淺談離心泵填料密封與機(jī)械密封的選用

祁德路 王小冬 鐘 肖 仲光華

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，山東 青島266555）

0 引言

離心泵的密封對(duì)整個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)行有著非常重要的作用，其密封系統(tǒng)一旦出現(xiàn)泄漏，將會(huì)對(duì)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成嚴(yán)重影響，這就要求我們切實(shí)做好離心泵的密封工作。

1 填料密封

填料密封指用填料來填塞泄漏通道，以阻止和解決泄漏的一種密封方式。一般來講，填料密封的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不僅裝拆維修十分方便，而且成本也較為低廉，所以被廣泛應(yīng)用到離心泵等設(shè)備上。離心泵所選用的填料密封既是靜密封也是動(dòng)密封，而且所選擇的填料多是油浸石棉盤根軟填料。

1.1 填料密封的機(jī)理

離心泵填料密封并不是靠固體填料與旋轉(zhuǎn)軸套之間進(jìn)行緊密貼合而阻止其內(nèi)部流體泄出，而是利用填料與設(shè)備旋轉(zhuǎn)軸套之間所貼合形成的一種較薄環(huán)隙。由于該環(huán)隙注滿潤(rùn)滑油，所以起到了相應(yīng)的密封與潤(rùn)滑作用。在離心泵啟動(dòng)過程中，泵腔內(nèi)部受一定壓力逐漸成為真空，這時(shí)油膜就起到了防止空氣被不斷吸入泵腔內(nèi)部的作用；而當(dāng)離心泵開始正常運(yùn)動(dòng)時(shí)，油膜也會(huì)適時(shí)起到防止泵腔內(nèi)部流體不斷泄漏的作用。這層油膜主要來源于離心泵所選擇使用的填料。一般來講，離心泵所選擇的材料多是棉紗以及石棉人造纖維等。這種填料內(nèi)部大都擁有較大空隙，而空隙內(nèi)部也能很好地吸收和存儲(chǔ)潤(rùn)滑油液。當(dāng)離心泵運(yùn)行一定時(shí)間后，其填料軸封處可允許存在微量泄漏（這種泄漏可以起到一定的潤(rùn)滑與散熱作用），已經(jīng)存在的潤(rùn)滑膜則會(huì)隨著微量泄漏的流體逐漸流出，最終導(dǎo)致離心泵在使用一段時(shí)間后隨著潤(rùn)滑膜的全部流失而產(chǎn)生嚴(yán)重泄漏，這時(shí)就需要工作人員將填料壓蓋螺母再擰得稍微緊些，以防止填料內(nèi)部的浸漬劑被不斷擠壓出來，形成新的潤(rùn)滑膜。重復(fù)該循環(huán)，一直到填料內(nèi)部不存在浸漬劑或浸漬劑很少時(shí)，則需立即更換填料，這主要是因?yàn)樵撉闆r下填料會(huì)隨著其逐漸干燥而失去原有效用。需要注意的是，在壓裝新填料時(shí)，無需擰壓過緊，待其運(yùn)行使用一段時(shí)間后，可再對(duì)填料壓蓋螺母進(jìn)行逐步擰緊。

1.2 填料密封的選用

一般來說，離心泵所選擇使用的填料密封腔多是圓柱形、錐形等，其優(yōu)點(diǎn)是方便加工、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在圓柱形填料腔內(nèi)部，其填料與設(shè)備軸套外壁以及箱內(nèi)壁貼合，這主要是因?yàn)樗鼈冎g有較大接觸力（接觸力產(chǎn)生的原因即填料壓蓋螺母不斷擰緊），迫使填料內(nèi)部體積逐漸減小，這就在一定程度上縮小了填料環(huán)的內(nèi)徑，而增加了其相應(yīng)的外徑，由此形成了填料對(duì)填料箱壁及軸套表面的接觸力。而隨著填料壓蓋螺母的逐漸擰緊，其內(nèi)部接觸也會(huì)不斷加大，這就使得填料與軸套之間的動(dòng)密封以及填料與填料箱內(nèi)壁之間的靜密封不斷增強(qiáng)。需要注意的是，這種接觸力并非在填料內(nèi)沿軸線上處處相等，而是會(huì)隨著填料壓蓋距離不斷變化，與填料壓蓋距離越遠(yuǎn)，其接觸力就會(huì)越小，靠近填料箱喉部填料的接觸力甚至為0。

在離心泵運(yùn)行過程中，填料壓蓋螺母擰得越緊，則填料貼合在軸套上也會(huì)越來越緊。當(dāng)填料上的比壓不斷增大或者是填料與軸套之間泄漏量越來越小甚至不存在泄漏時(shí)，那么其摩擦以及摩擦所產(chǎn)生的熱量就會(huì)逐漸增加，而填料、填料箱以及軸套也會(huì)迅速發(fā)熱。一般來講，填料箱發(fā)熱可以借助手摸感覺，如果感覺填料表面十分燙手，則說明該填料密封部位存在嚴(yán)重發(fā)熱現(xiàn)象，那么其相應(yīng)的填料與軸套就會(huì)很快被磨損至失效，與此同時(shí)，其泵功率會(huì)不斷上升，效率也會(huì)逐漸下降。

假如離心泵內(nèi)油液開始從填料外徑以及填料箱之間泄漏，那么即表明填料箱內(nèi)部工作出現(xiàn)異常，也就是說填料壓蓋所形成的壓力會(huì)不斷將填料緊緊壓于軸套之上，而油液也無法流入填料與軸套之間的縫隙中區(qū)。所以這種情況下，填料箱也會(huì)出現(xiàn)過熱，進(jìn)而導(dǎo)致填料與軸套很快被磨損，致使泵功率不斷上升，效率逐漸下降。

