H_2S风机密封结构分析与设计

　　合肥通用机械研究院为某石油化工企业研制了H2S风机，该风机主要技术参数为：流量：温度：常温；输送介质为混合气体，主要成份为空气、氮气，含少量H2S气体。

　　由于风机流量小、压力高，且H2S气体具有强腐蚀性，并有剧毒，空气中允许的浓度为0.01mg/L，因此为了保证操作人员的安全，要求密封可靠，即要求风机的外泄漏量为零，这样密封结构的设计成为该风机研制的关键之一。

　　2密封结构分析风机中广泛使用的迷宫密封和填料密封，尽管具有安装调试简单、制造方便、成本低、寿命长等优点，但是不论其结构形式如何，由于其只能减少气体的泄漏量，不能阻止少量气体向外泄漏，达不到密封的目的，因此H2S风机不能选用这类密封。

　　根据以前化工风机密封设计和使用经验，H2S风机可以采用骨架密封、机械密封或抽、充气密封。

　　21骨架密封该密封结构如所示，在叶轮轴盘和主轴上各安装一个橡胶骨架油封，为了利用风机介质压力帮助密封，油封唇边朝向风机内安装。这种密封属于接触式密封，在两个骨架油封之间充满黄油，以提供骨架油封的润滑，减少骨架油封的摩擦和磨损。

　　由于风机转速高，为防止油封在高的线速度下产生老化、龟裂和损坏，骨架密封材料选用氟橡胶。此种密封的优点是结构简单密封组件的制造成本低。氟橡胶骨架油封可以选用标准件，密封价格较低。这种密封的磨擦耗功也较少。

　　在风机不工作时，密封可以承受20000Pa内压而不向外泄漏。

　　H2S风机使用该密封有以下缺点：该密封要求与密封唇部接触的轴和叶轮轴盘的表面粗糙度为0.8~3……m，叶轮制造时，轴盘粗糙度一般难以满足该要求，风机运行时，轴盘密封处的线速度高，因此，就会使叶轮轴盘处的橡胶骨架油封唇口磨损过快，造成泄漏。

　　密封与叶轮的安装同心度要求比较高，轴封允许的偏心量小于0.2mm，如同心度达不到要求，将造成氟橡胶骨架油封唇口与轴接触不均，容易产生泄漏。此外，安装同心度达不到要求，油封的偏磨会使密封很快失效。

　　骨架密封维护较困难。一般情况下，骨架密封使用寿命可以达到一年左右，更换密封时需要拆卸风机前盖板和叶轮，密封维护费时费力。

　　2.2机械密封机械密封己经在各种离心式、轴流式压缩机，鼓风机，螺杆冷冻机，离心制冷机，罗茨鼓风机，往复压缩机和各种栗中广泛采用。且其密封性能可靠，使用寿命较长，功率消耗少，维修周期长，能满足多种特殊工艺的需要，可在高速、高温、高压、低温、高真空、易燃易爆、有毒有害、腐蚀性、放射性以及贵重介质等条件中应用。

　　机械密封不仅是一种可靠的动密封，在一定的内压下，它也是一种可靠的静密封。密封系统安装密封液循环系统或高位油箱后，即使风机不工作，也可以承受（0~100kPa）的风机静压而对外不泄漏。

　　H2S风机也可以采用集装式或非集装式机械密封（），早在40年前，合肥通用机械研宄院就在H2S鼓风机上成功使用了双端面机械密封。

　　（1）机械密封检修困难，维修不便。检修或更换密封时，首先需要拆除风机连接管道，打开风机机壳，拆出风机叶轮，拆下电机，拉出轴承座，然后才可以检修或更换新密封。为了更换一只密封，风机几乎重新组装了一次，用户更换密封非常困难。对于化工行业用风机，大多数叶轮材质为不锈钢，因为更换密封而反复拆装叶轮，不仅费时费力，还特别容易损伤叶轮。

　　I中丨（h）非集装式机械密封结构机械密封结构示意（）机械密封安装精度要求非常高，安装时要求轴承座中心与风机机壳密封部件中心的同心度小于0.10mm，轴承座中心与风机机壳垂直度小于0.10mm.鼓风机、压缩机和栗的壳体大多数由铸件经过精密加工而成，壳体刚性好，密封安装部位的加工精度完全可以达到要求。而风机壳体大多数是板材焊接结构，壳体刚性较差，加工变形大，不论是同心度还是垂直度，加工时都很难达到机械密封所要求安装精度。此外，机械密封对检修人员的技术要求较高，密封检修或更换时稍微安装不好，达不到机械密封所要求的安装精度，将缩短密封使用寿命。

　　机械密封系统对操作和控制要求较高，特别是对工作可靠性要求非常高的化工风机，需要带有密封液循环系统。

　　密封液循环系统往往还带有冷却器、滤清器、止逆阀、降压阀等多个部件，结构复杂。且其对控制要求较高，为了确保机械密封不会因干摩檫而烧毁，机械密封还要求在风机启动前预先启动密封液循环系统。为防止密封液压力不够，还需要一套压力自动控制系统，需要安装有关检测、调节、报警仪表。

