流程泵的双端面机械密封

双端面机械密封在化工流程泵中的应用

作者:王辉 文章来源:PROCESS《流程工业》 发布时间:2019-12-16
本文介绍了机械密封的基本结构及工作原理,从几种典型的应用工况阐述了机械密封在化工行业的重要性,并简单分析了机械密封失效原因。

机械密封是流体机械和动力机械中不可缺少的零部件。它对整台机器设备、整套装置甚至整个工厂的安全生产影响都很大,对保证设备可靠运转和装置连续生产具有重大的意义。近年来,机械密封技术飞速发展,由于机械密封有着工作可靠、泄漏量少、使用寿命长和适用范围广等优点,故在工业中获得了广泛的应用。尤其适用于强腐蚀、有毒、易燃、易爆、易挥发及含固体颗粒等使用工况苛刻和对泄漏量有严格要求的场合。依据其工作原理,可将其定义为是一种依靠弹性元件对静、动环端面密封副的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧而达到密封的轴向端面密封装置,其基本结构如图1所示。

图1 双端面机械密封基本结构
图1 双端面机械密封基本结构

机械密封的原理与类型

由2对端面摩擦副组成的机械密封为双端面机械密封,2个端面摩擦副之间可充满阻封流体或缓冲流体。当中间阻封流体压力大于被密封流体压力和大气压力时,双端面密封被用作阻封密封;当中间缓冲流体压力低于被密封流体压力但高于大气压力时,双端面密封用作串联密封。通常机械密封存在4个可能泄漏点(如图1中A、B、C、D所示),点A位于机封与轴(套)之间的辅助密封圈,轴(套)转动过程可能会发生窜动,导致密封圈磨损失效;点B位于两摩擦副端面之间,此处主要靠密封腔介质压力与弹性元件压力,将动环紧贴合于静环,两端面之间靠介质自身或外界冲洗液形成一层薄液膜,一方面起到密封作用,另一方面起到两端面之间的润滑作用;C点位于机封与泵盖之间的辅助密封圈处,属于静密封点;D点位于大气端机封压盖辅助密封圈处,也属于静密封点。机械密封的种类很多,但其主要部件及泄漏点都相同。
根据密封端面的排列方式,双端面机械密封可分为背对背、面对面和面对背3种结构。

(1)背对背结构是指在双端面密封中,2个补偿组件安装在2对密封环之间,被密封介质位于内侧密封的内径处,隔离流体或缓冲流体位于内侧密封和外侧密封的外径处。

(2)面对面结构是指2个非补偿密封环均安装在2个补偿组件之间。

(3)面对背结构又称串联式结构,指2个补偿组件之间装有1个非补偿环,同时1个补偿组件装在2对密封环之间,泵送流体位于内侧密封的外径,隔离流体或缓冲流体位于内侧密封的内径和外侧密封的外径。

典型工况的注意事项

酸泵用机械密封

化工行业中生产的强腐蚀性酸多为硫酸、盐酸、硝酸以及有机酸等,输送该类介质的泵的密封件腐蚀速率比其它泵大得多,尤其在密封面上的腐蚀速率通常为无摩擦作用的表面腐蚀速率的10~50倍。因此,酸泵用机械密封时主要考虑密封材料的选取,要求密封面材料既耐蚀又耐磨,辅助密封圈材料要有较好的弹性、耐腐蚀性及耐高温性能。当采用外装式密封时,应加强冷却,防止温度升高,常用酸泵用机械密封材料的选取可参考表1。

表1  常用酸泵机械密封材质参考表
表1  常用酸泵机械密封材质参考表

碱泵用机械密封

碱泵是用来输送碱性介质的,该类介质易随温度变化而有溶质析出的现象,在密封端面产生结晶、固形物,造成强烈磨损或阻塞。该类泵用机封要求摩擦副耐磨,靠近介质端摩擦副采用硬对硬材料组合,如硬质合金对硬质合金、陶瓷对陶瓷;加强保温,防止介质降温结晶;加强冲洗,防止结晶颗粒粘在密封端面上,介质颗粒若沉积在动环处,会导致动环失去浮动;弹性元件采用大弹簧式,以防止结晶物卡顿弹簧;冲洗液选择压力高于密封腔的阻封液,阻止颗粒进入密封端面。

高黏度介质的密封

黏度表示液体的润滑性质,具有较高黏度的液体往往具有较好的润滑性。密封高黏度介质时,必须注意高黏度介质黏性的阻尼作用。高黏度介质在密封端面间产生黏滞,使碳石墨密封环容易发生前后颠簸,影响动环的浮动性,同时也易造成弹簧的阻塞。通常碳石墨环使用的黏度界限是3MPa•s以下,当超过此值,必须用金属材料做密封环,一般采用硬质合金对硬质合金。对于0.7~1.6Pa•s的高黏度介质,要求密封有可靠的驱动设计(例如重载荷承压装置)来补偿在黏稠环境下密封端面上增加的剪切力。高黏度环境导致两密封端面间无液膜,必须采用外冲洗以保证密封端面间液膜的形成。

易汽化介质用机械密封

在石油化工及炼油厂中,许多泵的工作温度接近介质的沸点,这些泵的机械密封有可能在液相、汽相或气液混合相状态下工作。该类介质的常压沸点均低于一般泵的周围环境,易使密封端面间液膜汽化,造成摩擦副干摩擦,故必须注意勿使该类密封干运转或不稳定工作。为此,应在结构、辅助措施和工作条件控制等方面采取有力措施,如要求采用摩擦系数低,导热性好的摩擦副材料,建议采用碳化钨对石墨或碳化硅对石墨;加强密封腔冷却,尤其是密封端面要有充分冷却,通常需使密封间液体的温度比相应压力下的液体温度低14℃。

易凝固介质用机械密封

在输送尿素、熔融硫磺等易凝固介质时,介质凝固温度高而又不容易冷却,当介质温度降低时会使介质凝固,影响动环转动甚至导致密封面磨损。对于该类机封,建议采用有压密封,注意加热或加强保温使介质温度高于凝固温度,可采用蒸汽背冷(温度>150℃)和硬对硬摩擦副材料等措施,且摩擦副及辅助密封件需要耐高温,有时也可以考虑采用静止型金属波纹管密封。

机械密封失效原因分析

腐蚀失效

化工生产过程中的工艺介质具有较强的腐蚀性,机械密封材质选择不当就会发生腐蚀失效。

磨损失效

输送介质中含有大量固体颗粒或由于介质因温度变化而产生结晶物堆积在密封端面,在动环的高速旋转下,密封端面发生严重磨损,引发机封失效。

机封辅助系统选取不当引发的失效

双端面机械密封在使用过程中需要外界辅助系统提供其所需冲洗液(阻封液、缓冲液),若现场冲洗液源断开,无法及时提供所需冲洗液,可能导致机封温度上升,两端面间液膜无法形成,造成机封干运转。此外,若冲洗液不清洁,同样也会造成摩擦副端面产生固体颗粒的堆积及弹性元件的卡顿。

机械密封的安装有误引发的失效

机械密封的安装有比较严格的要求,如压缩量的要求,动静环端面与轴线垂直度的要求,各静密封点密封要求等,故安装过程中如果不能保证其要求,就会引发一系列故障。

总结

综上所述,机械密封已成为石化行业必不可少的通用设备,为保证其安全可靠地运行,在使用过程中应综合考虑其自身结构及使用环境的影响。只有弄清其使用工作条件和介质性质的不同等各项因素,做出合理的选型及维护工作,才能提高机械密封的使用寿命,保证其安全、稳定、可靠地运行。

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