泵用機械密封發展技術研究

摘要：本文針對礦山、冶煉、石油化工行業中的泵用機械密封國際、國內的最新發展技術作了一個比較全面的研究分析，同時，對機械密封在企業的應用情況、專業申請和使用情況也作了比較全面的分析，為從事機械密封生產的企業、使用機械密封的用戶、參加機械密封研究的技術人員提供參考。

關鍵詞：機械密封；應用特點；新專利；新標準

隨著綠色制造概念的提出，在企業生產過程中，特別是礦山、冶煉、石油化工行業中，環境問題變得愈來愈重要，跑冒滴漏問題一直是各企業重點關注的問題，泵的密封問題顯得更為重要。采用填料密封的方法已逐漸不能被人們所接受，針對現代工藝流程中比較普遍的、腐蝕性較強的液體而言，機械密封替代填料密封成為一種必然趨勢。下面就機械密封的技術發展情況作了研究，對新技術、新工藝、新標準作出分析。

一、機械密封的應用特點分析

機械密封是靠一對或數對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補償機構的彈力(或磁力)作用下保持貼合并配以輔助密封而達到阻漏的軸封裝置。

常用機械密封結構由靜止環(靜環)、旋轉環(動環)、彈性元件、彈簧座、緊定螺釘、旋轉環輔助密封圈和靜止環輔助密封圈等元件組成，防轉銷固定在壓蓋上以防止靜止環轉動。旋轉環和靜止環往往還可根據它們是否具有軸向補償能力而稱為補償環或非補償還。

機械密封中流體可能泄漏的途徑有A、B、C、D四個通道。C、D泄漏通道分別是靜止環與壓蓋、壓蓋與殼體之間的密封，二者均屬靜密封。B通道是旋轉環與軸之間的密封，當端面摩擦磨損后，它僅僅能追隨補償環沿軸向作微量的移動，實際上仍然是一個相對靜密封。

A通道則是旋轉環與靜止環的端面彼此貼合作相對滑動的動密封，它是機械密封裝置中的主密封，也是決定機械密封性能和壽命的關鍵。因此，對密封端面的加工要求很高，同時為了使密封端面間保持必要的潤滑液膜，必須嚴格腔制端面上的單位面積壓力，壓力過大，不易形成穩定的潤滑液膜，會加速端面的磨損；壓力過小，泄漏量增加。所以，要獲得良好的密封性能又有足夠壽命，在設計和安裝機械密封時，一定要保證端面單位面積壓力值在最適當的范圍。

機械密封與軟填料密封比較，有如下優點：①密封可靠在長周期的運行中，密封狀態很穩定，泄漏量很小，按粗略統計，其泄漏量一般僅為軟填料密封的1/100；②使用壽命長在油、水類介質中一般可達1～2年或更長時間，在化工介質中通常也能達半年以上；③摩擦功率消耗小機械密封的摩擦功率僅為軟填料密封的10％～50％；④軸或軸套基本上不受摩損；⑤維修周期長端面磨損后可自動補償，一般情況下，毋需經常性的維修；⑥抗振性好對旋轉軸的振動、偏擺以及軸對密封腔的偏斜不敏感；⑦適用范圍廣機械密封能用于低溫、高溫、真空、高壓、不同轉速，以及各種腐蝕性介質和含磨粒介質等的密封。但其缺點有：①結構較復雜，對制造加工要求高；②安裝與更換比較麻煩，并要求工人有一定的安裝技術水平；③發生偶然性事故時，處理較困難；④一次性投資高。

二、激光加工多孔端面機械密封的發展

激光加工多孔端面機械密封是機械密封領域中一項嶄露頭角的新技術。多孔端面機械密封的結構特點：動環為平端面密封環，靜環平端面上均勻地布置著規則的微孔，形成多孔端面。微孔為圓孔、橢圓孔或圓錐孔，端面上正方形分布的圓孔的情形。孔徑從幾微米至數百微米，孔深從幾微米到幾十微米，孔隙率(孔面積占整個端面面積的百分數)為5％-30％。多孔端面的表面粗糙度與靜環的表面粗糙度相同，Ra均為0.01～0.02μm。

在停車時，即動環不旋轉時，在彈簧力作用下，靜環與動環構成靜止平面密封，使流體介質得以密封。當動環回轉時，由于靜環表面有很多微孔，動環的轉動使其表面與靜環表面上的微孔形成收斂縫隙流體膜層，使每一個孔都像一個微動力滑動軸承。也就是說，當另一個表面在多孔端面上滑動時，會在孔的上方及其周邊產生流體動壓力，這就是流體動壓效應。流體動壓力的承載能力取決于滑動的速度、介質的粘度和流體膜厚度。這些孔產生動壓效應的共同作用的結果使得兩密封面分開。由于在兩密封面間存在流體膜，兩密封面不再直接接觸，密封面問的摩擦狀態為流體摩擦。試驗研究表明，在端面載荷和轉速相同時，多孔端面機械密封環之間的間隙總是大于普通機械密封環之間的間隙。端面載荷增加時，普通機械密封環的端面間隙驟然減小，以至于端面直接接觸，液膜遭到破壞，使磨損加劇。對于多孔端面機械密封環，端面載荷增加時，端面間隙減小，液膜剛度增加，而很小的間隙又恰好將泄漏量降低到最小，從而滿足嚴格的機械密封泄漏要求，同時減少了密封面的磨損。因此，多孔端面機械密封可有效地延長密封壽命。

