機(jī)械密封及其管路系統(tǒng)的選用

表1不同類型泵的密封腔壓力值Pm(供參考)

泵的類型	估算公式
后蓋板帶背葉片、耐磨環(huán)	Pm=Ps+0.25(Pd-Ps)，式中，Ps?泵進(jìn)口壓力，Pd?泵出口壓力，下同。
后蓋板帶平衡孔	Pm=Ps+0.10(Pd-Ps)
帶背葉片和平衡孔	Pm=Ps
后蓋板有耐磨環(huán)，無平衡孔	Pm=Ps+1.8bar
開式葉輪，無后蓋板和平衡孔	Pm=Ps+C(Pd-Ps)注：C=0.1(*大葉輪直徑),C=0.3(*小葉輪直徑)
后蓋板無耐磨環(huán)，無平衡孔	Pm=Ps（大部分立式泵均如此）
雙吸泵	Pm=Ps
多級(jí)泵	根據(jù)平衡管、平衡盤和平衡鼓的布置來分析，密封腔壓力有時(shí)等于進(jìn)口壓力，有時(shí)是某一中間級(jí)出口壓力，有時(shí)是泵的出口壓力

(2) 流體溫度T 指密封腔內(nèi)的流體溫度。
(3) 密封圓周速度V 指密封處軸的周向速度，按下式計(jì)算。

V=πnd/60

式中 d?軸徑，m；
n?泵軸轉(zhuǎn)速，r/min。


三、機(jī)械密封型式的確定

1. 推壓型和非推壓型密封

推壓型密封：指輔助密封沿軸或軸套機(jī)械推壓來補(bǔ)償密封面磨損的機(jī)械密封，通常就是指彈簧壓緊式密封。
非推壓型密封：輔助密封固定在軸上的機(jī)械密封，通常為波紋管密封。

推壓型密封和非推壓型密封特點(diǎn)的比較見表2。

表2推壓型密封和非推壓型密封特點(diǎn)的比較

	推壓型密封	非推壓型密封
壓縮單元	單彈簧或多彈簧	金屬波紋管或橡膠波紋管
軸的輔助密封	動(dòng)態(tài)	靜態(tài)
商業(yè)用尺寸范圍	13～508mm	18～305mm
溫度范圍	-268℃～232℃	-268℃～427℃
壓力范圍	20.69MPa	2.41MPa
特點(diǎn)	尺寸范圍大 高壓 適宜于特殊設(shè)計(jì) 適宜于采用特殊金屬	零部件少 固有的平衡型結(jié)構(gòu) 靜環(huán)磨損后，動(dòng)環(huán)能自由前移 高溫
價(jià)格	一般較低	一般較高

2. 平衡型和非平衡型密封

密封腔中的壓力作用在動(dòng)環(huán)上形成了閉合力，端面間的液膜形成開啟力。

載荷系數(shù)K>1，密封為非平衡型密封。一般非平衡型只能用于低壓。當(dāng)壓力大于一定的限度，密封面間的液膜就會(huì)被擠出。在喪失液膜潤滑及高負(fù)荷的作用下，密封端面會(huì)很快損壞。

非平衡型密封不能平衡液體對(duì)端面的作用，端面比壓隨流體壓力的上升而上升。

載荷系數(shù)K<1，密封為平衡型密封。內(nèi)裝式密封軸上的臺(tái)階使密封端面延徑向內(nèi)移但不減少密封面的寬度。密封的開啟力不變，但由于動(dòng)環(huán)有較大的面積暴露在液體中，因此，閉合力被平衡了相當(dāng)一部分。

外裝式密封的平衡方法除作用力方向恰好相反外，其余與內(nèi)裝式密封相同。在這種情況下，要增加閉合力中的液壓的份額，以抵銷密封端面間液膜的開啟力。

平衡型密封能部分平衡液體對(duì)端面的作用，端面比壓隨流體壓力的上升而緩慢上升。

一般非平衡型只能用于低壓，但對(duì)潤滑性能差，低沸點(diǎn)，易汽化介質(zhì)及高速工況，即使在低壓下，也應(yīng)選用平衡型密封。因?yàn)閷?duì)于非平衡型密封，當(dāng)密封腔壓力上升時(shí)，會(huì)將密封端面間的液膜擠出，使密封面很快損壞。

