Dry Gas Seal: Thiết kế, Vận hành và bảo dưỡng để nâng cao độ tin cậy
Việc sử dụng Dry gas seal trong các máy nén ly tâm với lưu chất nén là khí công nghệ (process gas) đã tăng nhanh chóng trong 20 năm gần đây, và dần thay thế cho loại seal làm kín bằng màng dầu (oil film seals) truyền thống. Hơn 80% máy nén ly tâm sản xuất ra ngày nay được lắp đặt dry gas seal. Ngày nay các nhà sản xuất đang tiếp tục nghiên cứu phát triển và cải tiến dry gas seal sao cho nó vận hành với hiệu quả cao nhất.
Máy nén ly tâm nén khí công nghệ đòi hỏi phải có bộ phận làm kín trục để ngăn ngừa sự rò rỉ khí từ trong máy nén ra ngoài môi trường khí quyển một cách không kiểm soát được. Đối với loại máy nén nhiều cấp, kiểu máy nén “dầm” (beam) hình 1 yêu cầu phải có hai seal bố trí ở 2 đầu trục, còn với loại một cấp, kiểu máy nén côngxôn (overhung) thì chỉ cần một seal làm kín phía sau bánh công tác. Dry gas seal đã được được ứng dụng trong việc làm kín trục.
Dry gas seals
Hiện nay dry gas seal có nhiều kết cấu khác nhau, nhưng chủ yếu có kết cấu theo kiểu “Tandem”. Một Tandem seal cơ bản bao gồm một vòng primary seal và một vòng secondary seal chứa trong một hộp làm kín. Trong quá trình vận hành bình thường, primary seal hấp thụ toàn bộ áp trong lượng mất áp của khí đi qua tới hệ thống xả (vent system). Và secondary seal làm việc như một cấp làm kín dự phòng trong trường hợp cấp primary seal bị hư hỏng.
Với phân tích đơn giản, Seal bao gồm hai vòng : một vòng tĩnh (primary ring) làm bằng vật liệu mềm cácbon, vòng tĩnh này được giữ trong một vỏ thép không rỉ, một dãy lò xo sẽ tác dụng lực ép vòng tĩnh này tác dụng lên bề mặt của vòng động (mating ring) làm bằng kim loại cứng cácbít, vòng này cố định với ống lót (sleeve) và quay cùng trục khi làm việc như hình 3 dưới đây.
Sự làm kín lưu chất đạt được khi hai bề mặt tĩnh và động tiếp xúc với nhau theo một phương thức đặc biệt. Các bề mặt làm kín có một độ phẳng cực cao với hàng loạt các rãnh xoắn ốc trên vòng động (mating ring) như hình 5.
Khi quay, lưu chất sẽ được bơm hướng vào trong tâm các rãnh này, gọi là “sealing dam” (“đập” làm kín). Các “đập” này tạo ra sự cản trở đối với dòng lưu chất, làm áp suất bề mặt tăng dần lên. Khi áp suất tạo ra này tăng sẽ thắng lực lò xo và đẩy vòng cácbon ra khỏi bề mặt tiếp xúc với vòng cácbít với một lượng chính xác, khoảng 3 đến 4 micrômét (bằng 1/20 đường kính sợi tóc). Khe hở này được tính toán sao cho lúc đó tổng lực đóng bao gồm lực thủy tĩnh và lực lò xo tương đương với lực mở tạo ra bên trong màng lưu chất.
Theo điều kiện cân bằng động, các lực tác động lên seal có thể biểu diễn bằng biểu đồ lực dưới đây :
Lực đóng FC bằng tổng của áp suất hệ thống và lực lò xo.
Lực mở FO bằng áp suất hệ thống nhằm phá vỡ sự tiếp xúc của hai vòng cộng với áp suất tạo ra bởi các rãnh xoắn ốc.
Theo định luật cân bằng, nếu FC=FO, thì khe hở xấp xỉ 3 micrômét (thường đối với lưu chất nghịch).
