O guia essencial para vedações a gás seco: estrutura e função

I. Introdução

A vedação a gás seca é um novo tipo de vedação de eixo sem contato desenvolvida com base em rolamentos lubrificados a gás no final da década de 1960, sendo as vedações com ranhura em espiral o exemplo mais típico.

Após anos de pesquisa, a John Crane Company, nos Estados Unidos, foi a primeira a introduzir produtos de vedação seca a gás para uso industrial.

A prática tem demonstrado que as vedações a gás secas oferecem muitas vantagens em relação às vedações mecânicas de contato convencionais. Eles são usados ​​principalmente em dutos, plataformas offshore, refinarias e indústria petroquímica, adequados para qualquer sistema de transmissão de gás.

Como as vedações a gás seco são vedações sem contato não limitadas pelo valor PV, elas são especialmente adequadas para grandes compressores centrífugos sob condições de alta velocidade e alta pressão. O advento dos selos secos a gás representa um avanço revolucionário na tecnologia de vedação, resolvendo os desafios da vedação a gás sem as limitações do óleo lubrificante de selos.

Além disso, os sistemas de controle de gás necessários são muito mais simples do que os sistemas de óleo das vedações de filme.

Além disso, o surgimento de selos secos a gás mudou os conceitos tradicionais de vedação, integrando organicamente a tecnologia de selos secos a gás com princípios de vedação por barreira.

O novo conceito de “utilização de gás como selante” substitui o conceito tradicional de “selagem líquida, gás ou líquido”, garantindo vazamento zero de qualquer meio de vedação. Isso torna as vedações secas a gás amplamente aplicáveis ​​no campo de vedações de eixo de bomba.

A tabela a seguir compara as taxas de vazamento das vedações secas a gás do compressor com outras vedações comuns:

Condições de teste para a unidade experimental: diâmetro do eixo de 140 mm, velocidade de 5.000 rpm, pressão do gás de processo de 0,6 MPa e pressão do óleo de vedação (gás) de 0,75 MPa.

Em comparação com os selos mecânicos de contato convencionais, os selos a gás secos oferecem as seguintes vantagens principais:

1. Eliminação do sistema de óleo de vedação e da carga de energia adicional necessária para operá-lo.
2. Redução significativa nos custos de manutenção não planejada e no tempo de inatividade da produção.
3. Prevenção da contaminação de gases de processo por óleo.
4. Vazamento mínimo de gás de vedação.
5. Baixos custos de manutenção e boa praticidade econômica.
6. Baixo consumo de energia para operação de vedação.
7. Longa vida útil da vedação e operação confiável.

II. Princípio de funcionamento de vedações a gás seco

Em comparação com outros selos mecânicos, os selos secos a gás são fundamentalmente semelhantes em estrutura. A principal diferença é que um anel de vedação de um selo a gás seco possui ranhuras rasas distribuídas uniformemente. Essas ranhuras permitem que a vedação opere em um estado sem contato, gerando um efeito de pressão dinâmica de fluido durante a rotação, separando as superfícies de vedação.

Os formatos de ranhura na face final de vedação das vedações a gás secas são categorizados principalmente em tipos unidirecionais e bidirecionais.

Ranhuras unidirecionais são mais comumente usadas em unidades de compressores atuais. Só podem ser utilizados em unidades com rotação unidirecional, gerando força de abertura no sentido desejado; se invertida, a força de abertura negativa pode danificar a vedação.

No entanto, em comparação com as ranhuras bidirecionais, elas podem gerar maiores forças de abertura e rigidez do filme de gás, oferecendo maior estabilidade e prevenção mais confiável do contato final, podendo assim ser utilizadas em velocidades muito baixas e sob vibração significativa.

Ranhuras bidirecionais também são comuns. Este tipo de ranhura não possui requisitos direcionais, sendo adequado para rotações diretas e reversas sem danificar a vedação. Sua faixa de aplicação é mais ampla do que as ranhuras unidirecionais, mas sua estabilidade e resistência a interferências são inferiores.

Através de repetidos experimentos e estudos comparativos em vários tipos de ranhuras de vedações a gás secas, foi confirmado que o design da ranhura helicoidal oferece a mais alta rigidez do filme de gás com vazamento mínimo, alcançando a melhor taxa de vazamento. Abaixo está uma introdução detalhada a este tipo de groove.

