机械密封及其管路系统的选用

机械密封及其管路系统的选用（原载《化工设备与管道》2003年第2期）（本文如有错误，以原文为准）林杰张唏琳阮黎祥陈伟（中国石化集团上海医药工业设计院）一、概述随着环境保护和人类健康要求的提高，对机器的泄漏要求也不断提高。由于机械密封泄漏量很小，密封可靠。因此自1885年，英国产生第一个机械密封以来，机械密封被广泛应用于化工、石化和医药装置中。目前70～80％的工业用泵配备机械密封。API610《石油、重化学和天然气工业用离心泵》(CentrifugalPumpsforPetroleum,HeavyChemical,andGasIndustryServices)要求泵的连续运转周期至少为3年。这就要求机械密封的连续运转周期也需达到3年以上。虽然近年来机械密封技术发展很快，集装式机械密封的不断完善及新材料的不断应用，使密封寿命大大延长，泄漏量也大大减少。但要满足这一条仍相当困难。据统计，密封引起的故障占全部机器故障的40％以上。造成这一现象的原因，一是作为泵机组中的动密封，其本身所处的工作条件、所起的作用所决定。二是许多国内设计单位以及工程公司(包括用户)认为密封选用是泵厂和密封厂的事情，往往对机械密封的选用参数、类型、结构和原理以及管路系统了解不深，难以参与机械密封的选用工作，造成密封的选型不当。本文从选用的角度，介绍机械密封的选型参数、类型、结构、标准和试验，并通过选用举例作进一步的阐述。二、机械密封选型参数机械密封的选型参数如下：1．输送介质的物理化学性质，如腐蚀性、固体颗粒含量和大小、密度、粘度、汽化压力，介质中的气体含量，以及介质是否易结晶等。2．安装密封的有效空间(D与L)等。3．工艺参数(1)密封腔压力P密封腔压力指密封腔内的流体压力，该参数是密封选用的主要参数。确定密封腔压力时，除需要知道泵进口和出口压力外，还需了解泵的类型和结构。对新采购的泵，最方便、可靠的办法是向泵制造厂了解密封腔的压力数据；对现场在役设备，确认密封腔压力最简单的办法是在密封腔上装设压力表。为方便密封选用，表1给出了供参考的密封腔压力值Pm。表1不同类型泵的密封腔压力值Pm(供参考)泵的类型估算公式后盖板带背叶片、耐磨环Pm=Ps+0.25(Pd-Ps)，式中，泵出口压力，下同。泵进口压力，PdPs后盖板带平衡孔Pm=Ps+0.10(Pd-Ps)带背叶片和平衡孔Pm=Ps后盖板有耐磨环，无平衡孔Pm=Ps+1.8bar开式叶轮，无后盖板和平衡孔Pm=Ps+C(Pd-Ps)注：C=0.1(最大叶轮直径),C=0.3(最小叶轮直径)后盖板无耐磨环，无平衡孔Pm=Ps（大部分立式泵均如此）双吸泵Pm=Ps多级泵根据平衡管、平衡盘和平衡鼓的布置来分析，密封腔压力有时等于进口压力，有时是某一中间级出口压力，有时是泵的出口压力(2)流体温度T指密封腔内的流体温度。(3)密封圆周速度V指密封处轴的周向速度，按下式计算。V=πnd/60式中轴径，m；d泵轴转速，r/min。n三、机械密封型式的确定1.推压型和非推压型密封推压型密封：指辅助密封沿轴或轴套机械推压来补偿密封面磨损的机械密封，通常就是指弹簧压紧式密封，如图1。非推压型密封：辅助密封固定在轴上的机械密封，通常为波纹管密封，如图2。图1推压型机械密封图2非推压型机械密封推压型密封和非推压型密封特点的比较见表2。表2推压型密封和非推压型密封特点的比较推压型密封非推压型密封压缩单元单弹簧或多弹簧金属波纹管或橡胶波纹管轴的辅助密封动态静态商业用尺寸范围13～508mm18～305mm温度范围-268℃～232℃-268℃～427℃压力范围20.69MPa2.41MPa特点尺寸范围大高压适宜于特殊设计适宜于采用特殊金属零部件少固有的平衡型结构静环磨损后，动环能自由前移高温价格一般较低一般较高2.平衡型和非平衡型密封(1)载荷系数K其计算公式如下：内装式密封：外装式密封：式中密封环带的外径；d2密封环带的内径；d1密封的平衡直径，见图3，4，5。