CN1060345A - 用于高蒸汽压液体的螺旋槽密封装置 - Google Patents

Abstract

一种密封***，用于机罩和旋转轴间，防止高蒸 汽压液体的泄漏。将横穿第一密封组件的液化碳氢 化合物液体产生相变。如此形成的气体被第二密封 组件密封。密封***有多个螺旋槽，密封组件安装在 轴和机罩之间。各密封组件有一主环和配环。组件 限定一中间腔室，各环有密封面，一个密封面上有顺 流抽吸螺旋槽。逆流组件的槽有一逆轴旋转方向，其 式样的脊/槽表面积之比大于某一值。密封墙部相 对于槽部的表面积也最好大于某一值。

Description

本发明涉及防止液体流过设备例如泵的外壳沿轴周围泄漏的密封，特别涉及用于含有高蒸汽压液体，例如液化的碳氢化合物气体的密封和密封这种液体的方法。

过去是采用两种类型的相间机械端面密封***用于高蒸汽压液体的密封，这些***是“湿式”接触型，必须在轴向两相隔机械密封端面间用泵压缓冲液体进行冷却。循环缓冲液（常用油）的***包括泵，冷却器和储存器，这使装置更加复杂并且花费多。进一步说，机械密封，甚至带复杂的支持***的，在泵压液化轻碳氢化合物时经常仅能维持几天。

众所周知，端面机械密封的另一种型式，是干燥旋转气密封，在一个密封面上设有一系列的螺旋槽，它可以不用润滑油，这种类型的密封被美国专利US-4212475所公开，该专利授权给Josef  sedy，并转让给本人。这个专利的主题在此被参考编入。后一种类型的密封已经用来解决气体密闭度问题，在美国专利US4212475中，Sedy披露并保护了最佳的干式旋转气密封的参数。这些参数包括密封墙宽度比、槽深、槽的角度和平衡比。Sedy所描述的密封是针对已成气态的液体并处于高压之下的密封度。

本发明设法提供一种端面密封装置，它特别适用于处理具有高蒸汽压液体例如液化轻碳氢化合物（Light  hydrocarbons）的设备。这在部分上已由某种程度被忽视的传统知识-冷却相对密封面所完成。然而，密封用来使第一阶段或组件的密封面之间的密封液体产生剪切热。可以相邻这使液体产生变成气体的相变，因此提供了一种密封能力。在任选的第二阶段，干式旋转气密封也可以用来有效地密封冷化了的液体。

一般来说，槽表面的圆周长度相对于设置在槽面和公知的脊之间的无槽表面的圆周长度之比是一个设计密封表面的重要参数。这个脊/槽之比一般是1∶1。

在径向方面，一个由槽和脊组成的环形带，在密封面径向边形成一个槽部而在密封面的其它径向边部形成一光滑的、整个无槽的环形带。密封墙部的径向宽度与槽部之比被称之为密封墙宽度比。一般用在机械密封上的密封墙宽度比是1∶1。Sedy是在US-4212475中披露和规定的密封墙宽度比大致在0.5和0.8之间。

这些径向和圆周的尺寸比对提供密封气体的非接触机械端面密封是足够了。然而，在密封的液体例如蒸汽压液体时需要特殊考虑。例如，液化天然气在常温常压下是气态的。在更高的压力和更低温度下，天然气是液态的，在使用现有的机械端面密封和密封面设计时，可根据本发明通过增加天然气穿过密封时的剪切热进行改进。剪切热升高液化天然气的温度，而且将它转变为气体，这使密封更容易，而且泄漏更少。

在US-4889348中提出一个用于高蒸汽压液体的端面密封机构，该专利权授给Amundson，et，al并转让给本人。这个专利的主题在此文适当处被参考编入。一种双重密封组件***，采用一个内侧逆流组件的一个外侧顺流组件，每安装在轴上和机罩上，均已被Amundson.et.al提出。每个密封组件都有固定到机罩上的主环，和一个固定到轴上的配环。各环仍有相对的径向延伸的密封面，其中一个密封面有复数个顺流抽吸烟液槽，该槽从密封面的一个圆周延伸出来。逆流组件的密封环槽，其深度至少不超过大约100微英寸，所举的第二或顺流组件的槽，深度不小于逆流组件槽的深度。顺流组件槽深不超过大约200微英寸。

