API682密封标准浅析

残雪

API682密封标准浅析
% D1 Y9 M3 H5 S' ?9 \( f" b　　1 概述
　　随着环境保护和人类健康要求的提高，对泵的泄漏要求也不断提高。由于机械密封泄漏量很小，因此广泛应用于化工、石化行业。 API 682离心泵、转子泵用轴封系统(Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps)是美国石油协会1994年10月发布的石油、化工类泵用机械密封的最新标准。
近年来密封技术发展很快。集装式机械密封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。API 682标准充分反映了密封技术的这种发展，使用户得益于这些发展。
API682不但能被符合API610的离心泵或符合API676的转子泵所引用，而且也能被其它转动设备所引用。
1 ~' E; L: C' K- a- h6 d5 \  X; u　　2 API682的章节及编制目的
　　API 682标准包含以下章节：
- u: {1 B2 M5 f, r! Q　　1. 总则(General)；
　　2. 密封设计(Seal Design)；
　　3. 材料(Materials)；
　　4. 辅助设备(Accessories)；
' [9 R# d( ?( [　　5. 仪表(Instruments)；
　　6. 检验、测试和装运前的准备(Inspection, test, and preparation for shipment)；
　　7. 制造厂数据(Manufacturers data)。
  f! f( z, y- K6 c+ P9 L, A- [API682标准对离心泵和转子泵用的机械密封提出了最低限度要求。其适用范围为：温度－40～　260℃；压力0～34.5bar，轴径30～120mm。
　　制定API 682标准的目的是：
　　（1） 在满足环保机构对泄漏量规定的条件下，要求机械密封连续运转周期最少3年；
　　（2） 精简密封种类，提供一套选择方案最少的密封选型程序，以保证选用密封的可靠，并降低库存及维修费用。
为了达到这个目的，必须选用合适的密封型式和配置，合适的密封系统和材料，并遵循严格的试验规范。
　　3 API 682的密封型式和配置
+ Z8 Z5 t7 T+ U# p　　（1） 所有的标准型机械密封均应为集装式设计(Cartridge Design)；
/ C& }, F  W" r这里需要特别指出的是：钩式轴套型集装式结构，API682不看作是集装式密封，集装式密封应是无需挪动电机就能装拆的那种。
　　（2） 标准型机械密封型式(Types of seal)
　　标准型的机械密封型式仅为滑动式多弹簧密封(a pusher seal, with a rotating flexible element, multiple springs and O_ring secondary seals)、旋转型波纹管密封(a rotating bellows seal)和高温静止型波纹管密封(a stationary bellows seal for high temperatures)三种。
　　① Type A，滑动式多弹簧密封
; U; ~6 P- B$ a　　其配对密封面为烧结碳化硅对优质浸渍石墨，O型圈为氟橡胶(当运行温度或化学相容性不允许使用氟橡胶时，应用FFKM合成橡胶)，弹簧为哈氏合金C，其余部件(如轴套、压盖、限位器等)为316不锈钢。压盖内需设置一个优质石墨制成的节流衬环。
　　② Type B，低温旋转型波纹管密封
1 n6 h) C! Q! W0 x# Q　　其配对密封面为烧结碳化硅对优质浸渍石墨，O型圈为氟橡胶((当运行温度或化学相容性不允许使用氟橡胶时，应用FFKM合成橡胶)，波纹管为哈氏合金C，其余部件(如轴套、压盖等)为316不锈钢。压盖内需设置一个优质石墨制成的节流衬环。
　　③ Type C，高温静止型波纹管密封
　　其配对密封面为烧结碳化硅对优质浸渍石墨，O型圈为柔性石墨，波纹管为Inconel 718(一种高等级的 Ni－Cr 合金)，其余部件(如轴套、压盖等)为316不锈钢。压盖内需设置一个优质石墨制成的节流衬环和一个青铜制成的防结焦档圈。
3 k: C0 y5 K# |% S7 _' h: H　　对含颗粒介质的密封，配对密封面均需用硬材料，动环应是抗粘合的碳化硅，静环应是镍粘合剂的碳化钨。
　　（3） 密封配置(Sealing arrangement)
　　密封配置有三种：配置1， 单端面密封(arrangement 1, single seal)；配置2， 无压双重密封(arrangement 2, dual unpressurized seal)；配置3， 有压双重密封(arrangement 3, dual pressurized seal)。
　　无压双重密封相当于原来的串联密封(tandem seal)，有压双重密封相当于原来的双端面机械密封(double seal)。
　　4 影响密封性能和寿命的几何公差和配合要求
　　影响密封性能和寿命的几何公差和配合要求如下：
7 x! q! K6 P% j2 e; {% L　　（1） 密封压盖和密封室应准确对中。
/ s; h, K& c$ [) U" ]　　为使密封压盖正确对中，压盖与密封室内外止口的同心度应≤125μm。密封室内表面由于腐蚀或磨蚀，或密封室外凸缘由于长期使用而损坏，都会使压盖的对中不佳，导致密封面的磨损加剧，间隙加大，产生泄漏。
" I$ B$ i  O8 W  t& @4 K; G　　（2） 轴和轴套的间隙配合采用G7/h6。
" l3 }5 t  O3 R　　轴套和轴的间隙配合采用G7/h6，以便于转拆，同时达到要求的径向跳动控制量(runout control)。如果使用紧定螺钉，通常的安装方式会使密封轴套略微不对中，使密封面磨损，产生泄漏。
( i, u9 w+ @0 Z1 A* P1 w8 m, T　　注：G7/h6配合，依据直径的不同，其名义间隙为25～75μm。
　　（3） 密封室的端面跳动量(face runout )每20mm密封腔孔径不应超过10μm。
如果超出此限，将由密封端面来承受轴每次转动带来的过量的跳动。2900r/min下，每天轴转动420万转，也将有420万次过量跳动，这将损坏轴和驱动机构，同时造成密封面磨损，产生泄漏。
% u, a# c+ U1 V: v6 Z0 ]　　5 密封腔压力和温度
% f. M7 q$ d- \" g: Z　　（1） 密封腔压力随设备的不同而变化。
　　大多数端吸式离心泵的密封腔压力是泵的进口压力加小部分压差(出口压力减进口压力)；立式泵的密封腔压力常等于泵出口压力；而多级泵，有时其密封腔压力等于进口压力，有时是某一中间级出口压力，有时是泵的出口压力。
( y: E! g( ^+ S) V! I7 w　　所有这些都说明在确定密封腔压力时，除进口、出口压力外，还需要知道其它许多东西。泵厂最了解密封腔压力数据，能很容易地提供额定操作条件下的有关数据。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一个压力表。
　　（2） API682、API610均要求采用喉部节流衬套。
; W6 ^- C1 W  y2 R" d　　一个合适的喉部节流衬套能有助于将泵腔和密封腔进一步隔开，这有利于密封腔环境的相对稳定。同样这能有助于提高密封腔压力，使密封压力与汽化压力之间有一个较大的余量。
　　（3） 液化气的密封腔压力
　　密封端面由于摩擦产生的热量很容易使接近汽化压力的液化气变成气体，使端面间的温度快速升高。如果闭合力/打开力<1，则端面就会打开；随着压力的泄放，端面又会弹回，造成端面磨损加剧，泄漏加大。 液体压力与汽化压力愈接近，密封端面间的液体愈容易汽化。 但是提高密封腔压力，会使密封产生的热量上升，导致密封腔温度升高。因此API682中，对单端面密封、无压双重密封推荐采用冷却液体的方法，而不是采取过分增大密封腔压力与汽化压力差值的方法。
　　6 API 610中有关机械密封的内容介绍
在API 610(第八版)标准中指明，除另有规定外，应当装设机械密封，且应当按API 682装设机械密封。如果机械密封不遵循API682，那么应符合API610的2.7.3.1～2.7.3.23(这些条款大多取自API682)。其要点是：
