淺談離心泵填料密封與機械密封的選用

祁德路 王小冬 鐘 肖 仲光華

（海洋石油工程股份有限公司設計公司，山東 青島266555）

0 引言

離心泵的密封對整個設備的正常運行有著非常重要的作用，其密封系統一旦出現泄漏，將會對設備正常運轉造成嚴重影響，這就要求我們切實做好離心泵的密封工作。

1 填料密封

填料密封指用填料來填塞泄漏通道，以阻止和解決泄漏的一種密封方式。一般來講，填料密封的結構相對簡單，不僅裝拆維修十分方便，而且成本也較為低廉，所以被廣泛應用到離心泵等設備上。離心泵所選用的填料密封既是靜密封也是動密封，而且所選擇的填料多是油浸石棉盤根軟填料。

1.1 填料密封的機理

離心泵填料密封并不是靠固體填料與旋轉軸套之間進行緊密貼合而阻止其內部流體泄出，而是利用填料與設備旋轉軸套之間所貼合形成的一種較薄環隙。由于該環隙注滿潤滑油，所以起到了相應的密封與潤滑作用。在離心泵啟動過程中，泵腔內部受一定壓力逐漸成為真空，這時油膜就起到了防止空氣被不斷吸入泵腔內部的作用；而當離心泵開始正常運動時，油膜也會適時起到防止泵腔內部流體不斷泄漏的作用。這層油膜主要來源于離心泵所選擇使用的填料。一般來講，離心泵所選擇的材料多是棉紗以及石棉人造纖維等。這種填料內部大都擁有較大空隙，而空隙內部也能很好地吸收和存儲潤滑油液。當離心泵運行一定時間后，其填料軸封處可允許存在微量泄漏（這種泄漏可以起到一定的潤滑與散熱作用），已經存在的潤滑膜則會隨著微量泄漏的流體逐漸流出，最終導致離心泵在使用一段時間后隨著潤滑膜的全部流失而產生嚴重泄漏，這時就需要工作人員將填料壓蓋螺母再擰得稍微緊些，以防止填料內部的浸漬劑被不斷擠壓出來，形成新的潤滑膜。重復該循環，一直到填料內部不存在浸漬劑或浸漬劑很少時，則需立即更換填料，這主要是因為該情況下填料會隨著其逐漸干燥而失去原有效用。需要注意的是，在壓裝新填料時，無需擰壓過緊，待其運行使用一段時間后，可再對填料壓蓋螺母進行逐步擰緊。

1.2 填料密封的選用

一般來說，離心泵所選擇使用的填料密封腔多是圓柱形、錐形等，其優點是方便加工、結構簡單。在圓柱形填料腔內部，其填料與設備軸套外壁以及箱內壁貼合，這主要是因為它們之間有較大接觸力（接觸力產生的原因即填料壓蓋螺母不斷擰緊），迫使填料內部體積逐漸減小，這就在一定程度上縮小了填料環的內徑，而增加了其相應的外徑，由此形成了填料對填料箱壁及軸套表面的接觸力。而隨著填料壓蓋螺母的逐漸擰緊，其內部接觸也會不斷加大，這就使得填料與軸套之間的動密封以及填料與填料箱內壁之間的靜密封不斷增強。需要注意的是，這種接觸力并非在填料內沿軸線上處處相等，而是會隨著填料壓蓋距離不斷變化，與填料壓蓋距離越遠，其接觸力就會越小，靠近填料箱喉部填料的接觸力甚至為0。

在離心泵運行過程中，填料壓蓋螺母擰得越緊，則填料貼合在軸套上也會越來越緊。當填料上的比壓不斷增大或者是填料與軸套之間泄漏量越來越小甚至不存在泄漏時，那么其摩擦以及摩擦所產生的熱量就會逐漸增加，而填料、填料箱以及軸套也會迅速發熱。一般來講，填料箱發熱可以借助手摸感覺，如果感覺填料表面十分燙手，則說明該填料密封部位存在嚴重發熱現象，那么其相應的填料與軸套就會很快被磨損至失效，與此同時，其泵功率會不斷上升，效率也會逐漸下降。