本发明是一种机械端面密封和方法，其适用于处理液化轻碳氢化合物或其它高蒸汽压液体的设备。这通过使用是有逆流密封件和顺流密封组件的密封装置已实现。如在美国专利US-4889348中所描述的那样，或者变换成单个组件***，如美国专利US-4212475中所述那样。由本发明所提供的改进能够适当与这两种中所述密封***任意之一一起使用。

应当理解，虽然本发明能够用一个单个组件构成一密封装置，但为安全起见，最好使用第二组件。此外，第二组件其环的槽深大于第一组件环的槽深，它为已被汽化并且密封在两组件之间的腔室中的液体提供更精确的压力调整。

本发明的目的是提供一种密封装置，其密封面结构能够用密封面之间的气膜密封高蒸汽压液体，气膜是通过密封面之间被密封的液体的剪切热使液体产生相变而产生的。

本发明的另一个目的是提供一种机械端面密封结构，该结构中一个环的一个密封面设置在槽中，这更易于生产并且不需目前所要求的精密度，而且所用密封面结构成液-汽相变机械密封。

因此，本发明提供一种具有使高蒸汽压液体例如液化天然所产生剪切热的能力，以便在机械密封主环和配环的密封面之间产生气膜的密封面结构，用于液-气相变的剪切热增加了温度，而且它是由密封面互相相对旋转时产生的。

本发明也提供一种用于螺旋槽机械端面密封***的密封环，其中该密封环包括一个是有第一和第二圆形边的径向延伸的密封面和包括一些从密封面的第一圆形边向内延伸到位于第一和第二圆形边中间的圆形分界线的顺流抽吸螺旋槽，圆形分界线和第二圆形边限定一具有一个沿中间分界线和第二圆形边之间半径截取的径向宽度的密封墙部分。槽部分中的螺旋槽被一些设置在螺旋槽之间的脊隔开，各脊表面基本与密封环的密封墙部所限定的平面共面。槽和脊限定了槽的表面积和脊的表面积，而且脊的表面积相对于槽的表面积之比大于一个值。通过变换或结合。槽部对密封墙之比是大于一个值。

附图简要说明。

图1是目前使用的双重组件机械端面密封的一部分沿垂直中心线所取剖面的侧视图。

图2是传统密封环的局部剖侧视图。

图3是本发明最佳实施例的一种密封环的侧视图。

图4是本发明的另一实施例的密封环的侧视图。

图5是本发明的又一实施例密封环的侧视图。

图6是一个沿乙烷的等温线绘制的压力对焓的曲线图。

图1表示了一个根据US-4889348构制的标号为10的密封。这个密封设计用来密封在泵罩之内的液化轻碳氢化合物或其它高蒸汽压液体例如液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG），其包括甲烷、乙烯、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷。泵罩指定为12，封闭泵腔14。轴16通过泵罩12的开口18延伸至大气20之中。

一般来说，密封10有一个串联的螺旋槽机械端面密封装置，每一个都有安装在罩和轴上的部分。密封一般类型见上述的美国专利US-4212475。串联密封包括一个逆流或内侧密封组件和一个顺流或外侧密封组件24。两者之间限定一个环形腔室25。每个密封组件有一对圆环，包括具有径向延伸密封面28A，28B的主环26A、26B和具有与主环密封面28A、28B相对的径向延伸密封面32A、32B的配环30A、30B、主环26A、26B通过保持架装置固定到罩上。与此相似。配环30A、30B通过套筒装置固定到旋转轴16上。

套筒装置包括一安装到轴16上并通过驱动键或其它装置（未画）带动旋转的轴套34。轴套34被适当的装置（未画）固定到轴上，防止轴套作向外轴向运动，一个O形密封环也设置在轴套34的法兰上，在轴套和轴之间的密封。逆流密封组件22包括一个支撑件38，它是通过一个在转动中被紧固环42夹住的环形拼合楔定位的。内六角螺旋钉44把紧固环42和配环支撑件38联结起来，以使拼合楔40压向轴套34。销46把配环30A联到配环支撑件38上。O形密封环如图所示设置在配环支撑件上，形成轴和配环支撑件之间的密封。

