机械密封及其管路系统的选用要点

机械密封及其管路系统的选用

（原载《化工设备与管道》2003年第2期）

（本文如有错误，以原文为准）

林杰张唏琳阮黎祥陈伟

（中国石化集团上海医药工业设计院）

一、概述

随着环境保护和人类健康要求的提高，对机器的泄漏要求也不断提高。由于机械密封泄漏量很小，密封可靠。因此自1885年，英国产生第一个机械密封以来，机械密封被广泛应用于化工、石化和医药装置中。目前70～80％的工业用泵配备机械密封。

API610《石油、重化学和天然气工业用离心泵》(Centrifugal Pumps for Petroleum, Heavy Chemical, and Gas Industry Services)要求泵的连续运转周期至少为3年。这就要求机械密封的连续运转周期也需达到3年以上。

虽然近年来机械密封技术发展很快，集装式机械密封的不断完善及新材料的不断应用，使密封寿命大大延长，泄漏量也大大减少。但要满足这一条仍相当困难。

据统计，密封引起的故障占全部机器故障的40％以上。造成这一现象的原因，一是作为泵机组中的动密封，其本身所处的工作条件、所起的作用所决定。二是许多国内设计单位以及工程公司(包括用户)认为密封

选用是泵厂和密封厂的事情，往往对机械密封的选用参数、类型、结构和原理以及管路系统了解不深，难以参与机械密封的选用工作，造成密封的选型不当。

本文从选用的角度，介绍机械密封的选型参数、类型、结构、标准和试验，并通过选用举例作进一步的阐述。

二、机械密封选型参数

机械密封的选型参数如下：

1．输送介质的物理化学性质，如腐蚀性、固体颗粒含量和大小、密度、粘度、汽化压力，介质中的气体含量，以及介质是否易结晶等。

2．安装密封的有效空间(D与L)等。

3．工艺参数

(1) 密封腔压力P

密封腔压力指密封腔内的流体压力，该参数是密封选用的主要参数。确定密封腔压力时，除需要知道泵进口和出口压力外，还需了解泵的类型和结构。对新采购的泵，最方便、可靠的办法是向泵制造厂了解密封腔的压力数据；对现场在役设备，确认密封腔压力最简单的办法是在密封腔上装设压力表。

为方便密封选用，表1给出了供参考的密封腔压力值Pm。

表1 不同类型泵的密封腔压力值Pm(供参考)

(2) 流体温度T 指密封腔内的流体温度。

(3) 密封圆周速度V 指密封处轴的周向速度，按下式计算。

V=πnd/60

式中轴径，m；−d

泵轴转速，r/min。−n

三、机械密封型式的确定

1. 推压型和非推压型密封

推压型密封：指辅助密封沿轴或轴套机械推压来补偿密封面磨损的机械密封，通常就是指弹簧压紧式密封，如图1。

非推压型密封：辅助密封固定在轴上的机械密封，通常为波纹管密封，如图2。

图1 推压型机械密封图2 非推压型机械密封

推压型密封和非推压型密封特点的比较见表2。

表2 推压型密封和非推压型密封特点的比较

2. 平衡型和非平衡型密封

(1) 载荷系数K

其计算公式如下：

内装式密封：

外装式密封：

式中密封环带的外径；−d2

密封环带的内径；−d1

密封的平衡直径，见图3，4，5。−db (2) 端面比压Pc

其计算公式如下：

式中弹簧比压；−Ps

反压系数，指密封端面间流体膜平均压力Pm与密封流体压力P的

−λ=0.5。λ比值。对于水，

(3) 平衡型和非平衡型密封

密封腔中的压力作用在动环上形成了闭合力，端面间的液膜形成开启力。

载荷系数K>1，密封为非平衡型密封，如图1。一般非平衡型只能用于低压。当压力大于一定的限度，密封面间的液膜就会被挤出。在丧失液膜润滑及高负荷的作用下，密封端面会很快损坏。

非平衡型密封不能平衡液体对端面的作用，端面比压随流体压力的上升而上升。

载荷系数K<1，密封为平衡型密封，如图3，4。内装式密封轴上的台阶使密封端面延径向内移但不减少密封面的宽度。密封的开启力不变，但由于动环有较大的面积暴露在液体中，因此，闭合力被平衡了相当一部分。

外装式密封的平衡方法除作用力方向恰好相反外，其余与内装式密封相同。在这种情况下，要增加闭合力中的液压的份额，以抵销密封端面间液膜的开启力，如图5。

平衡型密封能部分平衡液体对端面的作用，端面比压随流体压力的上升而缓慢上升。

一般非平衡型只能用于低压，但对润滑性能差，低沸点，易汽化介质及高速工况，即使在低压下，也应选用平衡型密封。因为对于非平衡型密封，当密封腔压力上升时，会将密封端面间的液膜挤出，使密封面很快损坏。

平衡型密封能用于各种压力场合。API682中规定除无压双重密封的外侧密封允许采用非平衡型密封外，其余都应是平衡型密封。

图3 内装式非平衡型机械密封

图4 内装式平衡型机械密封

图5 外装式平衡型机械密封

3. 单端面密封、无压双重密封和有压双重密封

单端面密封：只有一对摩擦副，结构简单，制造、拆装容易，一般只需设置冲洗系统，不需要外供封液系统。如图3，4，5。

有压双重密封(原称为双端面机械密封)：有两对摩擦副，结构复杂，需要外供封液系统，密封腔内通入比介质压力高0.5~1.5bar的隔离液，起封堵、润滑等作用，隔离液对内侧密封起到润滑作用。如图6。

无压双重密封(原称为串联密封)：有两对摩擦副，结构复杂，需要外供封液系统，密封腔内的缓冲液不加压，工艺介质对内侧密封起到润滑作用。如图7。

一般情况下，应优先选用单端面密封，因为单端面密封结构简单，使用方便，价格低。但在以下场合，优先选用双重机械密封。

(1) 有毒及有危险性介质。

(2) 高浓度的H2S。

(3) 易挥发的低温介质(如液化石油气等)。

随着社会对健康、安全和环境保护的愈来愈重视，无压双重密封的使用量逐年上升，该种密封可广泛用于氯乙烯、一氧化碳、轻烃等有毒、易挥发、危险的介质。无压双重密封的内侧密封(第一道密封)是主密封，相当于一个单端面内装式密封，其润滑由被密封的介质担当。密封腔内注满来至封液罐的液体，未加压。内侧密封一旦失效，导致密封腔的压力提高，即能由封液罐的压力表显示、记录或报警。同时外侧密封就能在维修前起到密封和容纳泄漏液体的作用。

对一些有毒、含颗粒介质(或腐蚀性相当厉害的介质)，一般可考虑以下方法：

(1) 采用合适的环境控制措施，如外冲洗＋带旋风分离器的管路冲洗系