旋轉設備的密封選擇

在諸如離心泵和攪拌器等旋轉設備中，流體密封的首要任務是在處理過程中保持輸送的流體介質。除非在真空條件下，否則密封件很難阻止外界雜質的進入，這是由于設備內外的正壓差所致。可以有效勝任這種動密封任務的旋轉密封設備有兩種，即簡易的填料密封（一般包括五個柔韌材料圈）和較復雜的機械密封。另一種常見的用于轉軸的密封裝置為彈性體唇密封件，它可以有效保護軸承，但這種密封件的工作壓力不能超過4巴（4 MPa），唇下溫度不能超過200℃。

盡管填料密封發源于工業革命之前的傳統密封裝置，但過去100年來材料工藝、潤滑劑系統和制造方法上的持續進步，還是使它始終處于OEM維修應用的前沿。

大約20年前，大多數填料都是石棉基材料制成的，后來隨著其使用的急劇減少和機械密封應用的日益增加，傳統的填料密封產品在一段時間內失去了市場。這激發了人們對使用膨脹石墨、石墨線、聚四氟乙烯和新型合成纖維制作低摩擦密封填料的高層次研究。

圖1：維修店里可解決大多數離心泵、往復泵和閥門管式密封的幾卷密封填料

研究目的在于以相當的價格提供比石棉填料具有更好化學兼容性、抗磨損性、溫度特性和使用壽命的填料。幾年后，在英國政府禁止使用白色石棉制品的命令于1999年11月生效的前十年，先進設計的新型填料在性能上已全面超越了石棉制品。

在詳細討論密封選擇的有關內容之前，需要先了解一下填料密封和機械密封的缺陷和優勢。

在對旋轉部件進行密封時，填料密封和機械密封各有自身獨特的優點。機械密封通常使用的是“安裝即忘記（fit-and-forget）”設備，一直用到維修期。而填料密封管在流體滲透率過度時（如超過每幾秒一滴）需要不時的進行調節，重新纏繞和壓緊。

填料密封的調節過程需要受過專門訓練的人員執行：開動設備，繃緊密封管，去掉潤滑液膜。密封壓蓋隨動件的調節不能使滲透率減少到所需水平時，就需要重新填裝密封管。在這一階段，設備可以停機維護之前，運轉時通常會有輕微的過量滲漏。

機械密封的現場安裝過程是一項冗長而復雜的任務，需要清潔的工作環境和精密調節。而且機械密封對失效少有或沒有警示。這會導致嚴重的流體泄露、泵損壞、設備停機和置換或整修成本。定期維護時一般要卸掉整個部件對動環和/或靜環進行置換，還有O形圈或波紋管等橡膠或聚合物組件。整個置換通常需要花費密封裝置原始購價的50%，由于置換過程需要離開現場進行，所以需要重換一個替補密封裝置在短期內保持設備運轉。

相同情況下，填料密封的成本效率要遠高于機械密封。通常認為兩者的經費比例為1:10，雖然每種情況下有很大差別，小直徑軸（如25毫米以下）上的機械密封價格和使用填料密封大致相當。

當軸直徑超過100毫米時，就原始成本而言，填料密封的價值要遠優于機械密封。特別是對于用在發電廠、冶金和采礦業中的高流量泵，填料密封的成本同大型的機械密封相比，幾乎是可以忽略不計的。

運行參數

在工作壓力和線速度上，高級機械密封比填料密封略具優勢。不過高級石墨基填料密封管工作在25巴（25 MPa），或25米/秒條件下有效運轉，特種機械密封可達到這一線速度，并在35巴的工作壓力下運轉，盡管在旋轉密封中通常無此要求。

兩種密封裝置都可處理化學侵蝕性和磨損性的介質，也適用于經美國食物及藥品管理局（FDA）和英國皇家水資源管理認證（WRAS）等機構認可的食品和飲用水。許多聚四氟乙烯和石墨線基填料密封管在pH值0~14之間具有良好的化學兼容性，特制的機械密封組件亦可承受這一范圍內的化學作用。

例如，制作機械密封動環和靜環的材料包括樹脂結合石墨、摻雜聚四氟乙烯化合物以及化學兼容性和抗磨損性最高的陶瓷。密封件主體材料為相應的高性能合金。

在高磨損性的介質和泥漿中使用填料密封時，應使用“犧牲性的”軸套保護轉軸免遭磨損和/或把沖洗液導入填料環系統以阻止磨料接觸主密封環。沖洗液由殼體輸入軸上的套環中，其壓力應比系統壓力高1巴（1 MPa）。沖洗液分布于填料環周圍和下部以阻止磨粒的進入。

還可以使用類似的技術來防止毒性或有害介質的泄露。以高于系統內的壓力，將無害隔離液通過套環導入，形成潤滑液膜以阻止輸送的介質泄露到環境中，但系統必須可以承受由隔離液造成的低度稀釋。必要時，液體冷卻劑也可以通過這種方式導入。