　　（1） 机械密封应为集装式密封，钩式轴套型的集装式结构不看作是集装式密封。
6 }( \: @* i8 n+ ]& D1 Y　　（2） 采用API682的密封箱尺寸。
API610(第七版)的密封箱尺寸设计取自原填料密封，其径向尺寸小，如密封室内径与密封旋转件外径的间隙有时仅为1.3mm，其腔内的液体量少，密封传热差。因此密封面之间的温度就高，导致密封在一些临界使用状况工作不稳定。API682对密封箱尺寸作了详细的规定，其径向尺寸加大了，密封室内径与密封旋转件外径的间隙最小为3mm，传热效果好。
　　（3） 采用API682的双重密封概念。
0 F: ^- D4 L7 ]& }- a! G4 S　　（4） 采用浮动小间隙喉部节流衬套。
7 机械密封的选择
# m# x; K/ w. }7 E; J. l5 e- ~　　API682附录B介绍了推荐的密封选用程序。首先选择密封型式，然后选择密封配置，最后，选择管路冲洗方案和隔离/缓冲液。
! b" ^" @0 [' Y4 _3 R& m' u3 B　　对于超出选型指导范围的极端工况，允许采用其它型式的机械密封及其系统。这些密封与系统应该有一个选型数据表，并且通常是根据实际工况定制而成。
　　对泵送温度下，汽化压力高于常压的液化气体，API682在决定密封腔压力时留有较大余量。为保证正常的操作和寿命，密封腔压力与液化气最大汽化压力的差值应不小于3.5Bar或不小于最大汽化压力的10％。
/ k  Y6 B8 b: O# U  V　　API682也推荐采用冲洗方案plan 23(用于单端面密封、无压双重密封，通过一泵送环，使液体循环，并经冷却器冷却后返回密封腔)以维持更佳的密封环境。当然这会增加一些初始投资，但能改善润滑和延长密封寿命。
; P. a* w4 ~0 Y+ x( r　　隔离/缓冲液的选择也是API682标准的一个组成部分。API682根据泵送介质的 温度、压力等级、沸点等，推荐了一些隔离/缓冲液品种。实践证明合成油是双重密封很好的一种隔离/缓冲液。
　　夹带气体的烃类隔离/缓冲液应引起特别注意。这不但使液体的润滑作用减弱，而且使流向外密封的流量减少，甚至造成工作不稳定。
% O, m$ D, T. m: W　　在高温环境下，密封端面处易产生结焦。结焦会引起密封卡住，也会使密封面磨损或损坏。在密封内外直径处均应采用蒸汽急冷，并设置一防结焦挡板以阻止结焦。
　　8 辅助设备设计
, r. {! a& k" U, P　　改善密封环境必须同时注意密封设计和辅助设备设计。API682对储液箱、旋风分离器、管线、仪表的设计、制造、使用均提出了许多要求。
　　（1） 储液箱
; A+ v( D" |" S4 p3 o' n1 R& x　　API 682规定储液箱的最小储液量为20升。对冲洗方案Plan 52(使用一个能放气的外部储液箱，向无压双重密封装置提供缓冲液)和冲洗方案Plan 53(使用一个有压的外部储液箱，向有压双重密封装置提供隔离液)而言，加大储液箱容积有助于降低液体温度，并有助于延长液体保存时间。
) x& `; I1 ~( }- n4 y: z　　对大的储液箱应采用外部支架来承受储液箱重量。此外为符合当地压力容器设计规范，有时需对储液箱设计作一些必要的修改。
# m& U4 R6 y7 h% v+ T9 y7 ^　　（2） 旋风分离器
　　在冲洗方案Plan31中，循环液从泵吐出口经过孔板(在必要时)到旋风分离器，分离器将清洁液送入单端面密封或无压双重密封的密封腔，固体物送回到泵的吸入管。
6 z+ i# T7 L) s2 J" F! e　　旋风分离器在最佳的压力和流量下，能将粒径大于2.5μm的固体颗粒分离90％。实际应用时，旋风分离器一般用于分离粒度大于9μm的场合。使用旋风分离器应注意颗粒的密度和尺寸，如果超出分离器允许的范围，颗粒将进入密封腔并损坏石墨环(组对密封面为石墨对碳化硅)。此外还应注意管线和压差控制，这样才能获得满意的分离效果。
$ d5 \+ B: S4 ~如果做不到上述几点，那最好选用硬对硬密封面，以免旋风分离器的不恰当操作影响密封寿命。
　　