另外，在使用離心泵特別是高揚(yáng)程離心泵時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其外三圈填料被壓得過緊，而靠近填料箱喉部位置的兩圈填料卻未被壓緊，從而導(dǎo)致軸套與填料被快速磨損，進(jìn)而使得高揚(yáng)程離心泵填料密封很快失效。從以往對(duì)中等揚(yáng)程以及高揚(yáng)程離心泵填料密封失效現(xiàn)場(chǎng)的分析來看，應(yīng)將圓柱形填料腔改為錐形填料腔，這樣既可有效延長(zhǎng)填料密封的使用壽命，還可以起到修舊利廢、節(jié)省運(yùn)行管理費(fèi)的作用。

2 機(jī)械密封

近些年，雖然機(jī)械密封已經(jīng)在石油、冶金、化工及造紙等物料運(yùn)輸領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但最新數(shù)據(jù)表明，導(dǎo)致生產(chǎn)流程中斷的原因中有70%是密封失效，致使設(shè)備的預(yù)期使用壽命無法得到保障。因此，如何提高機(jī)械密封的使用壽命以及可靠性，成為了當(dāng)前人們所關(guān)注的重點(diǎn)。

2.1 機(jī)械密封分類及其結(jié)構(gòu)

2.1.1 平衡型與非平衡型機(jī)械密封

通常，平衡型機(jī)械密封端面會(huì)隨著其所受作用力的升高而升高，其斜率多小于1，而非平衡型機(jī)械密封的升高斜率則大于1。也可以將其理解為：密封腔內(nèi)動(dòng)環(huán)的有效水力作用面積同密封摩擦副端面面積比值大于1的為非平衡型機(jī)械密封，而小于1的則為平衡型機(jī)械密封。非平衡型機(jī)械密封（圖1）在外界介質(zhì)壓力過大的情況下，端面會(huì)受力較大，導(dǎo)致密封面磨損過快，所以在選擇離心泵機(jī)械密封時(shí)，不宜將其應(yīng)用于高壓情況下，一般0.5～0.7 MPa即可。而平衡型機(jī)械密封（圖2）能夠有效降低端面上的磨損，所以其承載能力本身相對(duì)較大，可以應(yīng)用到高壓場(chǎng)合。

圖1 非平衡型機(jī)械密封

圖2 平衡型機(jī)械密封

2.1.2 外流式與內(nèi)流式機(jī)械密封

一般來講，介質(zhì)在密封上所呈現(xiàn)出的泄漏方向若與離心力相反，則被稱作內(nèi)流式機(jī)械密封；若與離心力方向一致，則被稱作外流式機(jī)械密封。通常，外流式機(jī)械密封泄漏量較大。

2.1.3 旋轉(zhuǎn)式與靜止式機(jī)械密封

離心泵運(yùn)行過程中，彈簧會(huì)隨著軸一起旋轉(zhuǎn)的密封被稱作旋轉(zhuǎn)式機(jī)械密封，不會(huì)隨著軸一起旋轉(zhuǎn)的則被稱作靜止式機(jī)械密封。一般前者在高速轉(zhuǎn)動(dòng)下，受離心力作用，內(nèi)部彈性元件會(huì)不斷發(fā)生變形，導(dǎo)致其泄漏不斷增大，致使磨損加速，所以比較適用于線速度低于30 m/s的情況；而后者不會(huì)受離心力影響，所以可應(yīng)用于高速場(chǎng)合。

此外，機(jī)械密封還分為內(nèi)裝式與外裝式密封、單彈簧型與多彈簧型機(jī)械密封、波紋管型機(jī)械密封與串聯(lián)型機(jī)械密封等。

2.2 機(jī)械密封的選用

2.2.1 根據(jù)輸入介質(zhì)選擇

對(duì)于沒有腐蝕性或者是腐蝕性相對(duì)較弱的介質(zhì)來講，可以選擇使用內(nèi)裝式機(jī)械密封；而對(duì)于腐蝕性相對(duì)較強(qiáng)的介質(zhì)，由于其內(nèi)部彈性元件中彈簧無法輕易更換，所以壓力較低的情況下可以選用外裝式機(jī)械密封。對(duì)于那些易結(jié)晶且存在固體顆粒以及高黏度的介質(zhì)，最好選擇使用單彈簧結(jié)構(gòu)；而對(duì)于那些易燃以及易爆且有毒的介質(zhì)，則最好選擇雙重機(jī)械密封。

2.2.2 根據(jù)密封壓力選擇

在選擇機(jī)械密封時(shí)，密封壓力是非常重要的一項(xiàng)參數(shù)。通常，當(dāng)密封壓力＜0.7 MPa時(shí)，可選擇平衡型及非平衡型機(jī)械密封；但當(dāng)密封壓力在0.7～12 MPa時(shí)，則應(yīng)使用平衡型機(jī)械密封。當(dāng)密封壓力＞12 MPa時(shí)，應(yīng)選擇使用串聯(lián)型機(jī)械密封。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要結(jié)合填料密封以及機(jī)械密封的原理，并在此基礎(chǔ)上對(duì)離心泵密封方式的選擇進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，為日后進(jìn)一步研究與分析離心泵的密封方式提供了一定的理論支持。

［1］尹夏冰，謝涵，趙榮.淺談離心泵機(jī)械密封常見故障及控制措施［J］.機(jī)電信息，2011（18）

［2］崔要欣，劉瑞全.泵用機(jī)械密封的選型及應(yīng)用［J］.通用機(jī)械，2006（10）