泵用機(jī)械密封發(fā)展技術(shù)研究

摘要：本文針對(duì)礦山、冶煉、石油化工行業(yè)中的泵用機(jī)械密封國(guó)際、國(guó)內(nèi)的最新發(fā)展技術(shù)作了一個(gè)比較全面的研究分析，同時(shí)，對(duì)機(jī)械密封在企業(yè)的應(yīng)用情況、專業(yè)申請(qǐng)和使用情況也作了比較全面的分析，為從事機(jī)械密封生產(chǎn)的企業(yè)、使用機(jī)械密封的用戶、參加機(jī)械密封研究的技術(shù)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械密封；應(yīng)用特點(diǎn)；新專利；新標(biāo)準(zhǔn)

隨著綠色制造概念的提出，在企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，特別是礦山、冶煉、石油化工行業(yè)中，環(huán)境問(wèn)題變得愈來(lái)愈重要，跑冒滴漏問(wèn)題一直是各企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，泵的密封問(wèn)題顯得更為重要。采用填料密封的方法已逐漸不能被人們所接受，針對(duì)現(xiàn)代工藝流程中比較普遍的、腐蝕性較強(qiáng)的液體而言，機(jī)械密封替代填料密封成為一種必然趨勢(shì)。下面就機(jī)械密封的技術(shù)發(fā)展情況作了研究，對(duì)新技術(shù)、新工藝、新標(biāo)準(zhǔn)作出分析。

一、機(jī)械密封的應(yīng)用特點(diǎn)分析

機(jī)械密封是靠一對(duì)或數(shù)對(duì)垂直于軸作相對(duì)滑動(dòng)的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力(或磁力)作用下保持貼合并配以輔助密封而達(dá)到阻漏的軸封裝置。

常用機(jī)械密封結(jié)構(gòu)由靜止環(huán)(靜環(huán))、旋轉(zhuǎn)環(huán)(動(dòng)環(huán))、彈性元件、彈簧座、緊定螺釘、旋轉(zhuǎn)環(huán)輔助密封圈和靜止環(huán)輔助密封圈等元件組成，防轉(zhuǎn)銷固定在壓蓋上以防止靜止環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)環(huán)和靜止環(huán)往往還可根據(jù)它們是否具有軸向補(bǔ)償能力而稱為補(bǔ)償環(huán)或非補(bǔ)償還。

機(jī)械密封中流體可能泄漏的途徑有A、B、C、D四個(gè)通道。C、D泄漏通道分別是靜止環(huán)與壓蓋、壓蓋與殼體之間的密封，二者均屬靜密封。B通道是旋轉(zhuǎn)環(huán)與軸之間的密封，當(dāng)端面摩擦磨損后，它僅僅能追隨補(bǔ)償環(huán)沿軸向作微量的移動(dòng)，實(shí)際上仍然是一個(gè)相對(duì)靜密封。

A通道則是旋轉(zhuǎn)環(huán)與靜止環(huán)的端面彼此貼合作相對(duì)滑動(dòng)的動(dòng)密封，它是機(jī)械密封裝置中的主密封，也是決定機(jī)械密封性能和壽命的關(guān)鍵。因此，對(duì)密封端面的加工要求很高，同時(shí)為了使密封端面間保持必要的潤(rùn)滑液膜，必須嚴(yán)格腔制端面上的單位面積壓力，壓力過(guò)大，不易形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑液膜，會(huì)加速端面的磨損；壓力過(guò)小，泄漏量增加。所以，要獲得良好的密封性能又有足夠壽命，在設(shè)計(jì)和安裝機(jī)械密封時(shí)，一定要保證端面單位面積壓力值在最適當(dāng)?shù)姆秶?/p>

機(jī)械密封與軟填料密封比較，有如下優(yōu)點(diǎn)：①密封可靠在長(zhǎng)周期的運(yùn)行中，密封狀態(tài)很穩(wěn)定，泄漏量很小，按粗略統(tǒng)計(jì)，其泄漏量一般僅為軟填料密封的1/100；②使用壽命長(zhǎng)在油、水類介質(zhì)中一般可達(dá)1～2年或更長(zhǎng)時(shí)間，在化工介質(zhì)中通常也能達(dá)半年以上；③摩擦功率消耗小機(jī)械密封的摩擦功率僅為軟填料密封的10％～50％；④軸或軸套基本上不受摩損；⑤維修周期長(zhǎng)端面磨損后可自動(dòng)補(bǔ)償，一般情況下，毋需經(jīng)常性的維修；⑥抗振性好對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)、偏擺以及軸對(duì)密封腔的偏斜不敏感；⑦適用范圍廣機(jī)械密封能用于低溫、高溫、真空、高壓、不同轉(zhuǎn)速，以及各種腐蝕性介質(zhì)和含磨粒介質(zhì)等的密封。但其缺點(diǎn)有：①結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)制造加工要求高；②安裝與更換比較麻煩，并要求工人有一定的安裝技術(shù)水平；③發(fā)生偶然性事故時(shí)，處理較困難；④一次性投資高。

