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(lái)填塞泄漏通道，以阻止和解決泄漏的一種密封方式。一般來(lái)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(pán)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(guò)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(kāi)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(lái)源于離心泵所選擇使用的填料。一般來(lái)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(lái)，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(wú)需擰壓過(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)講，填料箱發(fā)熱可以借助手摸感覺(jué)，如果感覺(jué)填料表面十分燙手，則說(shuō)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(kāi)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(shuō)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(wú)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(guò)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(guò)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(lái)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(wú)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(lèi)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(guò)大的情況下，端面會(huì)受力較大，導(dǎo)致密封面磨損過(guò)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(lái)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(guò)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(méi)有腐蝕性或者是腐蝕性相對(duì)較弱的介質(zhì)來(lái)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(wú)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(jiàn)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）