影響泵用機械密封外部條件的研究

摘要：通過對泵用機械密封的實際應用和理論分析，提出了機械密封的實際密封效果不僅與機械密封自身的性能有關，且與其它零部件提供的條件以及密封輔助系統提供的條件有著重要的關系，因此在設計泵機組產品時，要為機械密封的使用提供一個良好的外部條件。

目前機械密封在泵類產品中的應用非常廣泛，而隨著產品技術水平的提高和節約能源的要求，機械密封的應用前景將更加廣泛。機械密封的密封效果將直接影響整機的運行，尤其是在石油化工領域內，因存在易燃、易爆、易揮發、劇毒等介質，機械密封出現泄漏，將嚴重影響生產正常進行，嚴重的還將出現重大安全事故。人們在分析質量故障原因時，往往習慣在機械密封自身方面查找原因，例如：機械密封的選型是否合適，材料選擇是否正確，密封面的比壓是否正確，摩擦副的選擇是否合理等等。而很少在機械密封的外部條件方面去查找原因，例如：泵給機械密封創造的條件是否合適，輔助系統的配置是否合適，而這些方面的原因往往是非常重要的。本文作者從泵用機械密封的外部條件的角度分析了影響密封效果的幾種因素和應采取的合理措施。

1機械密封的原理及要求

機械密封是靠一對相對運動的環的端面A (一個固定，另一個與軸一起旋轉，見圖1) 相互貼合形成的微小軸向間隙起密封作用，這種裝置稱為機械密封。

機械密封通常由動環、靜環、壓緊元件和密封元件組成。其中動環和靜環的端面組成一對摩擦副，動環靠密封室中液體的壓力使其端面壓緊在靜環端面上，并在兩環端面上產生適當的比壓和保持一層極薄的液體膜而達到密封的目的。壓緊元件產生壓力，可使泵在不運轉狀態下，也保持端面貼合，保證密封介質不外漏，并防止雜質進入密封端面。密封元件起密封動環與軸的間隙B、靜環與壓蓋的間隙C的作用，同時對泵的振動、沖擊起緩沖作用。機械密封在實際運行中不是一個孤立的部件，它是與泵的其它零部件一起組合起來運行的，同時通過其基本原理可以看出，機械密封的正常運行是有條件的，例如：泵軸的竄量不能太大，否則摩擦副端面不能形成正常要求的比壓；機械密封處的泵軸不能有太大的撓度，否則端面比壓會不均勻等等。只有滿足類似這樣的外部條件，再加上良好的機械密封自身性能，才能達到理想的密封效果。

2 外部條件影響的原因分析

2.1泵軸的軸向竄量大

機械密封的密封面要有一定的比壓，這樣才能起到密封作用，這就要求機械密封的彈簧要有一定的壓縮量，給密封端面一個推力，旋轉起來使密封面產生密封所要求的比壓。為了保證這一個比壓，機械密封要求泵軸不能有太大的竄量，一般要保證在0.5 mm以內。但在實際設計當中，由于設計的不合理，往往泵軸產生很大的竄量，對機械密封的使用是非常不利的。這種現象往往出現在多級離心泵中，尤其是在泵啟動過程中，竄量比較大。

圖2 為平衡盤方法平衡軸向力的工作原理。平衡盤工作時自動改變平衡盤與平衡環之間的軸向間隙b，從而改變平衡盤前后兩側的壓差，產生一個與軸向力方向相反的作用力來平衡軸向力。由于轉子竄動的慣性作用和瞬態泵工況的波動，運轉的轉子不會靜止在某一軸向平衡位置。平衡盤始終處在左右竄動的狀態。平衡盤在正常工作中的軸向竄量只有0105 ～011 mm，滿足機械密封的允許軸向竄量015 mm的要求，但平衡盤在泵啟動、停機、工況劇變時的軸向竄量可能大大超過機械密封允許的軸向竄量。