假如離心泵內油液開始從填料外徑以及填料箱之間泄漏，那么即表明填料箱內部工作出現異常，也就是說填料壓蓋所形成的壓力會不斷將填料緊緊壓于軸套之上，而油液也無法流入填料與軸套之間的縫隙中區。所以這種情況下，填料箱也會出現過熱，進而導致填料與軸套很快被磨損，致使泵功率不斷上升，效率逐漸下降。

另外，在使用離心泵特別是高揚程離心泵時，會發現其外三圈填料被壓得過緊，而靠近填料箱喉部位置的兩圈填料卻未被壓緊，從而導致軸套與填料被快速磨損，進而使得高揚程離心泵填料密封很快失效。從以往對中等揚程以及高揚程離心泵填料密封失效現場的分析來看，應將圓柱形填料腔改為錐形填料腔，這樣既可有效延長填料密封的使用壽命，還可以起到修舊利廢、節省運行管理費的作用。

2 機械密封

近些年，雖然機械密封已經在石油、冶金、化工及造紙等物料運輸領域得到廣泛應用，但最新數據表明，導致生產流程中斷的原因中有70%是密封失效，致使設備的預期使用壽命無法得到保障。因此，如何提高機械密封的使用壽命以及可靠性，成為了當前人們所關注的重點。

2.1 機械密封分類及其結構

2.1.1 平衡型與非平衡型機械密封

通常，平衡型機械密封端面會隨著其所受作用力的升高而升高，其斜率多小于1，而非平衡型機械密封的升高斜率則大于1。也可以將其理解為：密封腔內動環的有效水力作用面積同密封摩擦副端面面積比值大于1的為非平衡型機械密封，而小于1的則為平衡型機械密封。非平衡型機械密封（圖1）在外界介質壓力過大的情況下，端面會受力較大，導致密封面磨損過快，所以在選擇離心泵機械密封時，不宜將其應用于高壓情況下，一般0.5～0.7 MPa即可。而平衡型機械密封（圖2）能夠有效降低端面上的磨損，所以其承載能力本身相對較大，可以應用到高壓場合。

圖1 非平衡型機械密封

圖2 平衡型機械密封

2.1.2 外流式與內流式機械密封

一般來講，介質在密封上所呈現出的泄漏方向若與離心力相反，則被稱作內流式機械密封；若與離心力方向一致，則被稱作外流式機械密封。通常，外流式機械密封泄漏量較大。

2.1.3 旋轉式與靜止式機械密封

離心泵運行過程中，彈簧會隨著軸一起旋轉的密封被稱作旋轉式機械密封，不會隨著軸一起旋轉的則被稱作靜止式機械密封。一般前者在高速轉動下，受離心力作用，內部彈性元件會不斷發生變形，導致其泄漏不斷增大，致使磨損加速，所以比較適用于線速度低于30 m/s的情況；而后者不會受離心力影響，所以可應用于高速場合。

此外，機械密封還分為內裝式與外裝式密封、單彈簧型與多彈簧型機械密封、波紋管型機械密封與串聯型機械密封等。

2.2 機械密封的選用

2.2.1 根據輸入介質選擇

對于沒有腐蝕性或者是腐蝕性相對較弱的介質來講，可以選擇使用內裝式機械密封；而對于腐蝕性相對較強的介質，由于其內部彈性元件中彈簧無法輕易更換，所以壓力較低的情況下可以選用外裝式機械密封。對于那些易結晶且存在固體顆粒以及高黏度的介質，最好選擇使用單彈簧結構；而對于那些易燃以及易爆且有毒的介質，則最好選擇雙重機械密封。

2.2.2 根據密封壓力選擇

在選擇機械密封時，密封壓力是非常重要的一項參數。通常，當密封壓力＜0.7 MPa時，可選擇平衡型及非平衡型機械密封；但當密封壓力在0.7～12 MPa時，則應使用平衡型機械密封。當密封壓力＞12 MPa時，應選擇使用串聯型機械密封。

3 結語

本文主要結合填料密封以及機械密封的原理，并在此基礎上對離心泵密封方式的選擇進行了簡單介紹，為日后進一步研究與分析離心泵的密封方式提供了一定的理論支持。

［1］尹夏冰，謝涵，趙榮.淺談離心泵機械密封常見故障及控制措施［J］.機電信息，2011（18）

［2］崔要欣，劉瑞全.泵用機械密封的選型及應用［J］.通用機械，2006（10）