Nếu xảy ra sự chảy rối của dòng lưu chất, sẽ làm giảm khe hở ở trên. Áp suất tạo ra bởi các rãnh xoắn ốc trên sẽ tăng đáng kể, như mô tả trong hình 7.
Nhiễm bẩn ở Dry Gas Seal
Khe hở giữa 2 vòng làm kín chỉ từ 3-4 micromét, với khe hở rất hẹp như thế nên khi chất bẩn bên ngoài đi vào (chất rắn hoặc lỏng) có thể gây ăn mòn nhanh các bề mặt làm kín, dẫn tới rò rỉ khí tới đường vent nhiều và thậm chí dẫn tới phá hư seal. Ngoài ra khi chất bẩn đi vào khe hở rất nhỏ này sẽ làm tăng lực co kéo giữa hai vòng làm kín dẫn đến méo mó, biến dạng hoặc gây ra qua nhiệt dẫn đến các chi tiết như o-ring bị thoái hoá hoặc vòng cứng mating ring bị nứt vỡ.
Có 3 nguồn chính làm nhiễm bẩn gas seal:
– Khí công nghệ (từ bên trong máy nén)
xảy ra khi áp khí làm kín không đủ dẫn tới khí công nghệ đi tới tiếp xúc trực tiếp với bề mặt làm kín. Các chất bẩn tồn tại trong khí công nghệ có thể sau đó sẽ phá hư seal.
– Dầu bôi trơn từ gối đỡ.
Dry gas seal có một cấp chắn bởi barrier seal, ở tầng ngoài của gas seal, cấp này nằm ở giữa gas seal và buồng gối đỡ máy nén. Cấp seal này thường được cung cấp khí đệm là Nitơ hoặc không khí (buffer). Nhiệm vụ chính của barrier seal là ngăn không cho dầu bôi trơn đi vào trong gas seal. Cho nên khi barrier seal bi hư dầu sẽ thâm nhập vào trong gas seal.
Trước đây barrier seal thường là labyrinth seal (kiểu răng lược hay khuất khúc) để ngăn dầu bôi trơn đi vào gas seal và đã cho thấy khá hiệu quả qua sử dụng. Những năm gần đây labyrinth seal được thay thế bằng vòng các-bon nhiều miếng (segmental carbon ring) trong hầu hết các barrier seal. Vòng cácbon này có 2 loại, loại tiếp xúc trục (contacting) và không tiếp xúc trục (non-contacting) (hình 8). Vòng cácbon này gồm nhiều miếng ghép lại thành vòng tròn và được giữ bởi một vòng lò xo bao quanh. Vòng carbon này lắp ôm lấy trục và tạo khe hở giữa đường kính trong của nó và đường kính ngoài của trục. Đối với loại vòng làm kín tiếp xúc (contacting) thì khe hở bằng 0, vòng ép chặt lên trục, còn loại không tiếp xúc có khe hở nhỏ với trục. Theo thực tế sử dụng loại vòng cácbon tiếp xúc (khe hở bằng 0) thì không có hiệu quả trong việc ngăn dầu đi vào gas seal bằng loại không tiếp xúc. Mặt khác, loại vòng tiếp xúc trục rất dễ bị nứt mẻ hay vỡ trong quá trình lắp đặt, khi đẩy trượt trên trục.
Nói tóm lại, labyrinth seal nên ứng dụng tối đa cho barrier seal để bảo vệ gas seal khỏi bị nhiễm dầu và khi yêu cầu về cách ly nghiêm ngặt giữa gas và dầu thì nên sử dụng vòng cacbon nhiều miếng loại không tiếp xúc trục nhằm đảm bảo độ tin cậy cao hơn.
– Khí đưa vào seal để làm kín.
Khi khí làm kín không được xử lý thích hợp trước khi đi vào gas seal có thể làm nhiễm bẩn gas seal. Nhà sản xuất Gas seal đã có yêu cầu rất nghiêm ngặt cho chất lượng khí làm kín. Thường khí làm kín phải khô và qua bộ lọc có khả năng lọc hạt bẩn có kích cỡ từ 3 micromét trở lên. Trên hệ thống khí làm kín thường lắp đặt bộ lọc này.
