機械密封的輔助設備

• 機械密封為什么要用輔助設施

在流體機械中(如泵、壓縮機、攪拌釜和離心機等)，工作條件最苛刻的部件要算機械密封。像推力軸承那樣承受軸向力;像換熱器那樣把產(chǎn)生的熱量導出。在高溫、高壓、易腐蝕等部位實現(xiàn)靜密封已經(jīng)比較困難，要求在高速旋轉(zhuǎn)中，在幾毫米寬的密封端面上實現(xiàn)動密封就更加困難了。為了解決這個棘手的問題，經(jīng)過一系列長期的實踐，我們找到了兩個途徑:一是從密封的結(jié)構(gòu)和材料入手，使其適應苛刻的工作條件。這種做法花費的代價較高，盡管如此，仍不能從根本上解決問題。一旦密封失效，后果嚴重。另一途徑是通過輔助設施改善工作環(huán)境。目前，實際工作中不用任何輔助設施的機械密封實屬罕見。如高壓使用的串聯(lián)機械密封以及高溫泵的機械密封等都必須采用相應的輔助設施。通過輔助設施，將某些苛刻的工作環(huán)境改變?yōu)槊芊饽芙邮艿模箼C械密封的效果大大提高，使用范圍更加寬廣。機械密封工作中產(chǎn)生的摩擦熱，使密封端面溫度升高，如不采取相應的設施，會產(chǎn)生許多不良后果。

1. 溫度升高使密封端面間液膜汽化，磨損加劇，使密封失效；
2. 溫度升高使動靜環(huán)產(chǎn)生熱變形，泄漏增大、磨損加劇；
3. 溫度升高也加劇了介質(zhì)對機械密封的腐蝕；
4. 溫度升高使輔助密封圈老化、變質(zhì)而失效；
5. 溫度升高，浸漬合成樹脂的石墨，因樹脂碳化而性能下降，浸金屬的石墨環(huán)，因金屬熔化而泄漏。

由此可見，不允許的溫升是機械密封的大敵。輔助設施的目的在于減少這種人們不希望的溫升，保持密封端面間的良好潤滑狀態(tài)，使機械密封各零件良好、正常地工作。在易汽化介質(zhì)中，保證密封腔中的壓力，使之不汽化;在低溫泵的密封中可起到保溫和供熱的作用；對于有固體顆粒出現(xiàn)的結(jié)晶和強腐蝕介質(zhì)的密封，還能保持密封不受損害。因此，有的國家把輔助系統(tǒng)稱為保護系統(tǒng)。1983年中國石化總公司組織了對七大石化企業(yè)的機泵密封調(diào)查認為:“國外引進的離心泵和壓縮機的軸封，根據(jù)不同條件都帶有不同的輔助設施。實踐證明，往往結(jié)構(gòu)合理，材料良好而忽視了輔助設施，造成困難的工作條件，導致密封早期失效。反之，有些場合的結(jié)構(gòu)和材料還不足以滿足工作條件的要求，采用有效的輔助設施，結(jié)果促使密封滿足了工作條件的要求，順利地運轉(zhuǎn)”。
有的機械密封工作溫度、壓力和速度等不太高，不用輔助設施也可以工作。但是，從密封的穩(wěn)定性和使用壽命的觀點考慮，采用輔助設施是有利的。因此，應當把輔助設施看成是機械密封的組成部分，根據(jù)不同的工作條件，采用不同的輔助設施。國際上通用的美國石油學會標準(離心泵API610)，對此都做了具體的規(guī)定。正確、合理地選用輔助設施，不僅對密封的穩(wěn)定性而且對延長使用壽命都有重要意義：對安全生產(chǎn)以及對減少漏損、減少維修工作量和降低生產(chǎn)成本有一定的作用，必須給予足夠的重視。
輔助設施也稱為密封循環(huán)保護系統(tǒng)，或簡稱為密封系統(tǒng)或保護系統(tǒng)。

