в динамических условиях. Для тандемных уплотнений это может привести к загрязнению нефильтрованным технологическим газом, что вызовет быстрый отказ уплотнения.
  4. Отслеживайте изменения утечки уплотнения. Изменения утечки напрямую отражают рабочее состояние сухого газового уплотнения. На утечку могут влиять такие факторы, как колебания технологического газа, движение вала, перенапряжение, а также изменения давления, температуры и скорости. О нормальной работе свидетельствует стабильная величина утечки; тенденция к увеличению говорит о неисправности уплотнения.
  5. Если перепад давления на фильтре достигает аварийного значения, переключите фильтры и незамедлительно замените фильтрующий элемент.
  6. При запуске устройства подождите, пока барьерный газ системы контроля сухого газового уплотнения не создаст достаточное давление, прежде чем запускать систему смазки маслом.
  7. После остановки устройства дождитесь полной остановки устройства и более 10 минут после остановки масляной системы, прежде чем отключать систему управления сухим газовым уплотнением.

VIII. Условия, необходимые для модернизации сухих газовых уплотнений

После обширных исследований и испытаний сухие газовые уплотнения получили широкое распространение в промышленности. Растущие требования современной промышленности к энергоэффективности, снижению потребления и защите окружающей среды сделали необходимым обеспечение надежности, минимальной утечки, долговечности и стабильной работы уплотнений вала в центробежных компрессорах, транспортирующих большие объемы опасных газов.

По сравнению с обычными контактными механическими уплотнениями сухие газовые уплотнения обладают беспрецедентными преимуществами: более длительным сроком службы, отсутствием утечек рабочей среды и меньшими затратами на обслуживание. Эти преимущества соответствуют целям, которые преследуют различные типы уплотнений валов.

Сухие газовые уплотнения могут быть успешно модернизированы и применены в центробежных компрессорах, центробежных насосах, реакторах и другом оборудовании при соблюдении следующих двух условий:

  1. Основным требованием для эксплуатации сухих газовых уплотнений является наличие источника газа на объекте. Источником газа может быть технологический газ или экологически чистый инертный газ, например азот, получаемый с завода или из специального азотного генератора.
  2. Место установки уплотнения вала должно иметь достаточное осевое и радиальное пространство и соответствующие отверстия.

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх