正确选择机械密封是防止液泵泄漏关键

guohua_2008

100多年来，人们采用填料一类的多种密封材料，使液体从液泵壳体沿着主轴的向外泄漏量不断减少。尽管现代工艺流程中采用的液泵，仍然广泛地沿用最古老的密封设计——填料盒，因为其起步费用低，而且又为工厂的工作人员所熟悉。
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    然而，由于环境问题的关系，采用填料密封的方法已逐渐不能被人们所接受，特别是针对现代工艺流程中比较普遍的、腐蚀性较强的液体而言。因此，在实际应用中，以机械密封代替填料密封的情况越来越多。

    密封的基本要素
    机械密封是利用两个平面互相摩擦运行的原理，达到密封的目的。旋转密封面安装于液泵的主轴上，而固定密封面安装于密封压盖内。由于一个密封面是运动的，而另一个密封面是静止不动的，因此将这类密封称之为动态密封。
( ]2 Z' f. I/ [' ]0 U    后两种泄漏通路一般采用静态密封，因为两部分之间不存在相对运动。这部分的密封通常都称之为三次密封，其密封材料为垫片或与工艺流程液体相适应的O型密封圈。

    在较老的密封设计中，位于旋转面下的二次密封留有一定的间隙，可在主轴上前后运动，因此易于引起磨损和过早失效。然而在较新的密封设计中，二次密封处于静止状态，因此可避免在主轴上出现磨损腐蚀问题。

5 v. @( w3 m8 x8 G# C: k9 u; c    在液泵的正常操作中，旋转面和静止面之间因填料盒中的液体所产生的压力而使其保持在密封状态，在起动和停机时，填料盒的压力由弹簧产生的压力维持（甚至可以由弹簧的压力来代替）。
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  Y6 L# A, V# S' y2 t    大部分机械密封的设计采用较软的材料来制作旋转面，使其在较硬的静止面上旋转摩擦。多年来，最通用的组合是利用碳材料作为旋转面，使其在陶瓷静止面上运行。这类材料目前仍在普遍使用，但静止面则选用不锈钢或更硬的材料制作，例如碳化钨或碳化硅。
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) ~$ ]' N9 ^2 G    不管采用什么材料，总之在接触面之间必须保持一层液体薄膜，以起到润滑的作用。然而，在填料盒内，采用弹簧负载和液体压力相结合的方式，可以使密封面之间起到很好的密封作用。但密封压力太高，则会影响接触面之间形成液体薄膜，导致热量增加和过早的磨损。如果密封压力太低，接触面之间的间隙增大，容易造成液体泄漏。

    密封制造厂正在不断地努力提高接触面的平直度，他们采用特殊的抛光板进行研磨。然后，采用单色光源的光栅板对其检测。从这一观点出发，对这些密封接触面必须小心处理，并严格按照安装说明，保证密封面得到适当的保护和正确就位，这一点是非常重要的。
    密封的灵活性选择

; u! z/ R7 c! n9 ^9 y# P    主轴的轴向和径向运动需要与弹簧之间保持一定的灵活性，以保证接触面之间的密封。然而，只能提供一定程度的灵活性。液泵的机械状况及其长度直径比（一种主轴的直径与其延伸长度之比的衡量方式，比值越低越好）对密封的可靠性起着重要的作用。密封的灵活性一般由一个大型主弹簧和一系列小弹簧或波纹密封装置提供保证。
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7 y0 s7 e0 E* ?1 _8 v    化学工业所采用的传统密封设计，其密封压力施加于旋转面上，这种密封称之为旋转密封，因为弹簧或波纹密封装置与主轴一起旋转。比较新颖的设计，其弹簧或波纹密封装置安装于静止面上。在现在的机械密封上，上述两种密封方式都有非常普遍的应用，这样对于安装具有一定的灵活性。
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3 n0 ?8 o6 L, B% j2 e5 B    早期设计的许多机械密封采用单一的大型弹簧围绕主轴排列，在液泵起动过程中，可为密封面提供很强的密封力。密封的作用依靠主轴的旋转来绷紧弹簧卷。
    对许多腐蚀性较强的应用领域，最通用的设计是采用金属波纹管密封装置。该波纹管由一系列的金属圆盘焊接而成，形成一个防止渗漏的波纹密封装置（见图3）。采用这一装置可使密封面之间的密封压力更加均匀，而且在密封面上不需要增加二次密封，这样自然就不会产生任何腐蚀磨损现象。

) O3 U; K8 ]3 N2 y1 j; S    一般来说，虽然其主要的密封压力依赖于填料盒本身的压力，但弹簧和波纹管可补偿液泵在起动和停机过程中因主轴运动的压力不足，使密封面始终保持一定的密封压力。

0 J$ _; ~9 \" a+ `/ R3 G0 c8 X    腐蚀磨损问题
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    由于多种原因，例如包括轴承的公差、轴端余隙、振动和主轴偏差，都会使液泵的主轴产生径向和轴向运动。此外，由于将接触面之间保持绝对平行是十分困难的，因此机械密封本身的内部产生移动也是很正常的。这类移动往往是由于设备和安装公差、热膨胀、管路应力或主轴调试不当所造成。

- w0 j2 t0 v3 N    为了使密封面之间始终保持互相配合，弹簧起到了机械密封与运动主轴之间的恒定调节作用。当旋转面和主轴之间采用人造橡胶密封时，该弹性体就会在主轴上来回运动。这种重复摩擦动作，会磨蚀主轴上的防腐材料，失去主轴的氧化膜保护层，最终会在主轴的摩擦面上形成磨损沟槽，造成液体从沟槽中泄漏，并增加必要的维修工作量或甚至更换主轴。为了解决这一问题，一般在填料盒内安装一个可更换的轴套。
' {6 h# x" y9 n. Y+ n& K9 B9 v5 Z  x0 B. l    然而，解决腐蚀磨损问题的唯一永久办法是去除其内部的动态密封。现在，大部分主要密封制造厂生产非腐蚀磨损型密封，以防止液泵零件的腐蚀磨损。
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    平衡和非平衡式密封
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    机械密封的平衡对接触面的密封压力有很大影响。这一密封压力取决于密封本身的有效截面以及填料盒内的压力。

' s) d1 q1 d  n& K    非平衡型密封的旋转面相反一侧的截面完全暴露于填料盒的压力范围之下，这种情况会使密封面之间产生很高的密封压力，从而会使工作温度提高，加快磨损速度。在高温工作条件下或液体具有较大腐蚀性和磨擦性的情况下，会大大降低机械密封的使用寿命。
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    对机械密封加以平衡，可降低密封压力，延长密封的使用寿命。一般采用带有台阶的主轴和轴套，降低旋转面的有效截面，就可达到上述目的。不过千万别将净密封压力调节到接近零的水平，因为这样做的结果可能会造成密封面之间的工作状况不稳定，并可能会因突然的变故而将密封吹开。

    解决这些密封问题的答案也许是采用非平衡式密封，对于某些服务来说，也许采用非平衡式密封能达到更好的效果。例如，在某些应用领域，与密封的使用寿命相比，也许更强调对液体泄漏造成的安全性问题。在这种情况下，对密封的选用也许可理解为更希望选择具有较高的密封压力。同样，在选用较冷液体的密封时，操作温度的增加也许是微不足道的。
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    不管出于何种考虑，当填料盒的压力超过50psi时，一般推荐使用平衡式密封。
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    内密封和外密封

/ p3 n3 S+ X0 ^( c: I    最通常的做法是将密封安装在填料盒的内部。但这种做法要求在密封维修时将液泵的湿端拆卸下来，其主要好处是密封的环境卫生易于控制。

    外密封的安装方式是将静态密封面的方向颠倒过来，主轴上的旋转单元位于填料盒压盖的外面。外密封主要具有以下五大好处：

    1. 安装容易；
8 S1 k7 S4 Z: Y    2. 费用相对较低；
" u; _, ?* n& @2 w, X4 y4 K: R! {! e+ i    3. 可以连续监控和清洁；
    4. 适于无法在内部安装密封的很小填料盒；
    5. 由于其位置接近轴承，对主轴偏差的困难影响较少。
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    其主要缺点是离心力会将固体颗粒从密封的下面甩向密封的接触面上。因此，这类密封主要适用于清洁且不含有磨料的液体。
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    近年来，分离式密封已成为外密封中的另一重要附加特性。分离式密封是一个成套总成，安装于填料盒与轴承套之间，采用这种设计，在密封需要更换时，不需要每次都拆卸液泵。这类密封结合探讨其他设计标准正在逐步开发之中。由于这种设计易于更换密封，因此应抵制仅仅只更换密封件的这种诱惑，而对出现故障的根源不做进一步的调查，这一点非常重要。
6 t6 g$ Z/ n4 E4 F    弹筒式密封是一种集全部功能于一身的密封装置，其内部包括所有的密封元件、压盖和轴套（见图4）。由于这类密封不需要任何严格的安装措施，安装程序大大简化，同时密封面和密封弹性体都得到很好的保护，可防止意外的损坏。这些优点也意味着可缩减密封的维修和更换时间。

2 ^# J0 j; b# ~& Q# P! ^& ^3 u: Q    各种弹筒式密封几乎都可以在市场上购得，因此可以减少使用中出现的风险因素，而且还可以节约使用普通密封件所固有的维修时间。
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    双重密封和液体阻隔装置
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    采用双重密封面的密封来代替单一的密封件具有更高程度的防漏特性。这类双重密封大都应用于挥发性强、有毒、易致癌、危险和润滑性很差的液体。

( p8 c* W7 h  `8 O    双重密封一般有三种设计型式，每种型式都要求在双重密封面之间使用一种液体阻隔系统，以防止液体或气体外泄。比较常用的低成本双重密封是一种以背靠背方式安装的密封，其旋转密封面以相反的方向排列。它往往需要一种阻隔液体，其压力应高于填料盒压力，大约为20psi，这样就可保证内部的密封始终能得到阻隔液体的润滑，而且也可保证密封面达到一定的密封压力。
# S' V2 A9 Z) U) K) V    在结构比较复杂的面对面型式密封中，旋转密封面之间是以面对面方式排列的（见图5），它们往往在同一静止密封面的相反方向上动作。这类密封既可采用高压阻隔液体系统，也可采用低压阻隔液体系统。

/ M; q# Y) u/ ?6 i4 @9 Y    第三种设计型式的密封采用串行式排列方式，即两个旋转密封面都离开叶轮，朝着同一个方向排列。这种密封的阻隔液体压力一般低于液泵的压力。实际上相当于两个密封、两级降压的联合工作装置。

    所有各类型双重密封装置都需要阻隔液体系统。它们一般属于外部的闭环系统，其内部所使用的液体一般是不同的，但必须与工艺流程中的液体相匹配。该系统包括一个储液槽，其位置应尽量靠近密封。

    这些系统的设计变化范围很大。有的系统在密封中采用一种泵环，而其它一些系统则采用热虹吸效应原理。储液槽中的液体往往采用辅助加热或辅助冷却的方法。此外，还可以增加一个报警装置，提醒工作人员及时更换液体。

    根据被密封液体的性质，阻隔液体系统可采用低于或高于填料盒压力进行工作。

    为了使整个驱动操作过程中达到零泄漏的目标，密封行业还开发了气体阻隔密封，这类密封采用氮气等一类的惰性气体来代替液体阻隔系统。在采用气体阻隔的双重密封中，如果其密封面的内部出现故障，所泄漏的只是惰性气体，而其内部的液体不会渗漏，从而不会造成环境污染。

    不管是采用液体还是气体，阻隔系统必须适合于特定的密封使用，并且一旦密封面内部出现任何故障的时候，应能立即识别报警，以便能及时采取适当的措施。
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2 a; o3 k& H: d2 R( }6 ]. T5 q    环境控制
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1 p% s8 F. [& ^+ a" M    在许多应用领域中，凡是安装密封的地方，需要考虑到密封的可靠操作和控制环境，因此必须注意以下几点：
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$ z, [1 F7 m, N    1. 密封应安装于高强度主轴上，并保持最小偏差。尽管工业标准对密封面规定的最大偏差为0.002in，但对主轴的要求甚至可以更高一些。
    2. 应将密封安装于大口径密封室内，这样可提高密封的可靠性。这类产品各液泵制造厂几乎都能提供。
5 i8 \: z" e- G, f# j% h    3. 控制填料盒的内压，以避免达到闪点。
    4. 将填料盒内的温度保持在密封材料的工作参数范围之内。
    5. 保持填料盒内液体的清洁。