泵經過長時間運行后，平衡盤與平衡環摩擦磨損，間隙b隨著增大，機械密封軸向竄量不斷增加。由于軸向力的作用，吸入側的密封面的壓緊力增加，密封面磨損加劇，直至密封面損壞，失去密封作用。吐出側的機械密封，隨著平衡盤的磨損，轉子部件的軸向竄量大于密封要求的軸向竄量，密封面的壓緊力減小，達不到密封要求，最終使泵兩側的機械密封全部失去密封作用。

2.2軸向力偏大

機械密封在使用過程中是不能夠承受軸向力的，若存在軸向力，對機械密封的影響是嚴重的。有時由于泵的軸向力平衡機構設計的不合理及制造、安裝、使用等方面的原因，造成軸向力沒有被平衡掉。機械密封承受一個軸向力，運轉時密封壓蓋溫度將偏高，對于聚丙烯類的介質，在高溫下會被熔融，因此泵啟動后很快就失去密封效果，泵靜止時則密封端面出現間斷的噴漏現象。

2.3泵軸的撓度偏大

機械密封又稱端面密封，是一種旋轉軸向的接觸式動密封，它是在流體介質和彈性元件的作用下，兩個垂直于軸心線的密封端面緊密貼合、相對旋轉，從而達到密封效果，因此要求兩個密封之間要受力均勻。但由于泵產品設計的不合理，泵軸運轉時，在機械密封安裝處產生的撓度較大，使密封面之間的受力不均勻，導致密封效果不好。

2.4沒有輔助沖洗系統或輔助沖洗系統設置不合理

機械密封的輔助沖洗系統是非常重要的，它可以有效地保護密封面，起到冷卻、潤滑、沖走雜物等作用。有時設計員沒有合理地配置輔助沖洗系統，達不到密封效果； 有時雖然設計人員設計了輔助系統，但由于沖洗液中有雜質，沖洗液的流量、壓力不夠，沖洗口位置設計不合理等原因，也同樣達不到密封效果。

2.5振動偏大

機械密封振動偏大，最終導致失去密封效果。但機械密封振動偏大的原因往往不是機械密封本身的原因，泵的其它零部件是產生振動的根源，如泵軸設計不合理、加工的原因、軸承精度不夠、聯軸器的平行度差、徑向力大等原因。

2.6泵汽蝕的原因

由于裝置系統操作不合理以及泵進口汽蝕性能不好、泵的轉速偏高，在泵的入口處發生局部汽蝕，汽蝕發生后，水中會有氣泡，它一方面會沖擊機械密封面的外表面，使其表面出現破損； 另一方面會使動靜環的吻合面的流動膜中也含有氣泡，不能形成穩定的流動膜，造成動靜環的吻合面的干摩擦，使機械密封裝置損壞。

2.7機械加工精度不夠

機械加工精度不夠，原因有很多，有的是機械密封本身的加工精度不夠，這方面的原因容易引起人們的注意，也容易找到。但有時是泵其它部件的加工精度不夠，這方面的原因，不容易引起人們的注意。例如：泵軸、軸套、泵體、密封腔體的加大精度不夠等原因。這些原因的存在對機械密封的密封效果是非常不利的。

3應采取的措施

3.1消除泵軸竄量大的措施

合理地設計軸向力的平衡裝置，消除軸向竄量。為了滿足這一要求，對于多級離心泵，比較理想的設計方案有兩個：一個是平衡盤加軸向止推軸承，由平衡盤平衡軸向力，由軸向止推軸承對泵軸進行軸向限位； 另一個是平衡鼓加軸向止推軸承，由平衡鼓平衡掉大部分軸向力，剩余的軸向力由止推軸承承擔，同時軸向止推軸承對泵軸進行軸向限位。第二種方案的關鍵是合理地設計平衡鼓，使之能夠真正平衡掉大部分軸向力。對于其它單級泵、中開泵等產品，在設計時采取一些措施保證泵軸的竄量在機械密封所要求的范圍之內。

3.2消除軸向力偏大的措施

合理地設計軸向力平衡機構，使之能夠真正充分地平衡掉軸向力，給機械密封創造一個良好的條件。對于一些電廠、石油、化工等領域應用的重要產品，在產品出廠之前，必須做到臺臺試驗檢測和發現問題和解決問題。有些重要的泵可以在轉子上設計一個軸向測力環，對軸向力的大小進行隨時監測，發現問題及時解決。

3.3消除泵軸撓度偏大的措施

這種現象大多存在臥式多級離心泵中，在設計時采取以下措施：

(1) 減少兩端軸承之間的距離。泵葉輪的級數不要太多，在泵總揚程要求較高的情況下，盡量提高每級葉輪的揚程，減少級數。

(2) 增加泵軸的直徑。在設計泵軸直徑的時候，不要簡單地僅考慮傳遞功率的大小，而要考慮機械密封、軸撓度、起動方法和有關慣性負荷、徑向力等因素。很多設計員沒有充分認識到這一點。

(3) 提高泵軸材料的等級。

(4) 泵軸設計完成后，對泵軸的撓度要進行校核檢驗計算。

3.4增加輔助沖洗系統

在條件允許的情況下，盡量設計輔助沖洗系統。沖洗壓力一般要求高于密封腔壓力0107 ～011 MPa，如果輸送介質屬于易汽化的，則應高于汽化壓力01175～012 MPa。密封腔壓力要根據每種泵的結構型式、系統壓力等因素來計算。軸封腔壓力很高時或者壓力幾乎接近該密封使用最高極限時，也可由密封腔引液體至低壓區，使軸封液體流動以帶走摩擦熱。推薦的沖洗量如表1所示。

根據每種泵的操作條件，合理地配置管路和附件。如冷卻器、孔板、過濾器、閥門、流量指示器、壓力表、溫度等。實際上密封的可靠性和壽命，在很大程度上取決于密封輔助系統的配置。

3.5消除泵進口汽蝕的措施

(1) 提高泵的汽蝕性能水平，滿足現場裝置的汽蝕性能的要求。
(2) 現場試驗裝置的要求要與泵汽蝕性能水平匹配。
(3) 現場安裝和工況調節要給泵創造有利的條件。

3.6消除泵振動的措施

(1) 泵產品在設計過程中，要充分分析振動的來源，以消除振動源。
(2) 泵產品的制造裝配過程中，嚴格按標準和操作規程去執行，消除振動源。
(3) 泵、電機、底座、現場管路等輔助設備在現場安裝時，要嚴格把關，消除振動源。
(4) 現場生產、操作、維修、調節時，嚴格把關，消除振動源。

3.7嚴格執行設計標準

泵產品的設計和機械密封產品的設計要執行相關的國內外標準，在產品的設計過程中，設計員應認真執行標準，深刻理解標準每一條內容的具體意義，將標準內容的要求執行到產品設計過程中。到目前為止，有很多設計員還沒有理解標準的實際含義，沒有嚴格地去執行新標準，而是盲目地照搬照套老圖紙和老設計員的經驗。這種作法對提高我國產品技術水平和進入國際市場是非常不利的。提高標準化認識，是目前機械行業設計員迫切需要解決的問題。

4 結束語

在設計泵用機械密封時，不僅要考慮機械密封本身的影響因素，而且要考慮機械密封外部的各種影響因素。在實際工作中要注意以下幾個問題：

(1) 在泵產品的設計過程中要充分考慮到泵其它零部件以及現場其它設備對機械密封的使用效果的影響，為機械密封創造一個良好的外部條件。

(2) 增加對機械密封輔助系統的重要作用的認識，盡可能配備完善的機械密封輔助系統，以提高密封效果。

(3) 對重要泵產品的機械密封，要增加保護措施，提高密封質量，減少密封質量事故。

(4) 分析機械密封的質量事故的原因時，要充分考慮到泵的其它零部件對機械密封運行的影響，采取措施不斷提高機械密封的效果。

參考文獻
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