$ l8 D8 V+ P2 P0 ?, V9 试验
9 W! O/ \- P/ e' G　　严格试验能保证密封质量，API682对密封试验提出了很高的要求，试验是机械密封连续运转周期至少为3年的可靠保证。试验分两种：认定试验和出厂试验。其项目和内容见表1。
表1 机械密封的认定试验和出厂试验
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试验项目        内容
型式度验（认定试验）        新密封需对50、100mm两个尺寸的每一种密封型式（Type A，B，C）的第一种密封配置（Arrangement　1，2，3）在适当的试验台上进行认证试验。指定的5种试验液体为水，丙烷，20%的NaOH溶液，热和冷的矿物油。包括一系列的动力（Dynamic），静态（Static），交变（Cyclic）试验。每一尺寸的密封至少需进行100小时的试验。认定试验不规定试验通过或失败的要求。如果试验后其磨损量很小且仍能维持试验前的泄漏量指标，即为通过。
　　每一种状况下的试验结论应按标准规定记录。
密封出厂试验（Individual Seal Testing）        零部件总成
（Component Integrity）        水压试验
) m8 t' X! N% n! m& o　　对密封箱，盖板，储液箱，换热器进行水压试验，试验压力为额定最大压力的1.5倍。
        密封总成
! V/ E' N1 V/ `9 u. b- t（Seal Integrity）        气密性试验
# o' _5 ?+ z! N/ \　　对单端面密封，双重密封的第一个密封腔需进行奢力为0.172MpaG(25psi)的气密性试验,并达到5分钏内压力下降小于13.8kPaG(2psi)标准。
        初始设备制造厂（OEM）        泵性能试验
: m  X3 u: U9 o$ T　采用API682认定的机械密封，意味着可靠保证的密封及其管路系统。当然这将提高密封的初始投资，但能减少停车时间，因此能多生产出产品并降低维修费用，这无疑将大大超出初始投资增加的费用。
: {) c2 Q7 w2 {/ P& H/ [) W& O) |0 ?$ p　　10 机械密封数据表
* l- U, F0 G- J2 T  a　　如其它API标准一样，API682提供机械密封数据表。该表由用户、泵厂和密封厂三方共同填写，以便非常清晰地掌握密封工况及其结构、性能参数。
+ ^( R" ~, q3 ?$ h6 }　　数据表的优点是便于三方了解、掌握密封使用条件及其结构、材料、性能等特点，保证了密封及其系统的正确选用。缺点是有大量的数据需要填写，一些并不常用，这可能会引起误用。
但无论是否采用API682推荐的数据表，主要的一些密封数据，三方应该明确，以保证选用到合适的密封及其系统。
% q! u; ]1 t$ o1 J& v- T. c　　11 小结
　　采用API682认定的机械密封，将大大提高机械密封的可靠性。如果用户能正确地安装、操作和维护，一台配API682认定机械密封的API泵能连续运转3年以上。
  C9 A4 G* A) Q　　如果用户、泵厂、密封厂三方都能恰当地行使其作用，并保持相互联系，那么连续运转周期还能延长。

951963987

果然比较长见识，感谢并大力支持楼主

yecao88

楼主,有API682的资料吗?能否上传?

zhongch2006

看了你的资料,很长见识

mfcmonitor

提醒一下：API682标准的机械密封价格是非682机械密封的10倍以上；
如果要求682的3类，中国无法生产。