O diagrama abaixo ilustra uma vedação a gás seca típica com ranhuras helicoidais na superfície de vedação, com profundidade inferior a 10 micrômetros. Quando a vedação opera, o gás selado é tangencialmente puxado para dentro das ranhuras helicoidais, movendo-se radialmente do diâmetro externo em direção ao centro (ou seja, o lado de baixa pressão), impedido pela barragem de vedação de fluir em direção ao lado de baixa pressão.

O gás é comprimido à medida que se move ao longo do formato transversal variável das ranhuras helicoidais, criando uma área localizada de alta pressão na raiz da ranhura, separando as faces finais em alguns micrômetros para formar uma película de gás de certa espessura.

Sob esta espessura de filme de gás, a força de abertura gerada pela ação do filme de gás se equilibra com a força de fechamento gerada pelas forças da mola e do meio, permitindo que a vedação opere sem contato. O filme de gás formado entre as superfícies de vedação do selo a gás seco possui uma certa rigidez positiva, garantindo a estabilidade da operação do selo. Para obter o efeito de pressão fluidodinâmico necessário, as ranhuras de pressão dinâmica devem estar localizadas no lado de alta pressão.

O diagrama acima mostra as forças que atuam em uma vedação a gás seca com ranhura helicoidal, ilustrando como a rigidez do filme de gás garante a estabilidade da operação da vedação. Em condições normais, a força de fechamento da vedação é igual à força de abertura.

Quando ocorrem perturbações externas (por exemplo, flutuações de processo ou operacionais), levando a uma diminuição na espessura do filme de gás, a força de cisalhamento viscoso do gás aumenta, aumentando o efeito de pressão dinâmica do fluido gerado pelas ranhuras helicoidais, aumentando assim a pressão do filme de gás e a força de abertura manter o equilíbrio de forças e restaurar a vedação à sua lacuna original; inversamente, se a vedação for perturbada e a espessura do filme de gás aumentar, o efeito de pressão dinâmica gerado pelas ranhuras helicoidais enfraquece, reduzindo a pressão do filme de gás e a força de abertura, permitindo que a vedação retorne à sua folga original.

Portanto, desde que esteja dentro da faixa de projeto, quando as perturbações externas são eliminadas, a vedação sempre pode retornar à sua folga de trabalho projetada, o que significa que a vedação a gás seco tem uma função de autoajuste que garante uma operação estável e confiável.

O principal indicador da estabilidade da vedação é a rigidez do filme de gás gerado, que é a razão entre a mudança na força do filme de gás e a mudança na espessura do filme de gás. Quanto maior a rigidez do filme de gás, mais forte será a resistência à interferência do selo e mais estável será sua operação.

III. Estruturas típicas de vedação de gás seco

Existem diferentes formas estruturais gerais de vedações a gás secas, adequadas para diversas condições de trabalho. Na prática, os selos secos a gás usados ​​em compressores centrífugos incluem principalmente as seguintes quatro estruturas:

1. Vedação de face única

A vedação de face única é usada principalmente para gases não perigosos, ou seja, situações onde é permitido um pequeno vazamento do gás médio para a atmosfera. O gás utilizado para vedação é o próprio gás do processo. Este tipo é comumente usado em unidades importadas nacionalmente, como compressores de dióxido de carbono.

2. Selo Tandem

O selo de gás seco tandem é uma estrutura de vedação com alta confiabilidade operacional, normalmente aplicada onde é permitido um pequeno vazamento do gás médio na atmosfera. É amplamente utilizado nas unidades introduzidas de empresas petroquímicas.

Um selo a gás seco tandem pode ser considerado como dois ou mais conjuntos de selos a gás secos conectados na mesma direção, de ponta a ponta. Semelhante à estrutura de face única, o gás de vedação é o próprio gás do processo. Normalmente, uma estrutura de dois estágios é usada onde o primeiro estágio (vedação primária) suporta a carga total e o outro estágio serve como vedação de backup sem queda de pressão do rolamento.

O gás de processo vazado do selo primário é introduzido em um queimador para combustão. Uma quantidade muito pequena de gás de processo não queimado vaza através da vedação secundária e é ventilada com segurança.

Caso a vedação primária falhe, a vedação secundária atua como uma vedação de segurança auxiliar, evitando vazamentos maciços do meio do processo na atmosfera.

3. Vedação Tandem com Labirinto Intermediário

Quando o vazamento do meio de processo para a atmosfera não é permitido, nem o vazamento de gás tampão para o meio de processo, uma vedação de labirinto intermediária pode ser adicionada entre os dois estágios de uma estrutura em tandem.