• 機械密封的輔助設施包括哪些內(nèi)容

機械密封的輔助設施是許多元件的統(tǒng)稱。由過濾器、旋液分離器、限流孔板、冷卻器、壓力罐、增壓罐、各種監(jiān)測儀表、管路和管件等組成。實際工作中，可用一種或幾種，根據(jù)具體條件選定。通過沖洗、冷卻、過濾和分離等方式，實現(xiàn)對機械密封的潤滑、冷卻或調(diào)溫、沖洗、凈化、稀釋和沖掉泄漏介質(zhì)，改善密封的工作環(huán)境。
所有輔助設施中最主要的工作方式是沖洗。所謂沖洗是將密封流體注入到密封腔內(nèi)，完成潤滑、冷卻、凈化等功能，將不利的環(huán)境改變?yōu)槊芊饽芙邮艿墓ぷ鳝h(huán)境。沖洗的種類很多，按沖洗方式和密封流體的不同可分為自沖洗、循環(huán)沖洗和注入式?jīng)_洗。自沖洗是用泵本身產(chǎn)生的壓差或密封腔內(nèi)的泵送裝置產(chǎn)生的壓差，使被密封介質(zhì)通過密封腔形成閉合回路實現(xiàn)沖洗；循環(huán)沖洗是通過產(chǎn)生壓差的設施(例如泵送環(huán)等)使外加的密封流體(有人稱隔離液)進行循環(huán)，達到?jīng)_洗的目的；注入式?jīng)_洗是被密封介質(zhì)不宜做密封流體時，從外部注入另一種液體到密封腔內(nèi)，改善密封工作條件的一種方法。
溫度調(diào)節(jié)設施：用溫度適宜的流體，對密封腔、靜環(huán)及其它零部件進行冷卻或保溫(或加熱)，達到提高密封穩(wěn)定性和延長使用壽命的目的。這些設施不與被密封流體接觸(或混合)。需要指出的是沖洗兼有溫度調(diào)節(jié)設施的功能，可直接冷卻密封件。
過濾和分離：在進行沖洗時用過濾器和旋液分離器將密封流體中的雜質(zhì)濾掉，保證密封端面不受損傷。
輔助設施除上述外，還有實現(xiàn)上述功能用的換熱器、孔板、儲壓罐及儀表等，所有這些構(gòu)成了密封系統(tǒng)。

• 循環(huán)沖洗用于什么工作條件

循環(huán)沖洗是通過一個泵送裝置使外加的密封流體進行循環(huán)(圖62)。這里有兩點需引起注意，一是“泵送裝置”，可以是外加的油站和密封腔形成閉合回路進行循環(huán)，也可在密封腔中裝設一個泵，或者是用熱虹吸的原理使流體循環(huán)。另一點要注意的是“外加的密封流體”。這種沖洗方式用在雙端面或多端面密封上，在單端面密封上不采用。

 

循環(huán)沖洗也有人稱為“外循環(huán)”。

• 注入式?jīng)_洗用在什么場合

對于內(nèi)裝單端面密封，當被密封介質(zhì)不宜作密封流體時，比如被密封介質(zhì)含固體顆粒(如煉油廠催化裂化裝置中的油漿泵)或溫度高、粘度大(如煉油廠常減壓裝置中的塔底泵)，需從外部引入密封流體(煉油廠常用蠟油和柴油餾分)，注入到密封腔中，改善密封的工作環(huán)境。對于采用單端面密封的高溫泵、易結(jié)晶或含固體顆粒以及腐蝕介質(zhì)泵，均可采用注入式?jīng)_洗。
注入式?jīng)_洗有人簡稱為“沖洗”。

• 沖洗液進入密封腔的方式有幾種

沖洗液進入密封腔的方式有兩種：單點沖洗和多點沖洗。
單點沖洗：沖洗液由一個流出口沖洗密封，又可分為徑向、軸向和切向三種方式(圖63)。

 

徑向沖洗：密封流體沿徑向垂直沖洗摩擦副(圖63a)，結(jié)構(gòu)簡單，是應用較多的一種方式。但沖洗量不可過大，以防止將石墨環(huán)沖出缺口。
軸向沖洗(圖63c)：密封流體沿軸向進入密封腔，避免了對石墨環(huán)的沖蝕作用，可用于腐蝕介質(zhì)的泵中。
切向沖洗(圖63b)：沖洗液沿切線方向沖洗摩擦副，是單點沖洗中較好的方式。
單點沖洗結(jié)構(gòu)簡單，但密封周圍溫度分布不均勻。為了避免沖蝕石墨環(huán)，徑向沖洗液流入密封腔的流速不要高于3m/s，沖洗孔的直徑不要小于5mrn。為此都要控制沖洗量。切向沖洗使密封面圓周的溫度趨于均勻，也減少了對石墨環(huán)的沖蝕，是值得推薦的方法。
多點沖洗(圖64)：沖洗液沿圓周多個小孔同時進入密封腔，并起沖洗作用。多點沖洗克服了單點沖洗的缺點，使摩擦副周圍的溫度分布更均勻。但結(jié)構(gòu)較為復雜，需增加一個沖洗環(huán)，內(nèi)設6~8個小孔，孔徑3~4mm。多點沖洗用在易汽化的介質(zhì)中，也可用在產(chǎn)生摩擦熱較多的高pv值場合。
沖洗孔位置應盡量開設在摩擦副處，以便更好地把熱量導走。單點沖洗不能直接對準石墨環(huán)(靜環(huán))，也不能遠離摩擦副，使沖洗作用減弱。

 

 

• 沖洗量是怎樣確定的

理論上講沖洗量是按密封裝置的熱平衡原理計算確定。產(chǎn)生的熱量中有摩擦副的摩擦熱、密封旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的攪拌熱、泵內(nèi)流體傳到密封處的熱量等。散失熱量的方式有壓蓋急冷、密封腔夾套冷卻和自然冷卻。產(chǎn)生的熱量減去散失的熱量，兩者的差值應是沖洗帶走的熱量。該計算麻煩，有很多數(shù)據(jù)是選取的，計算f結(jié)果沒有多大的意義。根據(jù)長期的實踐和經(jīng)驗，沖洗量在3~30L/ min，可根據(jù)密封規(guī)格(直徑)和介質(zhì)的種類選取(見表32)。

 

根據(jù)選取的沖洗量，對易揮發(fā)介質(zhì)或溫度較高的介質(zhì)沖洗量要適當大一些。

• 怎樣控制沖洗量

沖洗量可以用節(jié)流閥來改變，也可以用限流孔板來控制。由于節(jié)流閥沒有量的概念，所以現(xiàn)在大多用限流孔板。按需要的沖洗量和孔板前后的壓差來確定孔板的直徑。換言之，孔徑確定后，孔板前后的壓差一定，沖洗量就確定了，無法調(diào)節(jié)。可用計算的方法近似地按孔板流量公式計算孔板的孔徑，但是由于孔板結(jié)構(gòu)不同，計算結(jié)果需通過實驗進行修正。既然如此，直接用實驗結(jié)果更為方便。所以，沖洗量大都用實驗圖表查得。
目前用的孔板有兩種結(jié)構(gòu)。一種是法蘭聯(lián)接的，另一種是螺紋聯(lián)接的。法蘭聯(lián)接的孔板結(jié)構(gòu)簡單(圖65)，拆裝方便。厚度為4~6mm的圓板帶有一“尾巴”，以便于安裝，上面打鋼印，表示孔徑的數(shù)值。通常用不銹鋼板制造。這種結(jié)構(gòu)的孔板，流量、孔徑和壓差的關系見(圖66)。

 

對于不用做冷卻的沖洗量控制不是很嚴，對于冷卻后再用做沖洗的，量則要求較為準確，這涉及到冷卻水量和冷卻后的溫度。如果沖洗量很少，孔板直徑又不能太小(太小了容易堵塞)，這時可以采用孔板串聯(lián)的方法。采用自沖洗時，泵出口裝一孔板，經(jīng)冷卻器后再裝一孔板，通過兩個串聯(lián)孔板的流量約等于一個孔板流量的70%。
螺紋連接孔板見(圖67)。它相當于一個噴嘴，與前者的不同在于孔板較長。