1 機械密封工作基本原理
在離心泵的液體端結構中,液體沿著葉軸線進至泵吸入口。由于葉輪與泵殼間的間隙很小,當葉輪高速旋轉時,液體充滿泵殼與葉輪之間。在別無出路情況下,液體靠離心力沿葉片甩向周邊,經泵出口排走。泵出口液體壓力是入口處的若干倍。但是,出口壓力會傳至葉輪背面驅動軸處.這就是任何離心泵在實際應用中必須有效地加以密封,這一密封基本上都靠機械密封來實現。
機械密封中流體可能泄漏的途徑有4個,實際上兩表面只是部分接觸,且接觸壓力在界而上是均勻分布的,所需潤滑液量很小,通過界面泄漏量也相當少。機械密封面實際是點撐在一個能夠漂移的很薄的液膜上,當此液膜進至大氣中,可將其歸類為泄漏。這種泄漏量通常是很少的,往往在肉眼見到之前就蒸發了。對不能很快蒸發的液體,如石蠟會慢慢積累.在操作若干小時后,可在壓蓋下部見到。
機械密封是比填料更好的正壓密封。因為彈簧總是壓在動環上,對密封面能自動補償,不需人工調整。還由于支承面是在密封的動環與靜環的界面上,對軸或軸套不會磨損,只有密封環而不是軸或軸套需要更換。機械密封不需經常維護并能長期不泄漏,機械密封穩定運行一萬五千小時以上是經常的事。
2 機械密封基本結構型式
2.1 按補償元件進行的分類
2.1.1 單彈簧機械密封
單彈簧機械密封依照其動環的驅動方式分為摩擦驅動和強制驅動兩種。摩擦驅動是彈簧固定在軸上,頂推動環密封圈,靠“O”形環的摩擦力驅動動環。這種機械密封由于其結構的簡單化限制了它的應用范圍。因靠摩擦力驅動,它只能用在像水一類的非潤滑型液體條件下,否則需用機械的辦法強制驅動。強制驅動是指卡環和動環之間有強制的驅動關系,一是把彈簧的兩彎曲端分別卡在卡環和動環的缺口內;二是圖卡環和動環之間止動銷聯接驅動。單彈簧機械密封的使用限制在于一是單彈簧因在高速下有變形的傾向,它只能在較低速度下使甩.這種變形促使彈簧偏壓于動環一側的固有傾向更加顯著,結果使密封面間的液膜不均勻,產生明顯泄漏或磨損。二是泵軸頸規格很多,用戶需有大量彈簧庫存才能覆蓋所需要的規格。
2.1.2 多彈簧機槭密封
機械密封常遇到操作環境條件不能使用單彈簧密封結構。用的是環繞轉軸等間距分布的小彈簧,這種小彈簧在高速下不易變形而且在任何時候作用在動環上的密封壓都是均勻的。此外,相同尺寸的彈簧可用在眾多規格的機械密封中使用。
2.1.3 波紋管機械密封
波紋管機械密封按波紋管種類分為金屬波紋管和合成橡膠波紋管兩種。目前在裝置上多用金屬波紋管。波紋管機械密封的主要優點是當靜環磨損后動環能自由向前移動,而不受軸與“O”形環問摩阻的影響。相當多的場合下,當泵軸或軸套金屬材料與工藝物料不適應并產生腐蝕時,常規”O”形環會回結在軸上,因其喪失補償能力而發生泄漏。波紋管機械密封避免了這一情況的發生。金屬波紋管允許用于比合成橡膠波紋管更高的轉速和更高的溫度。金屬波紋管本身提供必要的壓力使密封面保持接觸.從而不需要彈簧。因金屬波紋管沿其整個圓周和全長是一整體元件,其作用在動環上的壓力是均勻的,因此它比單彈簧機械密封可用于更高的轉速。同時它還適用于高溫和低溫。直至最近,常規機械密封還得依賴合成橡膠或聚四氪乙烯作副密封元件(如軸和靜環上的“O”形環)。這些材料的適用溫度范圍根窄,并與其成份有關。縱然某種特定材料可以適應于很高的溫度,但它未必能經受被密封液體的化學腐蝕。盡管可以在填函處形成一個人工的能與之匹配的環境條件,使其與溫度和腐蝕條件相適應,但這種環境條件控制是很昂貴的。對此,采用金屬波紋管密封使之能解決高溫和低溫下的密封問題。因金屬波紋管密封在軸上不存在“O”形環可能卡住的問題,故不會妨礙波紋管的伸縮補償性能。合成橡膠波紋管在耐壓和耐溫方面低于金屬波紋管,但其經濟性比較好。
波紋管只是對疲勞失效更為敏感。由于波紋管不“像0”形環那樣受到制約,一旦損壞其后果會嚴重得多。常規“O”形環類密封圈由于種種原因毀壞時,因受到拘束,其泄漏也受到限制,因此泄漏是輕微的,并隨損傷繼續擴大而逐漸增加,使用戶有足夠時間準備停車檢修。但是,波紋管一旦破裂,泄漏常會大得多,需要立即修理。