Esta estrutura é utilizada para gases inflamáveis, explosivos e perigosos, não conseguindo vazamento externo. Os exemplos incluem compressores de H2, compressores de gás natural com alto teor de H2S, compressores de etileno, propileno e amônia.

Além do gás de processo, esta estrutura também requer uma rota adicional de gás nitrogênio como gás de vedação para a vedação secundária. O gás de processo vazado do selo primário é inteiramente introduzido em um flare para combustão por gás nitrogênio.

Todos os gases vazados para a atmosfera através do selo secundário são nitrogênio. Caso a vedação primária falhe, a vedação secundária também serve como vedação de segurança auxiliar. Esta estrutura é relativamente complexa, mas devido à sua maior confiabilidade, tornou-se a configuração padrão em vedações de eixo de compressores centrífugos de média e alta pressão.

4. Vedação Dupla Face

A vedação de dupla face é equivalente a duas vedações de face única dispostas frente a frente, às vezes compartilhando um anel giratório. É adequado para condições sem sistemas de flare, onde é permitido um pequeno vazamento de gás de vedação no meio do processo. A introdução de gás nitrogênio entre os dois conjuntos de vedações forma um sistema de vedação de bloqueio confiável.

A pressão do gás nitrogênio é controlada para manter sempre um nível ligeiramente superior à pressão do gás de processo (0,2-0,3 MPa), garantindo que a direção do vazamento de gás seja sempre em direção ao meio do processo e à atmosfera, evitando assim o vazamento do gás de processo. para a atmosfera. A estrutura de vedação de dupla face é usada principalmente para gases tóxicos, inflamáveis ​​e explosivos de baixa pressão.

4. Visão geral do projeto do selo de gás seco

As vedações a gás secas operam com faces sem contato durante a operação, mas ocorre um breve contato durante as fases de inicialização e desligamento, necessitando do uso de materiais resistentes ao desgaste para as superfícies de contato.

Os materiais para os pares de fricção em vedações a gás secas normalmente incluem materiais com baixos coeficientes de expansão térmica, alto módulo de elasticidade, resistência à tração, condutividade térmica e dureza, como SiC ou carboneto cimentado para a face dura, e grafite impregnada ou SiC para o rosto macio. As ranhuras dinâmicas são geralmente usinadas na superfície do anel dinâmico.

Como a estrutura das vedações a gás secas não é significativamente diferente daquela das vedações mecânicas convencionais, o projeto das vedações a gás secas concentra-se principalmente nos parâmetros dos formatos das ranhuras nas faces da vedação. A base teórica das vedações a gás secas é baseada nos princípios dos rolamentos axiais com ranhura em espiral, aderindo à equação de Reynolds e às equações de Navier-Stokes.

Nossa empresa emprega o método de elementos finitos para cálculos numéricos, com software proprietário desenvolvido internamente para calcular a distribuição de pressão do filme de gás na superfície de vedação com ranhuras em espiral, determinando ainda a capacidade de carga, a rigidez do filme de gás e a taxa de vazamento de gás do gás seco. selo.

A estabilidade e a confiabilidade da operação do selo a gás seco dependem da rigidez do filme de gás na superfície de vedação. O impacto dos parâmetros do processo e dos parâmetros estruturais da ranhura em espiral no desempenho da vedação é refletido principalmente em seu efeito na rigidez do filme de gás; quanto maior for a rigidez, melhor será a estabilidade da vedação.

Além de considerar a rigidez do filme de gás, nossa empresa também se concentra na taxa de vazamento da vedação, visando a maior relação rigidez/vazamento possível. Isto significa que a vedação possui alta rigidez e baixas taxas de vazamento. Somente vedações a gás secas com relação rigidez-vazamento máxima e rigidez significativa do filme de gás podem garantir uma operação ideal, estável e de longo prazo.

Os parâmetros estruturais das ranhuras espirais que afetam a rigidez do filme de gás incluem a profundidade da ranhura, o ângulo espiral, o número de ranhuras, a relação entre a largura da ranhura e a largura do vertedor e a relação entre o comprimento da ranhura e o comprimento da barragem, exigindo otimização através de software especializado. Os parâmetros do processo que afetam a rigidez do filme de gás incluem:

1. Viscosidade do gás tampão: A viscosidade do gás de vedação impacta significativamente a rigidez do filme de gás; maior viscosidade resulta em efeitos hidrodinâmicos mais fortes e maior rigidez.
2. Temperatura do gás de vedação: A viscosidade do gás varia com a temperatura; temperaturas mais altas resultam em viscosidades mais altas e maior rigidez do filme de gás.
3. Velocidade de vedação: Velocidades mais altas melhoram os efeitos hidrodinâmicos, aumentando a rigidez do filme de gás. Idealmente, sem considerar os impactos da usinagem da vedação e da precisão da instalação, velocidades mais altas melhoram a estabilidade da vedação a gás seco sem serem limitadas pelo valor PV da vedação mecânica, tornando as vedações a gás secas particularmente adequadas para aplicações de alta velocidade.
4. Diâmetro da face de vedação: Na mesma velocidade, um diâmetro de vedação maior resulta em velocidade linear mais alta e maior rigidez do filme de gás.
5. Pressão do gás tampão: A pressão do gás tampão tem um impacto mínimo na rigidez do filme de gás; geralmente, pressões mais altas aumentam ligeiramente a rigidez.

V. Sistema de controle de vedação de gás seco

Para garantir a confiabilidade das operações do selo a gás seco, cada conjunto é equipado com um sistema de monitoramento e controle correspondente. Este sistema mantém a vedação operando em seu estado ideal de projeto. Caso a vedação falhe, o sistema aciona rapidamente um alarme, permitindo que o pessoal de manutenção resolva o problema imediatamente.

Aqui, apresentaremos um típico sistema de vedação de gás seco em tandem.

O diagrama esquemático abaixo ilustra o sistema. Em condições normais, um fluxo de gás é retirado da saída da unidade, passando por dois estágios de filtração (com precisão de 3μm), resultando em um gás seco e limpo. Este gás serve como tampão para o selo a gás seco, entrando na câmara do selo.

A pressão é controlada para ficar ligeiramente acima da pressão do gás de processo de referência durante operações normais (normalmente 50KPa), evitando que impurezas como poeira e óleo condensado no gás de processo não refinado entrem na face da vedação, o que poderia afetar adversamente o desempenho da vedação a gás seco. O sistema emprega um transmissor de pressão diferencial para medir a diferença de pressão entre o gás tampão e o gás de referência.

O sinal controla uma válvula reguladora de diafragma pneumática localizada na entrada do gás tampão, ajustando a pressão de entrada para manter uma pressão diferencial constante com o gás de referência. A maior parte do gás tampão que entra na câmara de vedação retorna ao gás de processo através de uma vedação em labirinto.

Uma pequena porção vaza através do selo de gás seco do primeiro estágio, conhecido como vazamento de gás do primeiro estágio. A maior parte disso é queimada com segurança em um sinalizador.

Um filme de gás estável, essencial para uma operação ideal a longo prazo, só pode se formar sob o diferencial de pressão correto. O sistema consegue isso instalando uma válvula borboleta na saída do gás de vazamento do primeiro estágio, ajustando a abertura da válvula para gerar a contrapressão apropriada. Esta válvula também serve para limitar vazamentos caso a vedação do primeiro estágio falhe.

Além disso, o gás nitrogênio é introduzido como gás isolante através de um filtro e uma válvula de redução de pressão em uma vedação de labirinto subsequente. Sua pressão é ligeiramente superior à pressão do óleo da caixa de rolamento (geralmente a pressão atmosférica), criando um sistema de vedação de bloqueio confiável.

Isso garante que o óleo lubrificante da caixa do rolamento não entre na vedação de gás seca e evita que o gás residual do processo contamine o óleo lubrificante na área do rolamento.

Uma parte do gás de isolamento entra na caixa de rolamento, enquanto o restante se mistura com a pequena quantidade de gás de processo não queimado do gás de vazamento do primeiro estágio, conhecido como gás de vazamento do segundo estágio. Isto pode ser liberado com segurança para a atmosfera como um gás ambientalmente inofensivo.

O principal método para determinar se a vedação está funcionando corretamente é monitorar o vazamento de gás do primeiro estágio. Se ocorrer uma anomalia, a pressão e a vazão do selo a gás seco do primeiro estágio aumentarão significativamente.

Se atingir um valor de alarme alto predeterminado, um transmissor de pressão envia um sinal para a sala de controle, acionando um sinal de alarme. Isso alerta os operadores para verificarem se a pressão do sistema de controle está dentro da faixa projetada.

Quando a quantidade de vazamento de gás atinge um valor de alarme extremamente alto, isso indica que o selo de gás seco falhou, provocando o desligamento do sistema para evitar danos ao equipamento.

