機械密封的輔助設備

• 機械密封為什么要用輔助設施

在流體機械中(如泵、壓縮機、攪拌釜和離心機等)，工作條件最苛刻的部件要算機械密封。像推力軸承那樣承受軸向力;像換熱器那樣把產生的熱量導出。在高溫、高壓、易腐蝕等部位實現靜密封已經比較困難，要求在高速旋轉中，在幾毫米寬的密封端面上實現動密封就更加困難了。為了解決這個棘手的問題，經過一系列長期的實踐，我們找到了兩個途徑:一是從密封的結構和材料入手，使其適應苛刻的工作條件。這種做法花費的代價較高，盡管如此，仍不能從根本上解決問題。一旦密封失效，后果嚴重。另一途徑是通過輔助設施改善工作環境。目前，實際工作中不用任何輔助設施的機械密封實屬罕見。如高壓使用的串聯機械密封以及高溫泵的機械密封等都必須采用相應的輔助設施。通過輔助設施，將某些苛刻的工作環境改變為密封能接受的，使機械密封的效果大大提高，使用范圍更加寬廣。機械密封工作中產生的摩擦熱，使密封端面溫度升高，如不采取相應的設施，會產生許多不良后果。

1. 溫度升高使密封端面間液膜汽化，磨損加劇，使密封失效；
2. 溫度升高使動靜環產生熱變形，泄漏增大、磨損加劇；
3. 溫度升高也加劇了介質對機械密封的腐蝕；
4. 溫度升高使輔助密封圈老化、變質而失效；
5. 溫度升高，浸漬合成樹脂的石墨，因樹脂碳化而性能下降，浸金屬的石墨環，因金屬熔化而泄漏。

由此可見，不允許的溫升是機械密封的大敵。輔助設施的目的在于減少這種人們不希望的溫升，保持密封端面間的良好潤滑狀態，使機械密封各零件良好、正常地工作。在易汽化介質中，保證密封腔中的壓力，使之不汽化;在低溫泵的密封中可起到保溫和供熱的作用；對于有固體顆粒出現的結晶和強腐蝕介質的密封，還能保持密封不受損害。因此，有的國家把輔助系統稱為保護系統。1983年中國石化總公司組織了對七大石化企業的機泵密封調查認為:“國外引進的離心泵和壓縮機的軸封，根據不同條件都帶有不同的輔助設施。實踐證明，往往結構合理，材料良好而忽視了輔助設施，造成困難的工作條件，導致密封早期失效。反之，有些場合的結構和材料還不足以滿足工作條件的要求，采用有效的輔助設施，結果促使密封滿足了工作條件的要求，順利地運轉”。
有的機械密封工作溫度、壓力和速度等不太高，不用輔助設施也可以工作。但是，從密封的穩定性和使用壽命的觀點考慮，采用輔助設施是有利的。因此，應當把輔助設施看成是機械密封的組成部分，根據不同的工作條件，采用不同的輔助設施。國際上通用的美國石油學會標準(離心泵API610)，對此都做了具體的規定。正確、合理地選用輔助設施，不僅對密封的穩定性而且對延長使用壽命都有重要意義：對安全生產以及對減少漏損、減少維修工作量和降低生產成本有一定的作用，必須給予足夠的重視。
輔助設施也稱為密封循環保護系統，或簡稱為密封系統或保護系統。

• 機械密封的輔助設施包括哪些內容

機械密封的輔助設施是許多元件的統稱。由過濾器、旋液分離器、限流孔板、冷卻器、壓力罐、增壓罐、各種監測儀表、管路和管件等組成。實際工作中，可用一種或幾種，根據具體條件選定。通過沖洗、冷卻、過濾和分離等方式，實現對機械密封的潤滑、冷卻或調溫、沖洗、凈化、稀釋和沖掉泄漏介質，改善密封的工作環境。
所有輔助設施中最主要的工作方式是沖洗。所謂沖洗是將密封流體注入到密封腔內，完成潤滑、冷卻、凈化等功能，將不利的環境改變為密封能接受的工作環境。沖洗的種類很多，按沖洗方式和密封流體的不同可分為自沖洗、循環沖洗和注入式沖洗。自沖洗是用泵本身產生的壓差或密封腔內的泵送裝置產生的壓差，使被密封介質通過密封腔形成閉合回路實現沖洗；循環沖洗是通過產生壓差的設施(例如泵送環等)使外加的密封流體(有人稱隔離液)進行循環，達到沖洗的目的；注入式沖洗是被密封介質不宜做密封流體時，從外部注入另一種液體到密封腔內，改善密封工作條件的一種方法。
溫度調節設施：用溫度適宜的流體，對密封腔、靜環及其它零部件進行冷卻或保溫(或加熱)，達到提高密封穩定性和延長使用壽命的目的。這些設施不與被密封流體接觸(或混合)。需要指出的是沖洗兼有溫度調節設施的功能，可直接冷卻密封件。
過濾和分離：在進行沖洗時用過濾器和旋液分離器將密封流體中的雜質濾掉，保證密封端面不受損傷。
輔助設施除上述外，還有實現上述功能用的換熱器、孔板、儲壓罐及儀表等，所有這些構成了密封系統。