平衡型密封能用于各種壓力場(chǎng)合。API682中規(guī)定除無壓雙重密封的外側(cè)密封允許采用非平衡型密封外， 其余都應(yīng)是平衡型密封。

3. 單端面密封、無壓雙重密封和有壓雙重密封

單端面密封：只有一對(duì)摩擦副，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、拆裝容易，一般只需設(shè)置沖洗系統(tǒng)，不需要外供封液系統(tǒng)。

有壓雙重密封(原稱為雙端面機(jī)械密封)：有兩對(duì)摩擦副，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要外供封液系統(tǒng)，密封腔內(nèi)通入比介質(zhì)壓力高0.5~1.5bar的隔離液，起封堵、潤滑等作用，隔離液對(duì)內(nèi)側(cè)密封起到潤滑作用。

無壓雙重密封(原稱為串聯(lián)密封)：有兩對(duì)摩擦副，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要外供封液系統(tǒng)，密封腔內(nèi)的緩沖液不加壓，工藝介質(zhì)對(duì)內(nèi)側(cè)密封起到潤滑作用。

一般情況下，應(yīng)優(yōu)先選用單端面密封，因?yàn)閱味嗣婷芊饨Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格低。但在以下場(chǎng)合，優(yōu)先選用雙重機(jī)械密封。

(1) 有毒及有危險(xiǎn)性介質(zhì)。
(2) 高濃度的H2S。
(3) 易揮發(fā)的低溫介質(zhì)(如液化石油氣等)。

隨著社會(huì)對(duì)健康、**和環(huán)境保護(hù)的愈來愈重視，無壓雙重密封的使用量逐年上升，該種密封可廣泛用于氯乙烯、一氧化碳、輕烴等有毒、易揮發(fā)、危險(xiǎn)的介質(zhì)。無壓雙重密封的內(nèi)側(cè)密封(**道密封)是主密封，相當(dāng)于一個(gè)單端面內(nèi)裝式密封，其潤滑由被密封的介質(zhì)擔(dān)當(dāng)。密封腔內(nèi)注滿來至封液罐的液體，未加壓。內(nèi)側(cè)密封一旦失效，導(dǎo)致密封腔的壓力提高，即能由封液罐的壓力表顯示、記錄或報(bào)警。同時(shí)外側(cè)密封就能在維修前起到密封和容納泄漏液體的作用。

對(duì)一些有毒、含顆粒介質(zhì)(或腐蝕性相當(dāng)厲害的介質(zhì))，一般 可考慮以下方法：

(1) 采用合適的環(huán)境控制措施，如外沖洗＋帶旋風(fēng)分離器的管路沖洗系統(tǒng)。
(2) 采用有壓雙重密封。

有壓雙重密封隔離液的壓力高于介質(zhì)壓力，因而泵送介質(zhì)不會(huì)進(jìn)入密封腔。內(nèi)側(cè)密封起到阻止隔離液進(jìn)入泵腔的作用。因此當(dāng)輸送諸如粘性、磨蝕性及高溫介質(zhì)時(shí)，內(nèi)側(cè)密封由于沒有暴露在介質(zhì)中，因此可以不用昂貴的合金制作。外側(cè)密封僅僅起到不使隔離液漏入大氣的作用。

4. 內(nèi)裝式和外裝式密封

內(nèi)裝式密封：指機(jī)械密封安裝在密封腔內(nèi)。
外裝式密封：指機(jī)械密封安裝在密封腔外。

由于內(nèi)裝式密封的受力情況好，比壓隨介質(zhì)壓力的增加而增加，其泄漏方向與離心力方向相反，因此一般情況均選用內(nèi)裝式機(jī)械密封。

API682中明確標(biāo)準(zhǔn)型的機(jī)械密封為內(nèi)裝式密封。

只有當(dāng)介質(zhì)腐蝕性極強(qiáng)時(shí)，且又不想考慮用有壓雙重密封時(shí)，才考慮選用外裝式機(jī)械密封。

5. 旋轉(zhuǎn)式和靜止式機(jī)械密封

旋轉(zhuǎn)式機(jī)械密封指補(bǔ)償環(huán)隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械密封。
靜止式機(jī)械密封指補(bǔ)償環(huán)不隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械密封。