db(2)端面比压Pc其计算公式如下：式中弹簧比压；Ps反压系数，指密封端面间流体膜平均压力Pm与密封流体压力P的=0.5。比值。对于水，(3)平衡型和非平衡型密封密封腔中的压力作用在动环上形成了闭合力，端面间的液膜形成开启力。载荷系数K1，密封为非平衡型密封，如图1。一般非平衡型只能用于低压。当压力大于一定的限度，密封面间的液膜就会被挤出。在丧失液膜润滑及高负荷的作用下，密封端面会很快损坏。非平衡型密封不能平衡液体对端面的作用，端面比压随流体压力的上升而上升。载荷系数K1，密封为平衡型密封，如图3，4。内装式密封轴上的台阶使密封端面延径向内移但不减少密封面的宽度。密封的开启力不变，但由于动环有较大的面积暴露在液体中，因此，闭合力被平衡了相当一部分。外装式密封的平衡方法除作用力方向恰好相反外，其余与内装式密封相同。在这种情况下，要增加闭合力中的液压的份额，以抵销密封端面间液膜的开启力，如图5。平衡型密封能部分平衡液体对端面的作用，端面比压随流体压力的上升而缓慢上升。一般非平衡型只能用于低压，但对润滑性能差，低沸点，易汽化介质及高速工况，即使在低压下，也应选用平衡型密封。因为对于非平衡型密封，当密封腔压力上升时，会将密封端面间的液膜挤出，使密封面很快损坏。平衡型密封能用于各种压力场合。API682中规定除无压双重密封的外侧密封允许采用非平衡型密封外，其余都应是平衡型密封。图3内装式非平衡型机械密封图4内装式平衡型机械密封图5外装式平衡型机械密封3.单端面密封、无压双重密封和有压双重密封单端面密封：只有一对摩擦副，结构简单，制造、拆装容易，一般只需设置冲洗系统，不需要外供封液系统。如图3，4，5。有压双重密封(原称为双端面机械密封)：有两对摩擦副，结构复杂，需要外供封液系统，密封腔内通入比介质压力高0.5~1.5bar的隔离液，起封堵、润滑等作用，隔离液对内侧密封起到润滑作用。如图6。无压双重密封(原称为串联密封)：有两对摩擦副，结构复杂，需要外供封液系统，密封腔内的缓冲液不加压，工艺介质对内侧密封起到润滑作用。如图7。一般情况下，应优先选用单端面密封，因为单端面密封结构简单，使用方便，价格低。但在以下场合，优先选用双重机械密封。(1)有毒及有危险性介质。(2)高浓度的H2S。(3)易挥发的低温介质(如液化石油气等)。随着社会对健康、安全和环境保护的愈来愈重视，无压双重密封的使用量逐年上升，该种密封可广泛用于氯乙烯、一氧化碳、轻烃等有毒、易挥发、危险的介质。无压双重密封的内侧密封(第一道密封)是主密封，相当于一个单端面内装式密封，其润滑由被密封的介质担当。密封腔内注满来至封液罐的液体，未加压。内侧密封一旦失效，导致密封腔的压力提高，即能由封液罐的压力表显示、记录或报警。同时外侧密封就能在维修前起到密封和容纳泄漏液体的作用。对一些有毒、含颗粒介质(或腐蚀性相当厉害的介质)，一般可考虑以下方法：(1)采用合适的环境控制措施，如外冲洗＋带旋风分离器的管路冲洗系统。(2)采用有压双重密封。有压双重密封隔离液的压力高于介质压力，因而泵送介质不会进入密封腔。内侧密封起到阻止隔离液进入泵腔的作用。因此当输送诸如粘性、磨蚀性及高温介质时，内侧密封由于没有暴露在介质中，因此可以不用昂贵的合金制作。外侧密封仅仅起到不使隔离液漏入大气的作用。图6有压双重机械密封图7无压双重机械密封4.内装式和外装式密封内装式密封：指机械密封安装在密封腔内，如图3，4。外装式密封：指机械密封安装在密封腔外，如图5。由于内装式密封的受力情况好，比压随介质压力的增加而增加，其泄漏方向与离心力方向相反，因此一般情况均选用内装式机械密封。API682中明确标准型的机械密封为内装式密封。只有当介质腐蚀性极强时，且又不想考虑用有压双重密封时，才考虑选用外装式机械密封。5.旋转式和静止式机械密封旋转式机械密封指补偿环随轴一起转动的机械密封。静止式机械密封指补偿环不随轴一起转动的机械密封。