泵用无泄漏非接触式机械密封技术

２００１年７月炼油设计ＰＥＴＲＯＬＥＵＭＲＥＦＩＮＥＲＹＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ第３１卷第７期量概槭浚蔫ｊｊ泵用无泄漏非接触式机械密封技术李尽亮洛阳石油化工工程公司（河南省洛阳市４７１００３）郝木明石油大学（山东省东营市２５７０６２）搞妻：分析了转子泵用新型非接触式机械密封的工作原理和技术优势．综合介绍丁其最新研究、开发成果．给出了各自的使用条件和应用范围，以促进气体润滑非接触式机槭密封和液体稠滑上游泵送机械密封在国内石油石化工业转子泵上的推广使用。

提出：我国应首先开发上游泵送机械密封技术。

主量调：机械密封端面密封干气泵送泄漏气体润滑非接触式机械密封（简称干气密封）和液体润滑上游泵送非接触式机械密封（简称上游泵送密封），都是基于现代流体动压润滑理论的新型非接触式机械密封。

与普通的接触式机械密封相比，干气密封与上游泵送密封可实现密封介质的零泄漏甚至零逸出，彻底消除对环境的污染，且因端面无直接的固体摩擦磨损而使使用寿命延长、密封可靠性提高和运行维护费用下降，从而使经济效益明显提高。

该技术在国外已被人们所接受并在各种转子泵上推广应用。

自２０世纪８０年代以来，国内有关科研院所就已开展了流体润滑非接触式机械密封的研究工作，但在工业开发应用方面进展缓慢。

本文较为全面地分析了干气密封和上游泵送密封的工作原理和性能特征，综合介绍了国外在工业开发应用方面所取得的最新进展，借以促使国内各科研机构、密封生产厂家和用户能够联合起来，共同研制开发具有自主知识产权的高性能非接触式机械密封技术和产品，推动我国高新机械密封技术的不断进步。

１干气密封１．１工作原理干气密封的工作原理可用图１来说明，当端面外径侧开设流体动压槽的动环按图示方向旋转时，流体动压槽把外径侧（称之为上游侧）的高压隔离气体泵入密封端面之间，由外径至槽径处气膜压力逐渐增加，而自槽径至内径处气膜压力逐渐下降，因端面膜压增加使所形成的开启力大于作用在密封环上的闭合力，使在静止状态下保持接触的两端面分离并处于稳定的非接触状态。

由中性高压隔离气体所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道，实现了密封介质的零泄漏或零逸出。

可见，干气密封属于泵入式非接触密封结构Ｌ“３Ｉ。

隔离气体（ｂ）下游泵送原理图１干气密封的工作原理收稿日期：＇／００１一∞一位。

作者简舟：李尽亮，高级工程师，１９８２年毕业于华东石油学院（现石油大学）化工机械专业，一直从事于石油化工设备设计工作。

第７期李尽亮．泵用无泄漏非接触式机械密封技术一３３一Ｉ．２技术特征干气密封最早于２０世纪７０年代中期由美国的约翰·克兰密封公司研制开发，并首先成功应用于高速透平压缩机上，产生了巨大的经济、社会效益，充分展示了干气密封的技术优势。