套筒装置进一步包括一有支撑法兰50的隔套48，它通过销46啮合并驱动外侧密封组件24的配环30B，再有，如图所示O形密封环装在法兰50上，隔套48延伸到并邻近配环30A的内径的径向密封面32A相抵触。因此，配环30A、30B和它们各自的支撑件38和50锁定在轴套34的轴肩52和拼合楔40之间。

保持架装置由用内六角螺钉57连在一起的内保持架54和外保持架56所组成。内保持架54安装了由主环26A，外保持件56类似地安装了外主环26B。每个保持架有多个弹簧58和盘60，它们推动主环，使它与配环相接触。盘60和弹簧58可使主环26A和26B沿轴做轴向运动。O形密封环61在盘60和保持架54和56之间提供了第二个密封。

密封压盖62联到罩12上，压盖是用螺钉安装到罩上的（未画出）。压盖有一个法兰64与保持架56的外端面相接触。保持架通过内六角螺钉66联到法兰上。如图所示，设置各个合适的O形密封环使压盖和罩12之间以及压盖和保持架54、56之间密封、一个孔道68与保持架56的开口70和腔室25相通。孔道68可联到火焰管或其它燃烧装置上，用以处理通过逆流密封组件24的旋转面的气体可控制的量。这种气体可以例如用于与所密封的装置或为其它用途进行再压缩的装置相连的建筑物的加热。

图2表示根据美国专利US-4889348的指导，在主环或配环两者之一上的相配密封面的一部分。为了说明，图中所示的是配环30A的密封面32A。该密封面有一些横过密封面32A部分宽度从外圆周向内延伸的顺流抽吸螺旋槽72。无槽表面74构成一个密封墙，提供了在密封表面不进行相互旋转时的接触静态密封。密封面32B也具有类似的结构。在轴不转动时，受压液体由于各环上密封墙74的接触而密封。

在轴开始旋转时，槽72抽吸密封面之间的液体，使主环沿轴向做轻微的移动，一部分液体进入所产生的间隙之中，这些液体在此间隙之中受到高的剪切应力，使液体温度上升并产生从液体到气体的相变。顺流密封组件是沿轴设置的第二屏障，使漏出的气体被迫顺孔道68排出，排出气体可能按上面已述的方法进行处理，若泄漏足够低，如本发明可以达到的那样，也可期望不用燃烧装置，顺流密封横向泄漏小，可忽略不计。

美国专利-4889348的指导依赖于内、外密封组件上的槽深，在密封是针对高蒸汽压液体，例如轻碳氢化合物时提供可接受的性能。特别是，所披露的逆流组件的槽深，基本上小于前面所提到的Sedy的美国专利-4212475中所规定的干式旋转气密封的最佳实施例中数值，所披露的槽深不超过100微英英寸。所披露的顺流组件的带槽环的槽深不少于逆流组件的槽深，但不超过200微英时。密封高蒸汽压碳氢化合物的设备的最佳运行参数和利用减少深度的槽的细节在上述已提到的美国专利-4889348中可以找到。

现参考图3，密封环76有一与本发明的最佳实施例相关构制的密封面78。密封面78与现有技术一样密封住一个圆形环的相配表面（没画出），而且其包括两个圆形部分，一个有多个槽80和脊82的槽部，和一个有密封墙84的无槽密封墙部。槽部有一沿箭头r，标注为Dg的径向尺寸，密封墙部有一标注为Dd的径向尺寸。形成密封墙部的密封墙有一相对环绕密封面的整个圆周的密封面78的平面一致的高度。本专业的熟练人员可以理解，密封墙部84不是由密封环的整个环形面横向相配构成的，但设置的轴套48覆盖了密封墙84的一些部分。脊82和密封墙84的密封面为了高度平整进行了抛光。

