摘要: 介紹了柱塞泵軟填料密封的基本知識, 重點就如何改善填料密封的性能, 從填料箱的總體結構、填料材料和組合、柱塞以及導向套等幾個方面進行了分析。應用實例表明, 國產填料完全可以替代進口填料。
關鍵詞: 柱塞泵;軟填料密封;密封性能
柱塞泵在原油生產和煉油化工生產中, 常被用作高壓注水泵、原油輸送泵、化工原料泵和添加劑進料泵等,成為不可缺少的動設備。軟填料密封作為柱塞泵中的重要組件, 直接影響著泵的工作性能和生產的正常進行。
1 密封機理
圖 1 所示為一典型結構的柱塞泵用軟填料密封。填料是依靠壓蓋產生軸向壓緊力, 產生變形而貼緊在軸(或柱塞)面上的。從微觀來看, 軸表面上的微凸體使軸表面與填料只能部分貼合, 從而形成了無數微小的相當不規則的“迷宮”,造成流體的節流減壓,依靠這種“迷宮效應”達到密封。柱塞作往復運動時,軟填料同軸表面間的相對運動類似滑動軸承。為了避免干摩擦 , 延長填料密封的工作壽命,應保證填料與軸表面間有足夠的潤滑和冷卻,往封液環入口中注入封液 ,可達此目的。所以, 軟填料密封的機理可認為是“迷宮效應”與“軸承效應”的綜合 。
2 輔助系統
為改善軟填料密封的潤滑和冷卻條件 , 延長密封的工作壽命或防止泄漏 , 填料箱可以配置各種輔助系統 ,如急冷、注封液和沖洗等。
a.急冷
急冷可很容易地設置在大多數單段填塞型密封箱的后部, 見圖 2(a)。但在某些特殊情況下, 必須安裝輔助密封,既可保護泵的正常工作,又可封住受污染的冷卻液。
急冷用來防止污染物進入泵內、介質向大氣中泄漏、大氣側的結晶、雜質沉積或析鹽。污染的急冷液用后應注意排放, 比如說受氨或硫化氫污染的水必須輸送到一個密閉的排放系統中。
b.封液
封液系統常用于柱塞泵真空操作 , 泵送介質為有毒易燃、易爆、含固體顆粒或高溫、高壓的液體介質等場合,是一種較為常見的輔助系統 。封液系統既可安裝在帶輔助密封的填料箱上 , 也可配置在至少包括兩段填塞型密封的填料箱上 , 如圖 2 (b)所示。封液應同被密封介質有相容性 , 常用的封液有潤滑油和水 ,而潤滑油往往用于高壓加工系統 , 以對填料提供附加潤滑 。封液壓力應比填料箱壓力高出至少 0.1 ～ 0.2M Pa , 其中填料箱壓力的計算可參考文獻[ 2] 。
c.沖洗
沖洗是在主填料密封前面引入低壓流體或高壓流體,以防止介質中含有的結晶顆粒或雜質破壞主密封,如圖 2(c)所示。
沖洗分為異步沖洗和同步沖洗 。異步沖洗是指從儲液罐中出來的潔凈相容液體 , 以高出泵入口壓力約 0.1MPa 的壓力經單向閥進入喉部襯套的環形空間。在柱塞泵的吸入沖程階段 ,柱塞從填料箱中抽出的同時 ,通過單向閥的壓降會將閥頂開而使潔凈液體進入;在排出沖程開始時,壓差反向使單向閥 關閉。同步沖洗是指將容積式泵缸同每一填料箱相連接,并在每一吸入沖程階段,向填料箱注入流量一定的液體。
3 軟填料密封的改善
影響軟填料密封的密封性能或密封效果的因素很多,從軟填料密封使用情況來看, 填料箱的總體結構、填料的材質和組合、柱塞及導向套等是影響填料密封的直接因素。
3.1 填料箱的總體結構[ 3]
填料箱的總體設計包括輔助系統的選用, 填料的加載方式以及填料密封段數的確定。
盡管軟填料密封結構簡單可靠, 但亦有許多不足之處 ,主要表現在 :(1)受力問題 ———填料的徑向抱緊力分布與介質壓力分布不一致 ,這就要求很大的抱緊力方能使填料達到必要的密封效果;(2)自動補償問題———隨著軟填料的磨損, 填料與軸表面間的間隙將增大 ,導致泄漏量的增加;(3)散熱性差 。散熱問題可根據柱塞泵的工藝條件 ,通過選擇合適的輔助措施來解決 ,如選擇急冷、沖洗、封液或夾套冷卻等 。對于受力問題, 目前在生產實際中應用較多的解決辦法是將單段長密封改為多段短密封 , 或采用幾種不同種類的填料組合使用 ,或/和設置硬度較高的隔環來間隔填料, 以使壓力降沿軸向較均勻地分布。最新研究表明, 將傳統的反向加載(同液壓方向相比)改為同向加載 ,可使徑向抱緊力的軸向分布與介質壓力分布接近, 并可使最大壓緊力降低, 從而大大延長了密封的工作壽命 ,如圖 3(a)所示。對于自動補償問題 ,可采用液壓加載和彈簧加載來解決,如圖 3(b)所示[ 3 ～ 5] 。但當填料磨損較大時 , 需要很大的壓緊力 ,而上述加載補償能力有限, 故在實際應用中少見。
3.2 填料
密封填料是影響密封性能最直接和最主要的因素,具體體現在填料材質的選擇和組合 ,以及填料的安裝等方面.