• 循環沖洗用于什么工作條件

循環沖洗是通過一個泵送裝置使外加的密封流體進行循環(圖62)。這里有兩點需引起注意，一是“泵送裝置”，可以是外加的油站和密封腔形成閉合回路進行循環，也可在密封腔中裝設一個泵，或者是用熱虹吸的原理使流體循環。另一點要注意的是“外加的密封流體”。這種沖洗方式用在雙端面或多端面密封上，在單端面密封上不采用。

 

循環沖洗也有人稱為“外循環”。

• 注入式沖洗用在什么場合

對于內裝單端面密封，當被密封介質不宜作密封流體時，比如被密封介質含固體顆粒(如煉油廠催化裂化裝置中的油漿泵)或溫度高、粘度大(如煉油廠常減壓裝置中的塔底泵)，需從外部引入密封流體(煉油廠常用蠟油和柴油餾分)，注入到密封腔中，改善密封的工作環境。對于采用單端面密封的高溫泵、易結晶或含固體顆粒以及腐蝕介質泵，均可采用注入式沖洗。
注入式沖洗有人簡稱為“沖洗”。

• 沖洗液進入密封腔的方式有幾種

沖洗液進入密封腔的方式有兩種：單點沖洗和多點沖洗。
單點沖洗：沖洗液由一個流出口沖洗密封，又可分為徑向、軸向和切向三種方式(圖63)。

 

徑向沖洗：密封流體沿徑向垂直沖洗摩擦副(圖63a)，結構簡單，是應用較多的一種方式。但沖洗量不可過大，以防止將石墨環沖出缺口。
軸向沖洗(圖63c)：密封流體沿軸向進入密封腔，避免了對石墨環的沖蝕作用，可用于腐蝕介質的泵中。
切向沖洗(圖63b)：沖洗液沿切線方向沖洗摩擦副，是單點沖洗中較好的方式。
單點沖洗結構簡單，但密封周圍溫度分布不均勻。為了避免沖蝕石墨環，徑向沖洗液流入密封腔的流速不要高于3m/s，沖洗孔的直徑不要小于5mrn。為此都要控制沖洗量。切向沖洗使密封面圓周的溫度趨于均勻，也減少了對石墨環的沖蝕，是值得推薦的方法。
多點沖洗(圖64)：沖洗液沿圓周多個小孔同時進入密封腔，并起沖洗作用。多點沖洗克服了單點沖洗的缺點，使摩擦副周圍的溫度分布更均勻。但結構較為復雜，需增加一個沖洗環，內設6~8個小孔，孔徑3~4mm。多點沖洗用在易汽化的介質中，也可用在產生摩擦熱較多的高pv值場合。
沖洗孔位置應盡量開設在摩擦副處，以便更好地把熱量導走。單點沖洗不能直接對準石墨環(靜環)，也不能遠離摩擦副，使沖洗作用減弱。

 

 

• 沖洗量是怎樣確定的

理論上講沖洗量是按密封裝置的熱平衡原理計算確定。產生的熱量中有摩擦副的摩擦熱、密封旋轉產生的攪拌熱、泵內流體傳到密封處的熱量等。散失熱量的方式有壓蓋急冷、密封腔夾套冷卻和自然冷卻。產生的熱量減去散失的熱量，兩者的差值應是沖洗帶走的熱量。該計算麻煩，有很多數據是選取的，計算f結果沒有多大的意義。根據長期的實踐和經驗，沖洗量在3~30L/ min，可根據密封規格(直徑)和介質的種類選取(見表32)。

 

根據選取的沖洗量，對易揮發介質或溫度較高的介質沖洗量要適當大一些。

• 怎樣控制沖洗量

沖洗量可以用節流閥來改變，也可以用限流孔板來控制。由于節流閥沒有量的概念，所以現在大多用限流孔板。按需要的沖洗量和孔板前后的壓差來確定孔板的直徑。換言之，孔徑確定后，孔板前后的壓差一定，沖洗量就確定了，無法調節。可用計算的方法近似地按孔板流量公式計算孔板的孔徑，但是由于孔板結構不同，計算結果需通過實驗進行修正。既然如此，直接用實驗結果更為方便。所以，沖洗量大都用實驗圖表查得。
目前用的孔板有兩種結構。一種是法蘭聯接的，另一種是螺紋聯接的。法蘭聯接的孔板結構簡單(圖65)，拆裝方便。厚度為4~6mm的圓板帶有一“尾巴”，以便于安裝，上面打鋼印，表示孔徑的數值。通常用不銹鋼板制造。這種結構的孔板，流量、孔徑和壓差的關系見(圖66)。

 

對于不用做冷卻的沖洗量控制不是很嚴，對于冷卻后再用做沖洗的，量則要求較為準確，這涉及到冷卻水量和冷卻后的溫度。如果沖洗量很少，孔板直徑又不能太小(太小了容易堵塞)，這時可以采用孔板串聯的方法。采用自沖洗時，泵出口裝一孔板，經冷卻器后再裝一孔板，通過兩個串聯孔板的流量約等于一個孔板流量的70%。
螺紋連接孔板見(圖67)。它相當于一個噴嘴，與前者的不同在于孔板較長。