溫度限制

填料密封和機械密封的工作溫度范圍幾乎完全由它們的制作材料決定。機械密封的限制因素在于其中的彈性體和聚合物基部件，如O形圈或波紋管。高性能彈性體的工作溫度一般在150℃~250℃之間，全氟彈性體可以達到315℃，而聚四氟乙烯的安全工作溫度上限為260℃。由聚四氟乙烯纖維和彈性體包芯紗編織成的填料具有相似的工作溫度范圍。

新型的填料由添加了高級潤滑劑的各種合成和天然材料制成（見表3）。純聚四氟乙烯和同時含有石墨纖維和聚四氟乙烯的填料，其工作溫度范圍受聚四氟乙烯材料所限，這兩種類型的填料密封管工作溫度下限可至零下100℃。在這樣的低溫下，機械密封的彈簧需由進口合金制成才能有效工作。

由膨脹石墨絲編織成的填料的綜合性能可能是最好的。其在非氧化環境下工作溫度范圍為零下200℃至850℃（氧化條件下為450℃），此類制品線速度為25 m/s，工作壓力為25巴，化學介質pH值范圍為0~14，不過需要避免使用強氧化劑。

對于一般應用，取代了石棉和天然纖維制品的各類填料具有很高的可靠性和最高的經濟價值。此類填料通常由玻璃纖維和其他合成絲制成，其工作溫度范圍大約在零下40℃至350℃，具有各種軸線速度、工作壓力和化學兼容性，可適應多種用途。

傳統的天然絲制填料（如棉、麻或苧麻）在旋轉應用中以使用壽命長、對轉軸磨損低而聞名，它們在用于礦物油或水類介質的密封時工作溫度大致為100℃，壓力為20巴。（令人驚奇的是，苧麻這種熱帶蕁麻植物制成的絲線具有很高的強度和韌性，用它制成的填料密封管可以在往復式設備的超高壓力下工作：250bar，特定條件下可以達到700bar）。正如所料，天然絲的化學兼容性大大受到其可容pH范圍的限制。

機械密封在離心泵中扮演著重要角色，但大型機
械密封件原始成本和整修成本較高。

不良動力條件

當動力條件比較惡劣時，填料密封的性能要優于機械密封。這里我們指的是由于磨損的轉軸/軸承或支撐不足引起的旋轉偏心。機械密封需要非常精確地安裝（在工廠中采用模塊化設計，在現場采用其它型式），如此，動環和靜環可以很好地匹配，有效工作。偏心或離心力會對密封設備產生相當大的負荷，使之對轉軸起到軸承一樣的作用——一種不能在任何時期都起作用的功能。

特別設計的填料可以吸收離心力。此類填料通常具有耐高溫的彈性體芯，受壓后可以很快恢復，這樣可使編織密封面與快速移動的偏心軸保持緊密接觸。

另外一類可在不良動力條件下非常有效的填料是“注入”類型。纖維/填料（如芳綸纖維、石墨或聚四氟乙烯）和潤滑劑的均勻混和物通過閥門，壓注到傳統填料兩個端環間的密封蓋中。然后以常用的方法調節密封蓋隨動件壓緊填料，形成密封。

由于這類“散裝”材料可以輕易地填滿任何空隙，因此它們可以克服轉軸磨損和不規則形狀的殼體所帶來的密封問題。另外密封套管可以通過加壓注入快速進行重新填充，不必拆掉外蓋，大大節約了維修和設備停機時間。
盡管有這么多優點，注入型填料密封的使用還是呈下降趨勢。因為要確定何時何地使用它們才能取得最好效果比較困難，對于這一點聽取產品制造商的專家技術建議非常重要。

結論：“最佳效益”和“總擁有成本”是現在所有商業、工業和公共服務部門采用的標準。對旋轉設備密封方式和密封產品的選擇也可按此標準進行評估。

選擇密封設備需考慮的基本因素比較簡單，一般包括資金成本、安裝時間、運行成本、使用壽命預期以及整修或置換問題。不過由于流體密封與它們所保護的處理過程相比，成本是相對較低的，因此還應該把其它因素考慮在內，如意外停機、泄露所造成的衛生、安全和環境問題以及流體損失的成本。

在其它因素相同的情況下，如果重點是保持設備運轉直至下一次預定停機，同時允許低水平的介質泄露和稀釋，那么填料密封就是最可靠和最經濟的選擇。同時長型填料還可用于閥門和往復式設備中，這增加了它們的儲存價值。

如果旋轉設備的動力條件良好，不允許有介質泄露或稀釋，那么機械密封就是比較現實的選擇：只需偶合面保持潤滑（大多數機械密封的要求）以及所有遭磨損的部件在工作期內都能得到很好置換即可。