a.密封材料及其組合
據現場調查 ,目前柱塞泵軸封常用材料主要有石棉填料 、石棉浸 PTFE 填料、PTFE 纖維成型填料 、碳纖維填料和柔性石墨(又稱膨脹石墨)。上述填料均可單獨使用 ,但是柔性石墨一般不單獨使用,原因是強度低、不耐沖蝕、不耐擠壓, 在介質壓力作用下會成粉末狀流動而使密封失效, 所以用于動密封場合時常同其他幾種填料組合使用 。現場采用兩種填料組合使用的較多, 如 PTFE 纖維與碳素纖維或柔性石墨組合。值得注意的是 ,同種組合下, 填料安放位置不同 , 則產生的密封效果會大不一樣。此時填料安放的原則是 , 較硬或回彈性差的填料安放在箱底部和壓蓋處 ,若有封液環 ,環兩側也應安放硬環 ,較軟填料放置在中部, 其間可用金屬墊片(厚 1～ 3m m)作隔環, 以使沿每圈填料的壓降均勻些。各項實驗和現場應用研究表明, 組合式填料的優點越來越為人們所接受[ 5] ,特別是 PTFE 纖維成型填料同碳素纖維或柔性石墨的組合 。由于石棉對環境產生污染 ,為致癌物 ,并且單獨使用時壽命很短 ,對軸的磨損較嚴重 ,所以石棉系列填料在西方國家正逐漸被淘汰。
b.填料的安裝及調試
填料裝填質量的好壞 ,對填料密封的平均工作壽命(M TBF)有著直接影響 ,有時甚至起著決定性的作用 。安裝時主要應注意 :
(1)清潔填料箱及軸表面 ;
(2)填料外表面涂抹密封劑或與介質相容的潤滑劑 ;
(3)填料切口應相互錯開 ,第一 、二圈切口相錯 180°,第三與第二圈相錯 90°, 第四與第三圈相錯 180°, 依此類推 ,并且應注意切口不能在軸下方 ;
(4)上緊壓蓋時應力求用力均勻 。詳細過程可參考文獻[ 2] 。
填料不要一次性壓得過緊 ,開車后再逐漸緊固 ,使其泄漏量為零(對有毒 、易燃或易爆介質)或不大于15 滴/分(水或其他對環境無污染的介質).