25m/s)，由于弹簧及其它旋转元件产生的离心力较大，动平衡要求高，消耗的搅拌功率也大，应选用静止式机械密封。一般情况下均选用旋转式机械密封，但在轴径较大，转速较高(密封圆周速度此外如果介质受强烈搅动易结晶时，也推荐采用静止式机械密封。6.单弹簧和多弹簧机械密封单弹簧机械密封，结构简单，弹簧可兼起传动作用，但端面比压不均匀，不适用于高速运转。多弹簧机械密封，结构复杂，弹簧不能兼起传动作用，但端面比压均匀，适用于高速运转。一般情况下，推荐选用多弹簧机械密封。如API682中明确推压型的标准密封为多弹簧结构。四、密封管路系统的选择单端面机械密封，无压双重密封的内侧密封的密封管路系统的选择见表3，节流衬套、辅助密封装置和双重密封的管路系统的选择见表4。表3单端面机械密封，无压双重密封的主密封(内侧密封)的管路系统API方案说明Plan1从泵的出口引出，至密封的内部循环。只推荐用于清洁液体，必需保证充足的循环量以维持密封面的条件。不推荐用于立式泵。Plan2无冲洗液循环的封死的密封腔。不推荐用于立式泵。Plan11从泵出口引出，经孔板至密封，冲洗密封端面后进入泵腔。不推荐用于立式泵。Plan12从泵出口引出，经过滤器和孔板至密封，冲洗密封端面后进入泵腔。不推荐用于立式泵。Plan13从密封腔引出，经过孔板至泵进口。Plan21从泵出口引出，经孔板和冷却器至密封，冲洗密封端面后进入泵腔。Plan22从泵出口引出，经过滤器、孔板和冷却器至密封，冲洗密封端面后进入泵腔。Plan23循环液通过一泵送环从密封腔引出，经冷却器返回密封腔。Plan31从泵出口引出，经旋液分离器，清洁液自上部流出，进入密封腔；含有颗粒的液体从下部流出，返回泵进口。Plan32外供冲洗液注入密封腔，必须注意选用的冲洗液注入后不会引起汽化，也不会污染泵送的介质。Plan23从泵出口引出，经旋液分离器，清洁液自上部流出，经冷却器进入密封腔；含有颗粒的液体从下部流出，返回泵进口。表4节流衬套、辅助密封装置和双重密封的管路系统Plan51密封腔底部封死，外部的容器提供封液。Plan52通过外部储液器向无压双重密封提供缓冲液。正常运行时，由泵送环维持循环。储液器通常向一废气回收系统连续排放气体，其压力低于密封腔内液体的压力。Plan53通过外部储液器向有压双重密封提供隔离液。正常运行时，由泵送环维持循环。储液器压力高于密封腔内液体的压力。Plan51使用一有压的外部隔离液储液器或系统提供清洁的液体，循环通过外部压力系统或泵来完成。储液器压力大于被密封的介质压力。典型的使用例子是有压的双重密封。Plan61密封压盖上设螺纹接头，出厂时堵上，供买方使用。典型的例子是由买方提供辅助密封装置的液体(如蒸汽、气体和水等)。注：对于立式泵，除采用Plan13外，其它的单端面密封、双重密封可以设置急冷型的辅助密封装置。Plan62采用外供液体进行急冷，以防固体在大气侧积聚。典型的用法是配合采用一个小间隙的节流衬套。注：对于立式泵，除采用Plan13外，其它的单端面密封、双重密封可以设置急冷型的辅助密封装置。图中的符号说明五、API682标准要点介绍美国石油协会1994年10月颁布的API682《离心泵、转子泵用的轴封系统》(ShaftSealingSystemsforCentrifugalandRotaryPumps)对离心泵和转子泵用的机械密封提出了最低限度的要求。其适用范围为：温度-40～260℃；压力0～34.5bar，轴径30～120mm。编制该标准的目的如下：(1)在满足环保机构对泄漏量规定的条件下，要求机械密封连续运转周期最少3年。(2)精简密封种类，提供一套选择方案最少的密封选型程序，以保证选用密封的可靠，并降低库存及维修费用。API682标准的要点如下：(1)所有的标准型机械密封均应为集装式设计。但钩式轴套型集装式结构，API682不看作是集装式密封，集装式密封应无需挪动电机就能装拆。(2)标准型机械密封型式有三种。TypeA，滑动式多弹簧密封，其配