密封介质的零逸出消除了对环境的污染和对工艺产品的污染，密封稳定性和可靠性明显提高，对工艺气体无污染，密封辅助系统大大简化等。

以前，通常采用接触式双端面液体密封来实现密封介质的无泄漏（包括零泄漏和零逸出）。

表ｌ对于气密封和接触式双端面液体密封进行了全面的比较，从中可以清楚地看出于气密封的技术优势。

Ｉ．３产品开发及应用随着干气密封在压缩机上成功应用经验的积累，２０世纪９０年代，人们开始尝试把干气密封运用到转子泵上，也取得了预期的效果。

世界一些著名的密封公司集中人才和技术优势，加大科研开发投人，相继开发出具有自主知识产权的泵用系列干气密封技术产品。

表２汇总了各主要密封公司研制的泵用干气密封产品的结构特征、性能、使用范围等。

表Ｉ干气密封与液体密封的对比襄２干气密封产品ＪｄｍＣｒａｎｅｌｌＩ训ｍＩ矗Ｉ（美国）２８∞２踟ＯＭＢ２眦２加０ｄ２踟０唧２８５Ｂ日（德国）≤２．１真空一Ｉ．８《Ｉ．６≤Ｉ．６≤４Ｉ≤２．０—４０—２∞一４０—２∞一４０—２６０—４０—２６０—４０—２６０—２Ｄｌ一３０≤２５毒性舟质《３０轻烃、粘性聚合物等《２５毒性、危险性介质≤２５高含厨体囊粒介质《２５毒性、危险性介质≤２５浪氨、液氮、液氧２鐾器：蒌籍双嚣：想联≤ｚ６—２０一２６０≤２５危险性，污染性介质ＥＧ＆ｃｓｅ划（美国）１０１０誊襄撂端蔷？纛器构≤１．９—４０—２６０≤３０危险性、亍亏染性介质ＨｏｗｓｄｖｅＯ‘ｌ“ｌｉ∞（美国）ＧＦ－２００蔷盏露轰嚣雷：《３．４５一柏～２∞《２５危险性、污染性介质干气密封在转子泵上成功的开发应用，是机械密封技术的又一重大进步。

随着对干气密封技术优势认识的日渐深入全面，干气密封在工业上的应用范围不断拓宽；而随着研究开发工作的不断深入，将会有更多更高性能的千气密封技术产品问世，并在泵用机械密封领域内占有越来越重要的地位。

２上游泵送密封２．Ｉ工作原理上游泵送密封的工作原理与干气密封类似，是借助端面开设的流体动压槽在旋转条件下的牯性剪切作用把液体泵人密封端面之间，使液膜的压力增加并把两密封端面分开；与干气密封不同之处在于，上游泵送密封的端面流体动压槽是把由高压侧泄漏到低压侧的密封液体再反输至高压面管面面面管端纹靖端端纹双波双驭双渡型槽旋螺——３４——炼油设计２００１年第３１卷侧，可以消除密封介质由高压侧向低压侧的泄漏．可见，上游泵送密封属于泵出式非接触密封结构。

（ｂ）上游泵送原理圈２上薪泵送机械密封工作原理图２（ａ）所示为最早开发出的内径开槽式上游泵送机械密封端面结构。

对内装式上游泵送机械密封，动环外径侧（规定为上游侧或高压侧）进高压密封流体，而内径侧（规定为下游侧或低压侧）进低压流体。

当动环以图示方向旋转时．在螺旋槽粘性流体动压效应的作用下，动静环端面之间产生一层如图２（ｂ）所示厚度为ｈｏ的流体膜，使动静环端面保持分离即非接触状态。

在内外径压力差的作用下，高压密封液体产生方向由上游侧指向下游侧的压差流饥，而端面螺旋槽流体动压效应所产生的粘性剪切流。

ｓ的方向由下游侧指向上游侧，即与压差流Ｑ。

的方向相反，上游泵送概念由此而来。

２．２技术特征上游泵送概念是２０世纪８０年代中期才提出来的．进入９０年代对上游泵送机械密封的研究才逐渐增多。

由于上游泵送密封比干气密封的研究开发工作起步更晚，人们对其性能特征还缺乏全面的认识。

理论、试验研究和工业应用均表明Ｅ４０Ｊ，与普通的接触式机械密封相比，上游泵送机械密封具有以下明显的技术优势：①与干气密封一样，可以实现密封介质的无泄漏，消除环境污染；②密封使用寿命大大延长。

在正常工作状态下，由于密封摩擦副处于非接触状态，端面之间不存在直接的固体摩擦磨损，理论使用寿命是无限的；③能耗降低，运行效率相应提高。

工业应用结果表明【６Ｊ，上游泵送密封的能耗不足普通机械密封的１／６（见表３），而且，用于降低端面温升的密封冲洗液量和冷却水量大大减少，相应提高了泵的效率甚至工艺装置的生产效率【７１；④辅助系统相对简单。

与双端面接触式机械密封相比。

上游泵送密封装置无需复杂的封油供给、循环系统及与之相配的调控系统，对带缓冲液的零逸出上游泵送密封，缓冲液的压力远远低于密封介质的压力，且无须循环，消耗量也小，因此，对辅助系统的可靠性要求不高；⑤使用范围拓宽。

