题目：流体密封技术的应用与发展
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2010年 12 月 19 日
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流体密封技术的应用与发展
摘要：流体密封作为一门新兴的工程技术学科正越来越受到各行业的关注。本文对流体密封的定义、作用、重要性、主要应用领域，应用现状以及最新进展和未来展望作一番简单介绍并阐述了一些事例的原理。
关键词：流体密封；迷宫密封;浮环密封；机械密封；干气密封 流体密封的作用及重要性
流体密封是防止或限制流体泄漏的工程技术或零部件。起密封作用的零部件通常称之为密封件。放置密封件的部位称为密封腔。较复杂的密封．特别是带有辅助系统的密封，称为密封装置。被密封的流体包括气体、液体、以及气体／液体混合物、气体／液体／固体颗粒(particles)混合物。泄漏(1eakage)是指具有负面作用的质量迁移。被密封的流体通常以三种形式泄漏：穿漏、渗漏和扩散。穿漏是在压力差(differential pressure)作用下通过密封间隙引起的质量迁移(包括漏出和漏入)。渗漏(seepage)是在表面张力(surface tension)作用下通过密封件材料的毛细管的质量迁移。扩散(diffusion)是在浓度差(differential concentration)作用下通过密封间隙的质量迁移。 流体密封装置(或密封)是流体机械、工艺设备、液压设备、管道和阀门等的重要组成部份。其主要作用有：维持设备的正常工作条件，如高压、高真空等；保证设备及人身的安全；消除或减轻环境污染；防止或减少物料和能源的消耗．提高设备的效率。流体密封是机械设备的易损性、关键性和基础性零部件。密封件虽然不大，但往往能决定机器设备的 安全性、可靠性和耐久性。例如：震惊世界的美国“挑战者”号航天飞机的失事原因就是由橡胶密封圈的失效引起的：改进航空发动机的密封可提高其效率2～3个百分点；在石油化工透平机械上采用干气密封(dry gas seals)．是革命性的进步，大大提高了高速透平机械工作的经济性、可靠性和耐久性
流体密封技术的主要应用领域
流体密封虽然只是机器和设备的一个零部件，但其应用范围极其广泛，几乎囊括了工农业生产和人们日常生活的各个方面，凡是需要将两个流体参数不同的腔体隔离的地方都需要流体密封。其主要应用领域包括：石油和天然气开采和输送，炼油厂的各种动设备和静设备，石油化工和化工(乙烯、化纤、化肥等)的动、静设备，能源工业(水力、火力和核发电)，矿山和工程机械，轻工(造纸等)，食品，医药，水陆交通(汽车、火车、舰艇、船舶)，航空(发动机、液压系统、机舱)，航天(液体火箭发动机、飞船)等。
流体密封技术的应用实例
改性材料全无油润滑技术
传统的透平机械的油系统．包括密封油系统和润滑油系统，不仅结构复杂、占地面积大，也是故障率比较高的一部分。采用干气密封(Dry Gas Seals)与磁力轴承(Magnetic Bearings)相结合的全无油润滑技术，彻底摒弃了密封油系统，将极大地提高透平机械运行的可靠性和经济性，是透平机械发展的革命性进步。
迷宫密封及其发展
迷宫密封是利用节流降压来减小气体的泄漏量，通过抽气与充气可以密封危险性气体。其优点是：非接触式．使用寿命长：结构简单．制造成本低．维护方便。但存在的缺点是：泄漏量大．运行维护费用高：有环境污染的危险。炼油、化工等行业危险性工艺气体压缩机使用的第一代轴端密封就是迷宫式抽充气密封。为了克服迷宫密封泄漏量大的缺点．出现了小间隙的碳环密封(如图2所示)。碳环密封的优点为：密封为干运转状态，不需要润滑剂来润滑：因无旋转组件安装在轴上，因此不会产生附加的轴振动；由于径向间隙很小．其泄漏量与普通的迷宫密封相比要小很多．不到迷宫密封泄漏量的1／10。碳环密封作为轴端密封．主要用于低压压缩机和风机中。
浮环密封及其发展
浮环密封是压缩危险性工艺气体的透平压缩机轴端密封的传统型式，到目前为止，在各种实际应用的密封型式中仍然占据一定地位，特别是在一些老机组和高压领域内。从发展历史看，这种密封是替代迷宫式抽充气密封的第二代密封。
浮环密封是采用“以油封气”的原理来实现被密封气体的零泄漏。从原理上来说，浮环密封
是一种液体(油)节流式非接触密封，通过油楔作用使浮环克服自重而与轴或轴套保持一定的间隙，避免固体间的直接接触。浮环密封有两大主要优点：①属于非接触式密封，寿命长，可靠性高；②适用于高速和各种压力等级，工况范围广。正是这两点使浮环密封成为危险性工艺气体压缩机轴端密封的传统型式。然而，浮环密封也有两大缺点：① 内泄漏较大，回收处理内泄漏油(污油)的设备比较复杂庞大，包括油气分离器、脱气槽及控制系统。特别是当内泄漏过大和该系统失灵时便存在密封油污染工艺回路的危险，其结果是降低产品质量．甚至毒化催化剂，直至造成装置停机。② 浮环密封的油气压差很小，控制系统复杂。浮环密封辅助系统的投资远远高于密封本身的投资。正是由于上述两大缺点．浮环密封受到了更先进的密封型式的严重挑战。
移动折叠屏风无边界网络为了克服普通浮环密封内泄漏量较大的缺点，出现了一种由螺旋密封与浮环密封组合的螺旋浮环密封形式【1-2】 ，如图3所示。其基本结构特征为：在内浮环内孔的外侧即靠近轴承的一侧加工出一段起增压作用的螺旋槽，形成具有增压效果的增压段；在靠近被密封气体的内侧加工出一段起反向泵送作用的螺旋槽，形成具有防漏效果的防漏段；两者中间为光滑的浮升段。图4给出了内浮环上增压段、浮升段和防漏段的压力分布示意图。可见该密封可以在油气压差为零甚至为一定负值的情况下工作而保持密封能力。该密封具有可靠性
高和内泄漏小的突出优点。
机械密封及其发展
在中低压工艺气体透平压缩机领域．用机械浮环组合密封或双端面机械密封替代传统的浮喷香器
环密封是国内外密封行业一个重要的技术进步。这类密封在中低压透平压缩机领域之所以逐步替代传统的浮环密封。是基于两方面的原因：一是克服了浮环密封内泄漏量过大的缺点；其次，这类密封的油气压差由浮环密封的0．05MP a提高到0．15-0．35MP a。控制的安全可靠性提高，系统也变得简单一些。与浮环密封相比，密封本体投资加大，但系统投资减少，设备总投资有所下降，更加安全可靠，运行维护费用降低。为了彻底解决高速机械密封的内泄漏问题和磨损问题，从20世纪70年代末开始，我们已致力于油膜螺旋槽端面密封的研究开发与推广应用[3]。目前，油膜螺旋槽端面密封在技术上已经完全成熟。这类密封的端面线速度可高达100 m／s，内泄漏量接近于零。该密封及其系统在大量的工业应用中实现了高周速、微泄漏、微磨损、长寿命，其性能全面超过了进口的机械密封产品。图5为实际应用的单端面油膜螺旋槽密封的典型结构。
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