一般情況下均選用旋轉(zhuǎn)式機(jī)械密封，但在軸徑較大，轉(zhuǎn)速較高(密封圓周速度?25m/s)，由于彈簧及其它旋轉(zhuǎn)元件產(chǎn)生的離心力較大，動(dòng)平衡要求高，消耗的攪拌功率也大，應(yīng)選用靜止式機(jī)械密封。

此外如果介質(zhì)受強(qiáng)烈攪動(dòng)易結(jié)晶時(shí)，也推薦采用靜止式機(jī)械密封。

6. 單彈簧和多彈簧機(jī)械密封

單彈簧機(jī)械密封，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，彈簧可兼起傳動(dòng)作用，但端面比壓不均勻，不適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
多彈簧機(jī)械密封，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，彈簧不能兼起傳動(dòng)作用，但端面比壓均勻，適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
一般情況下，推薦選用多彈簧機(jī)械密封。 如 API682中明確推壓型的標(biāo)準(zhǔn)密封為多彈簧結(jié)構(gòu)。

四、密封管路系統(tǒng)的選擇

單端面機(jī)械密封，無壓雙重密封的內(nèi)側(cè)密封的密封管路系統(tǒng)的選擇見表3，節(jié)流襯套、輔助密封裝置和雙重密封的管路系統(tǒng)的選擇見表4。

表3單端面機(jī)械密封，無壓雙重密封的主密封(內(nèi)側(cè)密封)的管路系統(tǒng)

API方案	說明
Plan 1	從泵的出口引出，至密封的內(nèi)部循環(huán)。只推薦用于清潔液體，必需保證充足的循環(huán)量以維持密封面的條件。不推薦用于立式泵。
Plan 2	無沖洗液循環(huán)的封死的密封腔。不推薦用于立式泵。
Plan 11	從泵出口引出，經(jīng)孔板至密封，沖洗密封端面后進(jìn)入泵腔。 不推薦用于立式泵。
Plan 12	從泵出口引出，經(jīng)過濾器和孔板至密封，沖洗密封端面后進(jìn)入泵腔。 不推薦用于立式泵。
Plan 13	從密封腔引出，經(jīng)過孔板至泵進(jìn)口。
Plan 21	從泵出口引出，經(jīng)孔板和冷卻器至密封，沖洗密封端面后進(jìn)入泵腔。
Plan 22	從泵出口引出，經(jīng)過濾器、孔板和冷卻器至密封，沖洗密封端面后進(jìn)入泵腔。
Plan 23	循環(huán)液通過一泵送環(huán)從密封腔引出，經(jīng)冷卻器返回密封腔。
Plan 31	從泵出口引出，經(jīng)旋液分離器，清潔液自上部流出，進(jìn)入密封腔；含有顆粒的液體從下部流出，返回泵進(jìn)口。
Plan 32	外供沖洗液注入密封腔，必須注意選用的沖洗液注入后不會(huì)引起汽化，也不會(huì)污染泵送的介質(zhì)。
Plan 23	從泵出口引出，經(jīng)旋液分離器，清潔液自上部流出，經(jīng)冷卻器進(jìn)入密封腔；含有顆粒的液體從下部流出，返回泵進(jìn)口。

表4節(jié)流襯套、輔助密封裝置和雙重密封的管路系統(tǒng)