　　当采用高位油箱（）取代密封液循环系统时，需要将高位油箱置于密封装置上方的一定高度，利用油箱中液柱高度H控制密封油与工作气体之间的压力差~（（0.2―0.4）父10），即：Pg*密封气体压力，PaP密封油的密度，kg/m3按照H2S风机静密封和动密封的要求，根据上式计算，H2S风机高位油箱高度需要4m.高位油箱高度超过2m后，无论加油、观察油面均不方便。因此，H2S风机采用密封液循环系统太复杂，采用高位油箱也不太合适。

　　高d罐体机械密封腔体机械密封密封液循环系统（不带泵）2.3抽气、充气密封迷宫密封中常采用所示的抽气、充气密封阻止工质向外泄漏。采用充气密封时，在两组密封之间加入充气口，将压力高于工质压力（（0. 2~0.3）X105Pa）的辅助密封气体充入两组密封之间，以阻止风机内的气体向外泄漏。

　　辅助密封气体可以选用对风机输送气体无影响的气体，如空气、氮气、二氧化碳等。

　　与油接触的气体的密封。

　　抽气密封是在两组密封之间的空腔接通真空泵，从风机内漏出的气体与从大气漏来的少量空气混合后，由真空泵抽走，以达到工质不漏向大气的目的。这种密封需要辅助的真空泵或抽真空设备。

　　迷宫密封是非接触密封，如抽气、充气装置发生故障，介质对外泄漏将比较严重。此外，迷宫密封的更换也比较困难。

　　（b）抽气密封充气密封与抽气密封3组合密封设计（三瓣环碳环密封+抽气密封+充气密封）针对上述各种密封的不足，根据合肥通用机械研宄院化工风机密封的设计使用经验，作者设计了一种组合密封，是由三瓣环碳环密封+抽气密封+充气密封组合而成。

　　3.1三瓣环碳环密封三瓣环密封和六瓣环密封（）常用于往复压缩机活塞杆的密封。由于六瓣环密封结构较复杂，制造难度大，风机中大多使用三瓣环密封。

　　该密封原理很简单，分瓣密封环靠拉伸弹簧的压力紧套在被密封轴套上，同时，靠气体的压力紧贴在密封壳体的研磨面上，以阻止气体从轴向、径向泄漏。三瓣环的径向切口留有一定的空隙，在拉伸弹簧的压力的作用下，三瓣环密封内圈磨损后可以自动补偿。三瓣环密封属于接触式密1充封碰适A合于ei燃碰、有毒或不能滓封少量气体向外泄漏的问题。单独使用时不姑能满足H2S风机严格的密封要求。

　　（a）三瓣密封环三瓣与六瓣环密封由于石墨具有良好的耐腐蚀性、耐热性和自润滑性，摩擦系数、线膨胀系数小、导热系数高、加工性能好等性能，分瓣密封环一般使用石墨制造。

　　三瓣环碳环密封大的优点是检修非常方便，由于密封壳体几乎不会损坏，更换密封时，仅需要更换三瓣环密封碳环，不需要拆除风机进风口的连接管道、风机叶轮、轴承座和电机。通常1~2h可以完成全部三瓣环密封碳环的更换。

　　3.2组合密封（三瓣环碳环密封十抽气密封十充气密封）组合密封是将几种不同形式的密封在同一密封部位联合使用，相互取长补短，满足使用要求。

　　根据H2S风机的密封要求，设计了所示的新型组合密封（三瓣环碳环密封十抽气密封十充气密封）。

　　该组合密封的密封原理很简单，在两组三瓣环碳环密封之间加入抽气口，通过管道将抽气口连接到风机进口，利用风机进口产生的负压，使泄漏的气体流入风机进口。

　　为了确保工质不向外泄漏，组合密封中又在三瓣环碳环密封之间加入了充气口，使用外接气源（氮气或空气）通入充气口，因为充气的压力高于风机出口压力，这样保证被密封的气体不会向外泄漏。

　　t抽气（接风机门）大气侧风机叶轮侧+充气（接外接气源）组合密封示意充气密封所需的充气量根据风机压力、碳环密封的数量和位置等计算确定，H2S风机所需的充气量约为3~5m3/h.抽气口和充气口位置、所需要碳环密封的数量均根据风机的压力和密封泄漏量要求经过计算确定。

　　组合密封结构简单，维护方便，同时使用充气和抽气密封后，无论抽气密封或充气密封任一失效，均可以确保工质不向外泄漏，完全满足H2S风机密封的要求。

　　4实际应用合肥通用机械研宄院为浙江腈纶厂和兰州石化等企业设计、生产的不锈钢风机，原采用机械密封，密封效果虽然很好，但是用户维护更换机械密封困难，后来改用组合密封（三瓣环碳环密封十充气密封），使用效果理想。