密封面78的槽部的径向宽度在环绕密封面78的圆周上是一致的，对每个螺旋槽来说，圆周宽度Wg在密封面78的最外直径处是一致的。每个脊82的圆周宽度We，当在密封面78的最外直径处测量时也是一致的。圆周宽度We和Wg，在向环76的中心距离减少时，测量两者都减少，但尺寸比We/Wg（脊/槽比）在任何给定的半径上都一致。这个比在径向宽度Dg的整个带槽圆环范围内都是一致的。换句话说，We/Wg之比无论取在密封表面78的最大外径处，还是取在槽部和密封墙部的分界线处都是相同的。

另一实施例，与槽80的密封面分界线具有不同于规则的分界线也是可以的。规则结构的螺旋槽的一个重要特征是在两密封之间的液体在弯曲方面上转移。液体在非螺旋结构中也能在密封的各密封面之间转移，这是公知的。那么可以期望根据本发明的教导将它们一起使用。在这方面应该考虑密封面的槽部的脊面积和槽面积之比。

本发明的一个特征是增加脊/槽面积之比，可增加汽化密封的液体所必需的剪切热。

已经发现，改变脊的表面积相对槽之比或改变脊的圆周宽度对槽部之比（We/Wg），能够使具有径向延伸的密封面的密封环之间获得更大或更小的间隙。与此相比，增加或减少密封墙的径向尺寸与槽部之比在密封间隙上也有类似的效果。特别是图3表示了具有这些尺寸的最佳之比的密封78。

已经发现，We/Wg之比为3∶1和Dd/Dg之比为3∶1时，对易挥发的，高蒸汽压液体，例如液化天然气可提供最佳密封间隙。可以相信，增加密封墙/槽之比（Dd/Dg）可提供更多的摩擦剪切热，它比现有技术中的密封在液体被由外延伸向内径的槽抽吸时，可使更多的液体转变成气体。此外，增加脊槽比，提供更高的热输入用于液体相变，从而减少外径处的液体泄漏量。更少的密封间隙，使通过逆流组件或内密封组件的液体的泄漏减少，而且使其以更快的速度加热液化天然气相变。

虽然可以用于任何高蒸气压的液体，已经发现，根据本发明的密封面用于液化天然气工作最理想。具有所公开的脊/槽和密封墙/槽宽比的密封面能够更全地汽化液化气。也可以使用不同的圆周宽度和径向尺寸比的其它密封面结构，而其它结构可以更适用于各种用途或高蒸气压液体。

例如图4和图5表示了另一密封面的实施例。除了相似结构在图4中用A表示，在图5中用B表示外，图4和图5中数码与图3中所用的数码表示同一结构。

图4表示一个具有密封面76A的密封环。其密封面上的脊82A的宽度与槽80A宽度之比（We/Wg）是1∶1，而密封墙84A与槽部之比是3∶1。与此相似，图5表示一具有密封面76B的密封环，该密封面上的脊82B的圆周宽度相对槽80B的园周宽度之比（We/Wg）是3∶1或更大。而密封墙部84A相对槽部之比是1∶1。图4和图5中所示的实施例特别适用在提供所需剪切热量的场合。

能够计算出任何特定应用所需剪切热的量。这种计算乙烷情况的实例用高蒸汽压液体的压力-焓图表示在图6之中。焓的热力分析，以每单位质量的热输入量即BTV/165（252卡/磅）进行计量，表示座标即x轴上。压力绘在共同座标即y轴上，从大气压[14.7Psia（磅/英寸²）]起增加至400Psia（磅/英寸²）或以上。

很多高蒸汽压液体在低压加热时，不能直接从液相转变成气相。这些液体需要输入热，特别是汽化潜热，以便能够产生相变。在图6的乙烷实施中，在图6中由所画的区域100所表示的液态乙烷蒸发成气相，由区域102表示。在低压时，即低于大致400Psia（磅/英寸²）时，乙烷通过由分界线106所划出的两相区104。

在图6中，为了说明起见，以实施的方式划出一条在40°F时的等温线108。对每个低于或高于40°F的温度都能画出等温线，而对大部分来说，这些等温线都是相互平行的。如图6所示，把乙烷的温度保持恒定在40°F，从在大约400Psia（磅/英寸²）的点110起减少压力，增加焓，或是增加保持乙烷在大约40°F等温所需热量。