Plan 51	密封腔底部封死，外部的容器提供封液。
Plan 52	通過外部儲(chǔ)液器向無壓雙重密封提供緩沖液。正常運(yùn)行時(shí)，由泵送環(huán)維持循環(huán)。儲(chǔ)液器通常向一廢氣回收系統(tǒng)連續(xù)排放氣體，其壓力低于密封腔內(nèi)液體的壓力。
Plan 53	通過外部儲(chǔ)液器向有壓雙重密封提供隔離液。正常運(yùn)行時(shí)，由泵送環(huán)維持循環(huán)。儲(chǔ)液器壓力高于密封腔內(nèi)液體的壓力。
Plan 51	使用一有壓的外部隔離液儲(chǔ)液器或系統(tǒng)提供清潔的液體，循環(huán)通過外部壓力系統(tǒng)或泵來完成。儲(chǔ)液器壓力大于被密封的介質(zhì)壓力。典型的使用例子是有壓的雙重密封。
Plan 61	密封壓蓋上設(shè)螺紋接頭，出廠時(shí)堵上，供買方使用。典型的例子是由買方提供輔助密封裝置的液體(如蒸汽、氣體和水等)。 注：對(duì)于立式泵，除采用Plan 13外，其它的單端面密封、雙重密封可以設(shè)置急冷型的輔助密封裝置。
Plan 62	采用外供液體進(jìn)行急冷，以防固體在大氣側(cè)積聚。典型的用法是配**用一個(gè)小間隙的節(jié)流襯套。 注：對(duì)于立式泵，除采用Plan 13外，其它的單端面密封、雙重密封可以設(shè)置急冷型的輔助密封裝置。
圖中的符號(hào)說明

五、API 682標(biāo)準(zhǔn)要點(diǎn)介紹

美國石油協(xié)會(huì) 1994年10月頒布的API 682《離心泵、轉(zhuǎn)子泵用的軸封系統(tǒng)》(Shaft Sealing Systems forCentrifugal and Rotary Pumps)對(duì)離心泵和轉(zhuǎn)子泵用的機(jī)械密封提出了*低限度的要求。其適用范圍為：溫度-40～260℃；壓力0～34.5bar，軸徑30～120mm。編制該標(biāo)準(zhǔn)的目的如下：

(1) 在滿足*機(jī)構(gòu)對(duì)泄漏量規(guī)定的條件下，要求機(jī)械密封連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期*少3年。
(2) 精簡(jiǎn)密封種類，提供一套選擇方案*少的密封選型程序，以保證選用密封的可靠，并降低庫存及維修費(fèi)用。

API682標(biāo)準(zhǔn)的要點(diǎn)如下：

(1)所有的標(biāo)準(zhǔn)型機(jī)械密封均應(yīng)為集裝式設(shè)計(jì)。但鉤式軸套型集裝式結(jié)構(gòu)，API682不看作是集裝式密封，集裝式密封應(yīng)無需挪動(dòng)電機(jī)就能裝拆。
(2) 標(biāo)準(zhǔn)型機(jī)械密封型式有三種。

Type A，滑動(dòng)式多彈簧密封，其配對(duì)密封面為燒結(jié)碳化硅對(duì)上等浸漬石墨，O型圈為氟橡膠(當(dāng)運(yùn)行溫度或化學(xué)相容性不允許使用氟橡膠時(shí)，應(yīng)用FFKM合成橡膠)，彈簧為哈氏合金C，其余部件(如軸套、壓蓋、限位器等)為316不銹鋼。壓蓋內(nèi)需設(shè)置一個(gè)上等石墨制成的節(jié)流襯環(huán)。
Type B，低溫旋轉(zhuǎn)型波紋管密封，其配對(duì)密封面為燒結(jié)碳化硅對(duì)上等浸漬石墨，O型圈為氟橡膠((當(dāng)運(yùn)行溫度或化學(xué)相容性不允許使用氟橡膠時(shí)，應(yīng)用FFKM合成橡膠)，波紋管為哈氏合金C，其余部件(如軸套、壓蓋等)為316不銹鋼。壓蓋內(nèi)需設(shè)置一個(gè)上等石墨制成的節(jié)流襯環(huán)。
Type C，高溫靜止型波紋管密封，其配對(duì)密封面為燒結(jié)碳化硅對(duì)上等浸漬石墨，O型圈為柔性石墨，波紋管為Inconel718(一種高等級(jí)的Ni-Cr合金)，其余部件(如軸套、壓蓋等)為316不銹鋼。壓蓋內(nèi)需設(shè)置一個(gè)上等石墨制成的節(jié)流襯環(huán)和一個(gè)青銅制成的防結(jié)焦檔圈。