2.3 柱塞(軸)
軟填料密封的泄漏量除了同填料 、填料箱總體結構有關外 ,還同柱塞的表面質量(硬度 、粗糙度)、柱塞的結構及其振擺等因素有關 。一般要求柱塞表面粗糙度在 3.2μm 以下 , 表面硬度應不小于 H RC50 , 軸的允許偏心度最好不超過 0.03 ～ 0.08mm(大軸徑取大值), 最大值不應超過 d /100mm , 避免填料密封當作軸承來用 。柱塞表面通常鍍上一層耐磨 、耐腐蝕性好的保護層 , 鉻化硼系列合金是較常用的涂層材料 ,另外還有硬鉻和氧化鉻等 。涂層既可用于普通碳鋼 ,又可用于不銹鋼坯體 ,如 1Cr18Ni9Ti 等 。對含固體顆粒或易結晶介質 , 柱塞表面可噴涂金屬陶瓷(Cr2O3)或硬質合金(WC), 也可采用 38CrMoAl 作柱塞 ,并且表面經輝光離子氮化處理 ,來提高表面硬度。除鍍鉻之外 ,應用化學鍍目前正被采用 ,以解決電火花鍍層中產生氣孔的問題。
柱塞的結構也是影響密封性能的一個因素。所調查的幾十臺柱塞泵全是臥式泵, 柱塞對填料和導向套均產生了不同程度的偏磨 , 有的還很嚴重。為減小摩擦,降低偏磨損 ,可采用空心柱塞,達到延長密封使用壽命的目的。
3.4 導向套
導向套起著定位和支承柱塞的作用,從而減小了對填料密封圈的側壓力,提高了密封效果。柱塞和導向套是一對重要的摩擦副,導向套材質的選擇應與柱塞材質的選擇一同作出, 以形成一個良好的工作組合。對導向套材質的要求是耐磨、耐腐蝕, 并具有一定的機械強度, 其硬度通常低于柱塞表面。例如, 對鍍鉻柱塞, 導向套的材料應首選青銅或鑄鐵,其次是鑄鋼。近年來也有采用填充金屬的非金屬材料作導向套的,如填充 PTFE 和浸金屬碳石墨等材料 ,但由于非金屬材料的強度低 ,所以還需在設計上作大量的改進,如加設金屬套等。
4 應用實例
某石化企業所用注水泵原來采用進口柔性石墨和填充 PTFE 材料作密封填料, 后來改用國產石棉填料, 支承環采用純 PTFE 墊片。實用經驗表明 ,改用國產填料后密封使用壽命大大下降,最短時僅幾個小時(見表 1)。后改石棉填料為石棉浸漬 PTFE 填料,效果仍無多大改觀。由于密封泄漏過量,對柱塞泵的正常工作性能產生影響,加大了泵的流量脈動不均勻度,嚴重時誘發管線特別是出口管線的劇烈振動, 干擾了生產的正常進行。
經對填料和柱塞的磨損情況分析及尺寸復測,認為密封失效或壽命短的原因主要有 :(1)石棉或浸 PTFE 石棉填料的耐磨性差, 應力松弛較大, 使用過程中容易出現硬化現象, 對柱塞產生磨損, 同時回彈率又低, 從而使 密封壽命大 大縮短 。純PTFE 材料強度低 , 自潤滑性較差且不磨損, 不宜作支撐環; (2)柱塞鍍層精度低 , 表面硬度偏低 ,易磨損 ;(3)密封的水封斷流現象時有發生 ;(4)密封的安裝質量差 , 填料內徑偏小, 以及泵工況波動較大等是造成密封壽命短的原因 。改進措施包括 :(1)改石棉系填料為碳素纖維 (1 號、2 號泵)或 V型 PTFE 纖維填料 (3 號、4 號泵), 支撐環改用填充 PTFE (如填充銅粉、玻璃纖維或石墨等);(2)柱塞鍍鉻層厚度控制在 0.1 ～ 0.18mm 以內, 表面粗糙度不大于 3.2μm , 表面硬度不低于 H RC55 ;(3)在泵的進、出口管線中加設穩壓罐和空氣包;(4)加強填料密封的冷卻管理, 并提高安裝、維護工人的技術水平等。采取這些措施后 , 密封的壽命提高到了 5000 小時以上, 基本上滿足了生產的要求(見表 1)實例表明, 只要密封箱總體結構設計正確, 填料選材及組合得當, 安裝質量較高 , 維護及時, 國產密封件的使用壽命完全可以同進口密封件相媲美。
4 結束語
柱塞泵已經發展了三百多年, 為使其應用領域不斷拓寬 , 就必須不斷研制和開發新型填料以及新的設計方法。任何填料密封對某種特殊液體的適應性是受工作條件的影響和制約的。改善密封性能,延長密封使用壽命, 最關鍵之處是合理選用新填料及其組合方式, 其次是優化填料密封裝置的結構,如填料箱總體結構設計, 柱塞的表面質量、對中性 , 隔環和支撐環的數量及其定位 , 導向套的材質及其同柱塞間間隙的選擇等等。當然, 用戶為求得壽命長且可靠性高的填料密封, 就應同填料制造廠緊密聯系, 以確保密封設計及其應用的成功。
參 考 文 獻
1 彭旭東等 .柱塞泵管路系統失效分析及防止措施 。 石油化工設備 , 1996 , 25 (2):27 ～ 30
2 顧永泉 .流體動密封 .石油大學出版社 , 1990
3 Denney D .F , .N ew Generation Soff-Packed Stuffing-boxSeals , World Pump , 1988 , N o .261 , 138 ～ 142
4 Nesbitt B .Stuffing box designs for reciprocating pumps ,World Pump , 1994 , No .328
5 楊書益等 .組合式密封填料的性能研究及應用 .流體工程 .1989 , (10):4 ～ 9
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