当压力减少时，等温线108与分界线在液体区域100和两相区域104之间相交。在交点112，材料（乙烷）的热输入（焓）的增加不能显著地使压力减少。因为乙烷在两相区域内经受相变。提供给乙烷的热输入（焓）全部被相变吸收，而焓的增加被当作为汽化潜热。此处热输入量的计算，是从交点112到相对侧的第二交点114，该点是等温线108在气相区102和两相区104之间与分界线106相交之点。计算必须包括液体相变的量，它能够从泄漏速度测出。

当乙烷进入单相的气态区时，沿着等温线108的压力再次倾斜，直至达到大气压14.7Psia（磅/英寸²）的点116时为止。那么焓的变化可通过测定h₂和h₁之差来计算。

然而，在旋转气密封的实际应用中，这些线不全是等温的。如图6所示，在汽化乙烷气由于从外径到内径泄漏而降压时，导致温度下降。温度反向增加对保持气体蒸发和流动是必需的。温度上升使得由相对旋转密封面所产生的连续剪切热增加，所产生的平衡曲线用画在图6中的断续线118表示。

所画断续线118在下斜至表示大气压的点120时，横过等温线。在点116和120之间存在一个焓差，但这个差显不重要。只需要一个焓的附加量保证在乙烷接近密封的内径时乙烷全部汽化即可。这个被蒸发乙烷气所吸收的焓也使密封具有冷却能力。当乙烷从密封面之间泄漏时，它是在热态下跑掉的并带走了旋转密封所产生的过量热。

本发明的主要考虑是提供密封面构件的尺寸，该尺寸与密封的运行参数一起，可提供相应液体气化点的液体温度。所设计的密封能具有适当的结构参数，可获得由剪切热而得的热输入与汽化减压热的热流失之间平衡温度。一个熟练的工程师能够计算具有最小的气泄漏，同时为了冷却保持液体连续汽化的平衡温度。

第二个考虑是保证在密封面之间存在一足够的间隙，以避免轴旋转时密封环之间的接触，也避免产生能够损坏密封元件高温的过多的剪切热。减少密封间隙同时增加了由于剪切热产生的液体相变成气体的量，从而使密封面之间的气体压力更高。压力的增加产生更强的无摩擦薄膜，对密封面之间的液体或气体的泄漏来说，这增加了一个更大的障碍。增加密封墙宽度比（密封墙与槽之比Dd/Dg）可进一步增加对泄漏的障碍能力。

在最佳实施例中，配环30是由碳化钨（tungsten  Carbide）制成的，变形最小，同时主环26是用碳精制成。碳精这种材料是一种能与碳化钨（tungsten  carbide）的配环很好配合运转的材料，而且具有明显低的杨式弹性模量，使密封在压力分布不均产生局部压力异常情况下也能对准。本领域中熟练人员也懂得固定的主环26可由硬面材料例如碳化钨制成。其它变换，例如把螺旋槽设置在固定环上或采用不同的制环材料例如陶瓷都是在本发明的范围之内的。

最佳实施例包括如图3所示的螺旋槽，其具有上面所讨论的密封平面的各尺寸。应进一步考虑螺旋槽的深度和对圆周上切线所成的角度，必须采纳它们以增加所需密封特性。已经发现从大约25微英寸到大约300微英寸深的浅槽工作最好。最理想的是浅槽显著提高主环面的剪切热并且使密封面之间具有大约50到100微英寸的间隙。

最佳实施例进一步具有相对外径圆周或某一角度的槽。已经发现，角度的范围是在相对切线成10°到30°之间。最佳实施例的角度大致是15°。根据上述最佳实施例说明的密封已成功地用于LNG（液化天然气）电泵站。该泵在400Psia（磅/英寸²）、3600rpm、125°F。2-7/8英寸轴径，液体是50.5分子重和161°F时390Psia（磅/英寸²）的蒸汽压条件下运行。

可以期望使用串联密封***，例如公开在美国专利-4889348中的，可进一步防止天然气从密封腔中泄漏。从第一密封组件泄出的气体通过孔68（图1所示），可进一步利用或在火焰中烧样。第二密封组件24作为一个干式旋转气密封运行。而且具有先前所得到的现有技术中所叙常规参数。利用了本发明的密封面结构的串联装置的净效应是防止泄漏并增加了处理液化天然气时的安全检测。逆流密封组件密封了被加热的通过密封面28A和32A并将其转变成气体的液体量，而外测成顺流密封组件密封了液体的气相的过多泄漏。