与普通接触式机械密封相比，上游泵送密封可以在ＰＶ值高、固体颗粒介质含量高等条件下使用。

表３上游泵送密封与双端面接麓式密封对比嘲２．３产品开发及应用至今，已开发出的上游泵送密封结构如图３所示，有多圆叶台阶面型（ａ）、周向雷列台阶型（ｂ）、直叶型（ｃ）和类螺旋槽型，包括螺旋槽、圆弧槽、直线槽、曲线槽等（ｄ）。

多圆叶台阶面型密封虽然具有较高的动态密封能力，但无停车密封功能；周向雷列台阶型和直叶型密封的密封能力低于类螺旋槽型，且在流体流动效率或摩擦功耗方面，类螺旋槽型最佳，因此，在工程应用中，类螺旋槽型上游泵送密封最为普遍１７Ｊ。

上游泵送密封分零泄漏上游泵送密封和零逸出上游泵送密封【７Ｊ，既可用作输送饱和蒸汽压高于环境大气压的各种介质（如油品、水溶液等）旋转流体机械类轴封、停车密封、备用密封、安全密封、高速轴承润滑油密封，又可用作输送饱和蒸汽压低于环境大气压的各种介质（ｉｎ液态轻烃等）旋转流体机械类轴封，可替代普通的接触式双端面密封。

美国约翰克兰密封公司已成功开发出８０００型上游泵送密封系列产品，并正在工业上推广应用。

第７期李尽亮．泵用无泄漏非接触式机械密封技术３５一（ｃ）（ｄ）圈３上游泵送密封端面结构２０世纪８０年代末，国内先后有石油大学化工机械研究所［３．７“】、天津鼎铭密封有限公司、四川日机密封件有限责任公司［１２，１３Ｊ、四川联合大学［１４］等开展有关的研究开发工作，并取得了具有自主知识产权的研究成果㈦１“。

３适用条件处于以下情况可以优先考虑干气密封用作转子泵轴封：①要求密封介质零逸出、密封介质对摩擦温升敏感；②要求工艺产品高纯度无污染，并且泵易抽空而使密封发生干运转；◎要求密封辅助系统简易可靠、密封运行维护费用低等。

首先应当考虑的是要针对具体的密封介质选择与之相容的阻塞气体，可以是氮气、洁净的仪表气或蒸汽等。

尽管于气密封无需阻塞气体循环系统和冷却系统，但必须保证现场能够提供稳定可靠的气源，也许正是因为这一点，干气密封的使用范围受到了一定的限制。

石油化工等大型企业中转子泵数量多且布置集中，宜于采用干气密封，规模效益也十分突出。

若以一千台泵计算，每年直接经济效益近亿元。

上游泵送密封的适用范围与干气密封大致相近，尽管其节能降耗效果不如于气密封，但使用范围广，既可以在某些不太苛刻的条件下用作零泄漏密封而无须缓冲液辅助系统，又可在对密封介质泄漏需严格控制的条件下用作需有缓冲液系统的零逸出密封，但缓冲液的压力远低于密封介质的压力，从实用性的角度考虑上游泵送密封应有更广阔的使用范围。

济一体化进程的加快以及国际竞争的日益加剧，迫使国内石化工业向无污染、长周期、低能耗和高效益方向发展，客观上对流体机械特别是大量转子泵用机械密封提出了越来越高的要求，如无泄漏、无污染、长寿命（超过三年以上）、低运行维护费用等。

特别是石化工业中工艺流体大多具有易燃、易爆、剧毒和污染严重等特点，普通的接触式机械密封难以满足要求。

干气密封和上游泵送密封借助流体动压润滑理论，实现了摩擦副端面的非接触，从而具有实现密封介质无泄漏、对环境无污染、使用寿命大大延长、运行维护费用显著下降、辅助系统简单可靠等一系列特殊优势，并成功应用于各种工业转子泵上，取得了显著的经济、社会效益。

因此。

各种无泄漏非接触式机械密封将在石化工业中发挥越来越重要的作用，其市场潜力巨大。

５结束语（１）干气密封和上游泵送密封是机械密封技术的重大进步，冲破了传统的密封观念和理论，具有比普通接触式机械密封更为优良的使用性能：无泄漏、无污染、长寿命、低能耗和辅助系统简单等，在石油化工等支柱产业中将有广泛的应用前景。

（２）国内科研开发机构、生产厂家和使用单位应联合起来，共同研制开发并形成具有自主知识产权的高新密封技术、产品并尽快形成规模化生产，以满足石化工业对高性能机械密封产品日益增长的需求。