VI. Precauções de instalação do selo de gás seco

As vedações a gás secas são componentes altamente precisos que requerem atenção especial durante a instalação, desmontagem e uso. As seguintes precauções são normalmente recomendadas:

1. Fabricantes não especializados não devem desmontar as vedações devido às suas complexas relações de montagem, altos requisitos de limpeza, ferramentas de montagem especializadas e necessidade de balanceamento dinâmico preciso.
2. Transporte, instalação e desmontagem exigem o uso de placas de posicionamento.
3. A posição relativa da cavidade e do eixo exige alta precisão; confirme as dimensões relevantes com antecedência e ajuste com calços, se necessário.
4. Durante a instalação, mantenha a concentricidade do rotor e da carcaça, fixando o rotor no lugar.
5. Normalmente, comece com a instalação da extremidade da placa de encosto para garantir o posicionamento preciso da vedação na outra extremidade.
6. Limpe completamente a câmara de vedação e todos os tubos de entrada e saída, garantindo um padrão de limpeza mais elevado do que os tubos de óleo.
7. Não utilize graxa para lubrificação; em vez disso, use graxa de silicone.
8. Após instalar a vedação na unidade e remover as placas de posicionamento, certifique-se de que o deslocamento axial do rotor não exceda 2 mm.

VII. Manutenção durante a operação do selo a gás seco

As vedações a gás secas, projetadas para uma ampla gama de aplicações, normalmente não requerem manutenção em condições normais.

No entanto, é essencial monitorar diariamente o vazamento da vedação. Um aumento no vazamento pode indicar falha potencial na vedação e deve-se prestar atenção aos seguintes aspectos:

1. As vedações a gás secas com ranhura helicoidal são projetadas para rotação unidirecional, portanto, a rotação reversa deve ser evitada. Além disso, operar em velocidades baixas, abaixo de 5 metros por segundo, por longos períodos pode danificar a vedação.
2. Garanta um fluxo estável de gás de vedação. Manter um fluxo de gás de vedação constante e ininterrupto é crucial para a operação normal de vedações a gás secas.
3. Evite operar a vedação sob pressão negativa. A pressão negativa em vedações de face dupla pode aumentar significativamente o vazamento em condições estáticas e danificar as faces de vedação em condições dinâmicas. Para vedações tandem, isso pode levar à contaminação por gás de processo não filtrado, causando falha rápida da vedação.
4. Monitore as alterações no vazamento da vedação. As variações de vazamento refletem diretamente o status operacional do selo seco a gás. Fatores como flutuações no gás do processo, movimento do eixo, oscilações e mudanças na pressão, temperatura e velocidade podem afetar o vazamento. A operação normal é indicada por taxas de vazamento estáveis; uma tendência ascendente sugere mau funcionamento do selo.
5. Quando a pressão diferencial do filtro atingir o valor de alarme, troque os filtros e substitua o elemento filtrante imediatamente.
6. Ao iniciar a unidade, espere até que o gás de barreira do sistema de controle de vedação a gás seco tenha acumulado pressão suficiente antes de iniciar o sistema de lubrificação com óleo.
7. Ao desligar a unidade, aguarde até que a unidade pare completamente e por mais de 10 minutos após o sistema de óleo ter parado antes de desligar o sistema de controle do selo de gás seco.

VIII. Condições necessárias para aplicações de retrofit de vedação de gás seco

Após extensas pesquisas e testes, os selos secos a gás foram amplamente adotados em aplicações industriais. As crescentes demandas da indústria moderna por eficiência energética, redução de consumo e proteção ambiental tornaram a confiabilidade, vazamento mínimo, longevidade e operação estável de vedações de eixo em compressores centrífugos, que transportam grandes volumes de gases perigosos, uma necessidade.

Em comparação com os selos mecânicos de contato convencionais, os selos a gás secos oferecem vantagens incomparáveis: vida útil mais longa, sem vazamento do meio do processo e menores custos de manutenção. Esses benefícios estão alinhados com os objetivos buscados por vários tipos de vedações de eixo.

As vedações a gás seco podem ser adaptadas e aplicadas com sucesso em compressores centrífugos, bombas centrífugas, reatores e outros equipamentos, desde que as duas condições a seguir sejam atendidas:

1. O requisito básico para a operação de selos secos a gás é a disponibilidade de uma fonte de gás no local. A fonte de gás pode ser um gás de processo ou um gás inerte ecologicamente correto, como nitrogênio, proveniente de dentro da planta ou de um gerador de nitrogênio dedicado.
2. O local de instalação da vedação do eixo deve ter espaço axial e radial suficiente e aberturas apropriadas.