一经理介本发明的教导，其它的密封结构将会变得显而易见。可以期望在某些应用中仅用了一个组件，例如逆流组件22。通过密封面28A和32A的汽化液体放入大气之中。

对本领域熟练的人来说，为某种特殊液体而对这些比例进行优化的其它考虑是会想到的。例如图3表示了高压侧的密封，在该侧有液体，并有在密封面的外径处的带槽圆形面82，以及其内径处在大气侧。在外径处的密封墙84具有相反结构也是可能的，而且允许加压气体在内径处，大气在外侧。

换句话说，图3～5中所示密封是在密封构件的外径处密封着加压液体的。然而，本发明的原理可以用于相对旋转密封面的内径处进行高压密封。

虽然说明书和附图表示了本发明的最佳形式，但可以认识到能够做出不脱离本权利要求保护范围的变形。因此，说明书和附图不能用限制意义来看而应以可能实现的意义来看。本发明仅限定在由下列权利要求规定的范围之中。

Claims (15)

1、一种密封环，用于带螺旋槽的机械端面密封***，密封***用于密封穿过机罩的旋转轴，防止高蒸汽压液体的泄漏，并包括间隔的逆流和顺流组件。所述逆流组件包括将所密封液体变相的装置，其包括固定到机罩上的一个主环和固定到旋转轴上的一个配环，密封环包括一具有第一和第二圆形边的径向延伸的密封面并包括一些顺流抽吸螺旋槽，这些槽从密封面的第一圆形边向内延伸到第一和第二圆形边中间的圆形分界线，圆形分界线和第一圆形边限定一个具有在径向方向上截取所述分界线和第一圆形边之间的径向宽度的槽部分，并且圆形分界线和第二圆形边限定一个具有沿所述第二圆形边和所述中间线之间直径所取的径向宽度的密封墙部分，在所述的槽部的所述螺旋槽，被设置在所述螺旋槽之间的一些脊隔开，脊的表面基本上在与所述密封环的密封墙部分所限定的平面共面。限定了槽表面积脊面积的槽和脊，以及脊的表面积相对槽表面积之比大于某一值。

2、根据权利要求1所述密封环，其中脊的整个表面积相对于槽的表面之比是从大约1.5到大约8.0。

3、根据权利要求2所述的密封环，其中整个脊的表面积对整个槽的表面积之比是大约2.5到3.5范围内。

4、根据权利要求3所述密封环，其中所述的比大致是3.0。

5、根据权利要求1所述的密封环，其中所述密封墙部的径向宽度相对于所述槽部的径向宽度之比是大于1。

6、根据权利要求5所述的密封环，其中所述密封墙部的径向宽度相对于所述槽部径向宽度之比是从大约1.5到大约8.0。

7、根据权利要求6所述的密封环，其中所述密封墙部的径向宽度相对所述槽部的径向宽度之比大致是3.0。

8、根据权利要求3所述的密封环，其中密封墙的径向宽度相对于槽部的径向宽度之比大致是3.0。

9、根据权利要求4所述的密封环，其中密封墙部的径向宽度相对于槽部的径向宽度之比大致是3.0。

10、根据权利要求1所述密封环，其中该螺旋槽是对称地围绕所述密封面的圆周设置的，并且每个所述脊的圆周尺寸相对于每个所述槽的圆周尺寸之比大于某一值。

11、根据权利要求10所述的密封环，其中每个所述的脊的圆周尺寸相对于每个所述槽的圆周尺寸之比大致是在1.5和8.0之间。

12、根据权利要求11所述的密封环，其中所述的比大致是3.0。

13、根据权利要求12所述的密封环，其中密封墙部的径向宽度相对于槽部的径向宽度之比大于某一值。

14、根据权利要求13所述的密封环，其中密封墙部的径向宽度相对于槽部的径向宽度之比大致是从1.5到8.0。

15、根据权利要求14所述的密封环，其中密封墙部的径向宽度相对于槽部的径向宽度之比大致是3.0。

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