(3) 密封配置有三種：配置1， 單端面密封；配置2， 無壓雙重密封；配置3， 有壓雙重密封。
(4) 加大密封腔徑向尺寸。
(5) 對(duì)影響密封性能和壽命的尺寸和配合要求如下：

a. 密封壓蓋和密封室應(yīng)準(zhǔn)確對(duì)中。
b. 軸和軸套的間隙配**用G7/h6。
注：G7/h6配合，依據(jù)直徑的不同，其名義間隙為25~75μm。
c. 密封室的端面跳動(dòng)量每20mm不應(yīng)超過10μm。

(6) 采用浮動(dòng)小間隙喉部節(jié)流襯套。
(7) 對(duì)液化氣體，密封腔壓力與液化氣*大汽化壓力的差值應(yīng)不小于3.5Bar或不小于*大汽化壓力的10％。
(8) API 682規(guī)定儲(chǔ)液箱的*小儲(chǔ)液量為20升。
(9) 嚴(yán)格的試驗(yàn)

API682對(duì)密封試驗(yàn)提出了很高的要求，試驗(yàn)分兩種：型式試驗(yàn)(認(rèn)定試驗(yàn))和出廠試驗(yàn)。

認(rèn)定試驗(yàn)的要求如下： 新密封需對(duì)50、100mm兩個(gè)尺寸的每一種密封型式(Type A, B,C)的每一種密封配置在適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)臺(tái)上進(jìn)行認(rèn)證試驗(yàn)。指定的5種試驗(yàn)液體為水、丙烷、20％的NaOH溶液、熱和冷的礦物油。包括一系列的動(dòng)力、靜態(tài)、交變?cè)囼?yàn)。每一尺寸的密封至少需進(jìn)行100小時(shí)的試驗(yàn)。認(rèn)定試驗(yàn)不規(guī)定試驗(yàn)通過或失敗的要求。如果試驗(yàn)后其磨損量很小且仍能維持試驗(yàn)前的泄漏量指標(biāo)，即為通過。

做認(rèn)定試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)錢，有些廠家的密封按照API682進(jìn)行設(shè)計(jì)，但沒有進(jìn)行過認(rèn)定試驗(yàn)。這種密封不能稱為API682密封。嚴(yán)格的試驗(yàn)?zāi)鼙ＷC密封的質(zhì)量，試驗(yàn)是機(jī)械密封連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期至少為3年的可靠保證。

六、API 610中有關(guān)機(jī)械密封的內(nèi)容介紹

在API 610(第八版)標(biāo)準(zhǔn)中指明，除另有規(guī)定外，應(yīng)當(dāng)裝設(shè)機(jī)械密封，且應(yīng)當(dāng)按API682裝設(shè)機(jī)械密封。如果機(jī)械密封不遵循API682，那么應(yīng)符合API610的2.7.3.1~2.7.3.23(這些條款大多取自API682)。其要點(diǎn)是：

(1) 機(jī)械密封應(yīng)為集裝式密封，鉤式軸套型的集裝式結(jié)構(gòu)不看作是集裝式密封。
(2) 采用API682的密封箱尺寸。
API610(第七版)的密封箱尺寸設(shè)計(jì)取自原填料密封，其徑向尺寸小，如密封室內(nèi)徑與密封旋轉(zhuǎn)件外徑的間隙有時(shí)僅為1.3mm；因此其腔內(nèi)的液體量少，密封傳熱差，因此密封面的溫度就高，導(dǎo)致密封在一些臨界使用狀況工作不穩(wěn)定。API682對(duì)密封箱尺寸作了詳細(xì)的規(guī)定，其徑向尺寸加大了，密封室內(nèi)徑與密封旋轉(zhuǎn)件外徑的間隙*小為3mm，傳熱效果好。
(3) 采用API682的雙重密封(dual seal)概念。
(4) 采用浮動(dòng)小間隙喉部節(jié)流襯套。
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