2.2 平衡型與非平衡型機械密封
機械密封必須注意被密封介質的壓力。如一內裝機械密封承受高壓,必須采取措施使作用在密封上的各處壓力不會都把動環推向通大氣一側。如閉合壓力大到一定限度,密封面同液膜會被擠出來。在喪失潤滑和高的密封面壓力下,機械密封端面會很快磨損失效。平衡型與非平衡型機械密封就是保持密封面壓力在一個合理的范圍內。
2.3 其他機械密封變形
2.3.1 內裝機械密封與外裝機械密封
以卡環和動環在介質側或在大氣側來確定是內裝機械密封或是外裝機械密封。內裝機械密封容易控制其操作條件和把填函中的高壓加以平衡。但內裝機械密封需要一個適當的安裝密封腔,不拆開設備便不能進行維修。如果是一種潤滑性良好的強腐蝕性液體,用外裝式密封代替貴重耐腐蝕金屬材料制成的,外裝式機械密封是經濟的。因它是外露的,雖然容易調整和發現缺陷,但它容易受沖(撞)擊損壞。更重要的是外裝非平衡型機械密封的壓力限制。與內裝密封相比,液體壓力是把密封面撐開而不是閉合,因此完全靠彈簧保持密封面接觸。在目前的應用中,化工泵基本上不使用外裝式機械密封。在相關的規范API 682中,對外裝式機械密封也未列入。
2.3.2 雙端面機械密封
需泵送一種臟的有腐蝕的液體,它會磨壞密封面并需用貴重材料以抗腐蝕。一種合乎邏輯的解決辦法是采用干凈的無腐蝕的液體作密封液而不使用泵送介質。就是為密封制造出一個人工環境。雙端面機械密封是這種原理的極好例子。例如,在雙端面機械密封形成一個相對獨立的腔體后,可讓水以高于泵進介質的壓力進入,保持填函壓力在一適當水平上,并允許少量的水循環帶走密封面摩擦產生的熱量。利用這種配置,水以比泵送介質高的壓力進入填函,環繞雙端面密封并為雙密封面提供潤滑。內側的密封防止水進入泵內,外側的密封防止水漏至大氣中。這一雙端面機械密封變成一個水封,和泵送介質無關。
2.3.3 串聯雙端面機械密封
串列雙端面機械密封是另一種配置形式。這種密封的目的不是為了創造一個像雙端面機械密封那樣的人工環境,而是提供一個備用密封,以備萬一內側機械密封損壞時用。內側密封的作用與內裝單端面密封相同。而密封之問的空腔內灌滿了由一密閉容器內流過來的液體。此液體為外側密封提供潤滑。因兩密封間的空腔只是充滿液體而沒有壓力,所以內側密封由泵送介質潤滑而不是用容器中的液體。如內側密封失效,兩密封間壓力升高并傳至容器內由儀表顯示或警報,一旦內側密封失效則由外側密封繼續起作用,直至停機修理。
機械密封的良好運行說到底就是維持密封端面的良好液膜。這是個最基本的觀點。防止對液膜的壓力過大將液膜擠出形成干摩擦,又要防止這個壓力太小密封面張開,兩者都造成密封失效。機械密封的理論和各種工況的實踐基本上都是按這個中心運行的。
3 結語
綜上所述,需要在設計及使用機械密封時注意以下因素對泵可靠運行的影響:
(1)增強對機械密封輔助系統的認識,盡可能配備完善的機械密封輔助系統。在泵產品設計的時候就要充分考慮到介質和工況的影響,確定良好可行的沖洗方案,進行正確的密封腔和接口設計,使機械密封有良好的工作環境。
(2)防止抽空對機械密封的破壞。抽空引起的密封故障,一般不是靜壓差造成的,而是相態變化導致密封振蕩。所以,穩定操作最重要,其次,要有合適的沖洗方案來緩解相態劇變。
(3)泵軸的軸向竄量應控制在容許范圍內。過大的軸向竄量會造成端面比壓的大范圍波動,使泄漏產生,并破會機械密封。
(4)在實際使用中,穩定工藝操作,防止在超溫狀態下運行,保障沖洗系統可靠運行。以及在維修裝配時保證機械密封有足夠的裝配精度,都是機械密封良好運行的可靠保障。在高壓法三胺裝置的工程實踐中,對泵用機械密封的運行狀況正是從上述因素逐個分析,排查原因,進行整改,才使機械密封運行可靠性得到了很大的提升。所以,在設備上配置合理的輔助系統,工藝操作上防止汽蝕,現場維修裝配上嚴格按規范保證裝配精度,是提高泵用機械密封運行可靠性最關鍵的因素。
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