二、激光加工多孔端面機(jī)械密封的發(fā)展

激光加工多孔端面機(jī)械密封是機(jī)械密封領(lǐng)域中一項(xiàng)嶄露頭角的新技術(shù)。多孔端面機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：動(dòng)環(huán)為平端面密封環(huán)，靜環(huán)平端面上均勻地布置著規(guī)則的微孔，形成多孔端面。微孔為圓孔、橢圓孔或圓錐孔，端面上正方形分布的圓孔的情形。孔徑從幾微米至數(shù)百微米，孔深從幾微米到幾十微米，孔隙率(孔面積占整個(gè)端面面積的百分?jǐn)?shù))為5％-30％。多孔端面的表面粗糙度與靜環(huán)的表面粗糙度相同，Ra均為0.01～0.02μm。

在停車時(shí)，即動(dòng)環(huán)不旋轉(zhuǎn)時(shí)，在彈簧力作用下，靜環(huán)與動(dòng)環(huán)構(gòu)成靜止平面密封，使流體介質(zhì)得以密封。當(dāng)動(dòng)環(huán)回轉(zhuǎn)時(shí)，由于靜環(huán)表面有很多微孔，動(dòng)環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)使其表面與靜環(huán)表面上的微孔形成收斂縫隙流體膜層，使每一個(gè)孔都像一個(gè)微動(dòng)力滑動(dòng)軸承。也就是說(shuō)，當(dāng)另一個(gè)表面在多孔端面上滑動(dòng)時(shí)，會(huì)在孔的上方及其周邊產(chǎn)生流體動(dòng)壓力，這就是流體動(dòng)壓效應(yīng)。流體動(dòng)壓力的承載能力取決于滑動(dòng)的速度、介質(zhì)的粘度和流體膜厚度。這些孔產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)的共同作用的結(jié)果使得兩密封面分開(kāi)。由于在兩密封面間存在流體膜，兩密封面不再直接接觸，密封面問(wèn)的摩擦狀態(tài)為流體摩擦。試驗(yàn)研究表明，在端面載荷和轉(zhuǎn)速相同時(shí)，多孔端面機(jī)械密封環(huán)之間的間隙總是大于普通機(jī)械密封環(huán)之間的間隙。端面載荷增加時(shí)，普通機(jī)械密封環(huán)的端面間隙驟然減小，以至于端面直接接觸，液膜遭到破壞，使磨損加劇。對(duì)于多孔端面機(jī)械密封環(huán)，端面載荷增加時(shí)，端面間隙減小，液膜剛度增加，而很小的間隙又恰好將泄漏量降低到最小，從而滿足嚴(yán)格的機(jī)械密封泄漏要求，同時(shí)減少了密封面的磨損。因此，多孔端面機(jī)械密封可有效地延長(zhǎng)密封壽命。

機(jī)械密封的最大PV值是評(píng)價(jià)機(jī)械密封運(yùn)行安全性的重要指標(biāo)，而多孔端面機(jī)械密封可有效地提高機(jī)械密封的最大PV值。對(duì)多孔端面的孔深與直徑比值進(jìn)行優(yōu)化，其最大PV值約是普通機(jī)械密封最大PV值的2.5倍。因此，多孔端面機(jī)械密封可有效地提高密封參數(shù)，保證機(jī)械密封的安全運(yùn)行。多孔端面機(jī)械密封已經(jīng)應(yīng)用于石油化工行業(yè)，如輕烴和甲苯密封介質(zhì)，溫度為266～320℃，壓力為0.67MPa的多孔端面機(jī)械密封。經(jīng)過(guò)6個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行，密封效果令人滿意。

三、機(jī)械密封新專利和新標(biāo)準(zhǔn)的研究

石化行業(yè)中80～90％的化工泵采用機(jī)械密封。使用機(jī)械密封是解決跑、冒、滴、漏，改善環(huán)境保護(hù)，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本的有效途徑，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化必不可少的手段之一，而新技術(shù)新標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，為企業(yè)帶來(lái)了不僅是經(jīng)濟(jì)效益，為周邊環(huán)境、環(huán)保作出了新的貢獻(xiàn)。

1.企業(yè)新技術(shù)應(yīng)用情況分析。廣州吳天化學(xué)公司ZW600-80型強(qiáng)制循環(huán)泵，流量2650m³/h，泵輸送的漿料中含有8％～10％(wt)甚至更高的鹽晶體，輸送液溫度高達(dá)120℃。軸封結(jié)構(gòu)包括安裝在軸流泵旋轉(zhuǎn)主軸上的軸套、前機(jī)封蓋、密封環(huán)、泵蓋、后機(jī)封蓋、水封蓋和安裝在它們之間的兩套前后串聯(lián)并相互獨(dú)立的機(jī)械密封，機(jī)封1采用平衡型外置靜環(huán)補(bǔ)償式機(jī)封，機(jī)封2采用雙端面撥叉式機(jī)封。