機械密封的最大PV值是評價機械密封運行安全性的重要指標，而多孔端面機械密封可有效地提高機械密封的最大PV值。對多孔端面的孔深與直徑比值進行優化，其最大PV值約是普通機械密封最大PV值的2.5倍。因此，多孔端面機械密封可有效地提高密封參數，保證機械密封的安全運行。多孔端面機械密封已經應用于石油化工行業，如輕烴和甲苯密封介質，溫度為266～320℃，壓力為0.67MPa的多孔端面機械密封。經過6個月的實際運行，密封效果令人滿意。

三、機械密封新專利和新標準的研究

石化行業中80～90％的化工泵采用機械密封。使用機械密封是解決跑、冒、滴、漏，改善環境保護，提高工作效率，降低生產成本的有效途徑，是實現工業現代化必不可少的手段之一，而新技術新標準的應用，為企業帶來了不僅是經濟效益，為周邊環境、環保作出了新的貢獻。

1.企業新技術應用情況分析。廣州吳天化學公司ZW600-80型強制循環泵，流量2650m³/h，泵輸送的漿料中含有8％～10％(wt)甚至更高的鹽晶體，輸送液溫度高達120℃。軸封結構包括安裝在軸流泵旋轉主軸上的軸套、前機封蓋、密封環、泵蓋、后機封蓋、水封蓋和安裝在它們之間的兩套前后串聯并相互獨立的機械密封，機封1采用平衡型外置靜環補償式機封，機封2采用雙端面撥叉式機封。

廣東省開平滌綸企業集團公司漿料輸送泵為羅茨泵，漿料介質密度1350m³／kg，出口壓力600kPa，電機轉速1500r／min漿料的密封采用機械密封形式；采用EG進行沖洗，用骨架油封進行密封，防止沖洗液外漏。改進措施包括：改變推環兩端O形密封圈的密封位置，采用氟橡膠O形密封圈；用PTEF材料制作一個類似骨架油封的油封，安裝于定環固定座與泵體之間，防止漿料進入動、靜環密封面等。

日本三菱重工的93A型反應堆冷卻泵(RCP)軸封系統包括三道密封。第一密封(1級密封)是控制泄漏的film-riding端面密封，采用非接觸式控制泄漏系統，在長周期操作(約1年}內特性偏差較小。1號密封的作用為將冷卻劑的壓力從15MPa降低到0.3MPa，包括旋轉側密封runner和靜止側密封環。

2.專利申報及應用情況分析。廣州水泵廠的中國實用新型專利ZL99236406揭示的組合密封式無泄漏泵包括旋轉主軸、葉輪、泵蓋、機封蓋等部件，在所說的旋轉主軸、葉輪、泵蓋和機封蓋之間設置并聯套裝的兩套機械密封，其外層密封為貼近泵蓋的單端面平衡型靜環補償式機封(第一級密封)，內層密封為貼近旋轉主軸的雙端面機封(第二級密封)，這種泵通過泵體內所安裝的組合式機封，使輸送介質與隔離液介質分離，能避免輸送液介質通過旋轉軸面向外部空間泄漏。

日本NlPPON PlLLAR PACKING CO LTD申請的美國專利US5501470揭示了一種用于旋轉機械的非接觸式軸封，在軸封端面的高壓側產生流體膜密封。旋轉密封面上成輻射狀或外周方向排列著多個壓力凹槽，在流體膜內產生動態壓力。

日本三菱重工申請的日本專利JP8219297揭示的軸封適用于高壓旋轉機器，高壓室和低壓室相互密封，旋轉環上有多個凹槽，以便于隨著旋轉軸轉動將環形凹槽內的流體沿外周方向輸送。

日本NIPPON PILLAR PACKlNG CO LTD申請的日本專利JP2003185030揭示軸封裝置采用二道機封，用于高壓設備。其第一機封通過雙級密封部件使第二軸套可以沿軸向相對移動地插入旋轉密封環內，這樣第一靜止側固定器能夠保持第一靜止密封環插入在第一軸套內。這種結構可以減小體積和重量。

3.新標準執行情況。(1)美國石油學會標準API 682《離心式和回轉泵的泵軸密封系統Pumps-Shaft Sealing System forCentrifugal and Rotary Pumps 3rd Ea.2004》(ISO 21049：2004)要求軸封系統連續操作25000h無需更換；給出了三種密封排列，排列3每個套管組件保含2個密封，使用外部提供的止漏流體，內部密封應有內部(反向)平衡特征，以便無需打開情況下也能耐受反向壓力變化。(2)API 614《石油、化工和天然氣工業用潤滑、軸封、控制油與輔助系統Lubrication，Shaft-Sealing，and Contro-Oil System and Auxi Iaries for PetroIeum，Chemlcal.and Gas Industry Services4th Ea.，1999》；(5)BS EN ISO 10438。2003《石油、石化和天然氣工業一潤滑、軸封和油控制系統和輔件Petroleum，petrochemical and naturaI gas industries-lubrication，shaft-sealing and control-oil systems and auxiliarles》。