廣東省開(kāi)平滌綸企業(yè)集團(tuán)公司漿料輸送泵為羅茨泵，漿料介質(zhì)密度1350m³／kg，出口壓力600kPa，電機(jī)轉(zhuǎn)速1500r／min漿料的密封采用機(jī)械密封形式；采用EG進(jìn)行沖洗，用骨架油封進(jìn)行密封，防止沖洗液外漏。改進(jìn)措施包括：改變推環(huán)兩端O形密封圈的密封位置，采用氟橡膠O形密封圈；用PTEF材料制作一個(gè)類似骨架油封的油封，安裝于定環(huán)固定座與泵體之間，防止?jié){料進(jìn)入動(dòng)、靜環(huán)密封面等。

日本三菱重工的93A型反應(yīng)堆冷卻泵(RCP)軸封系統(tǒng)包括三道密封。第一密封(1級(jí)密封)是控制泄漏的film-riding端面密封，采用非接觸式控制泄漏系統(tǒng)，在長(zhǎng)周期操作(約1年}內(nèi)特性偏差較小。1號(hào)密封的作用為將冷卻劑的壓力從15MPa降低到0.3MPa，包括旋轉(zhuǎn)側(cè)密封runner和靜止側(cè)密封環(huán)。

2.專利申報(bào)及應(yīng)用情況分析。廣州水泵廠的中國(guó)實(shí)用新型專利ZL99236406揭示的組合密封式無(wú)泄漏泵包括旋轉(zhuǎn)主軸、葉輪、泵蓋、機(jī)封蓋等部件，在所說(shuō)的旋轉(zhuǎn)主軸、葉輪、泵蓋和機(jī)封蓋之間設(shè)置并聯(lián)套裝的兩套機(jī)械密封，其外層密封為貼近泵蓋的單端面平衡型靜環(huán)補(bǔ)償式機(jī)封(第一級(jí)密封)，內(nèi)層密封為貼近旋轉(zhuǎn)主軸的雙端面機(jī)封(第二級(jí)密封)，這種泵通過(guò)泵體內(nèi)所安裝的組合式機(jī)封，使輸送介質(zhì)與隔離液介質(zhì)分離，能避免輸送液介質(zhì)通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸面向外部空間泄漏。

日本NlPPON PlLLAR PACKING CO LTD申請(qǐng)的美國(guó)專利US5501470揭示了一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的非接觸式軸封，在軸封端面的高壓側(cè)產(chǎn)生流體膜密封。旋轉(zhuǎn)密封面上成輻射狀或外周方向排列著多個(gè)壓力凹槽，在流體膜內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)壓力。

日本三菱重工申請(qǐng)的日本專利JP8219297揭示的軸封適用于高壓旋轉(zhuǎn)機(jī)器，高壓室和低壓室相互密封，旋轉(zhuǎn)環(huán)上有多個(gè)凹槽，以便于隨著旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)將環(huán)形凹槽內(nèi)的流體沿外周方向輸送。

日本NIPPON PILLAR PACKlNG CO LTD申請(qǐng)的日本專利JP2003185030揭示軸封裝置采用二道機(jī)封，用于高壓設(shè)備。其第一機(jī)封通過(guò)雙級(jí)密封部件使第二軸套可以沿軸向相對(duì)移動(dòng)地插入旋轉(zhuǎn)密封環(huán)內(nèi)，這樣第一靜止側(cè)固定器能夠保持第一靜止密封環(huán)插入在第一軸套內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)可以減小體積和重量。

3.新標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行情況。(1)美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 682《離心式和回轉(zhuǎn)泵的泵軸密封系統(tǒng)Pumps-Shaft Sealing System forCentrifugal and Rotary Pumps 3rd Ea.2004》(ISO 21049：2004)要求軸封系統(tǒng)連續(xù)操作25000h無(wú)需更換；給出了三種密封排列，排列3每個(gè)套管組件保含2個(gè)密封，使用外部提供的止漏流體，內(nèi)部密封應(yīng)有內(nèi)部(反向)平衡特征，以便無(wú)需打開(kāi)情況下也能耐受反向壓力變化。(2)API 614《石油、化工和天然氣工業(yè)用潤(rùn)滑、軸封、控制油與輔助系統(tǒng)Lubrication，Shaft-Sealing，and Contro-Oil System and Auxi Iaries for PetroIeum，Chemlcal.and Gas Industry Services4th Ea.，1999》；(5)BS EN ISO 10438。2003《石油、石化和天然氣工業(yè)一潤(rùn)滑、軸封和油控制系統(tǒng)和輔件Petroleum，petrochemical and naturaI gas industries-lubrication，shaft-sealing and control-oil systems and auxiliarles》。