机械密封应用技术

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　　作为旋转设备中不可缺少的密封装置, 机械密封因其工作可靠、泄漏量小、使用寿命长、功率消耗少等特点, 在泵、压缩机、反应釜、 搅拌器、转盘塔、离心机和过滤机等工艺设备上得到了广泛应用。据统计, 为阻止动力输入轴与壳体间介质的泄漏 , 国外化工流程中95 %左右的旋转设备采用了机械密封。目前先进的机械密封应用技术主要有表面改形技术、组合密封技术和可控机械密封技术。

　　1、表面改形技术
　　表面改形技术就是通过在密封端面上开出各种形式的槽来改善端面间的润滑状况 , 从而实现机械密封的长寿命运行。按开槽的深度分为开深槽和开浅槽两大类。

　　在普通机械密封端面上开设深度达毫米数量级( 通常为 1 ～ 2mm)的各种形式槽可形成端面深槽机械密封 。根据密封原理不同 , 端面开深槽机械密封可分为流体静压型机械密封和热流体动压型机械密封。

　　端面开深槽流体静压型机械密封是在密封端面上开出几组深度达几毫米的凹槽或孔和压力介质引入孔, 将密封流体或外界润滑流体引入密封端面, 实现对密封端面的充分润滑和冷却。由于压力介质的引入, 使得两端面分开成为非接触型机械密封, 尽管泄漏量比大, 达到每小时几百毫升, 远大于常规机械密封的泄漏率, 但仍广泛应用于高压、高速、高温等普通机械密封难于胜任的工况。流体静压机械密封技术已成功地应用于液化石油气注射泵上。

　　端面开深槽热流体动力楔机械密封是在密封环上开出深度为1 ～2mm 的周向沟槽 , 在力变形和热变形的作用下, 密封面上产生周向波度和径向锥度, 称之为热流体动力楔, 波度的波幅为微数量级。由于密封面流动边界的波动 , 在动环的牵引下, 沿周向的粘性流动交替经历收敛区和发散区。在收敛区内, 流体膜产生很高的流体动压力, 这样由热变形和力变形形成的周向波度就能产生一个静的附加开启力;在发散区 , 可能会产生负压。由于流体所能承受的负压有一定极限, 超过此极限 , 溶于液体中的空气将游离出来, 产生空化现象。另外, 由热变形和力变形形成的径向锥度在流体静压效应作用下, 将产生附加的流体静压承载能力, 使得开启力增大。开启力与闭合力互相平衡, 使得密封副两端面分开成为非接触型机械密封。与端面开深槽流体静压型机械密封相比, 热流体动力楔机械密封最明显的特点是泄漏量小。由于其密封机理复杂, 涉及到力变形、热变形及其流固耦合诸多问题, 因此研究进展缓慢, 其设计和应用大多数依赖经验和实验。近年来, 国内部分学者已进行一些富有成效的实验研究和理论分析 , 但尚无此类机械密封的规模设计和生产能力 。

　　端面开浅槽机械密封是在密封端面上开出微米级槽 , 依靠密封端面间有相对运动及其槽的台阶效应和输送效应 , 产生流体动压力 , 来平衡闭合力 , 实现密封端面的非接触 。端面开浅槽机械密封可用于气相或液相介质 。

　　干气密封和上游泵送密封都属于端面开浅槽机械密封 。干气密封[ 23] 即“干运转气体密封”( Dry Run -ning Gas Seals)是将开槽密封技术用于气体介质的密封。当端面外侧开设有流体动压槽 ( 2.5～10μ m)的动环旋转时 , 流体动压槽把外径侧 (称之为上游侧)的高压隔离气体泵入密封端面之间 ,由外径至槽径处气膜压力逐渐增加,而自槽径至内径处气膜压力逐渐下降,在摩擦副之间形成很薄的一层气膜 (1～3μ m)从而使密封工作在非接触状态下。所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道 ,实现了密封介质的零泄漏或零逸出。这种密封运行无磨损,功耗小;泄漏量小,结构相对简单,无需复杂的封油系统,安装维护费用低;系统可靠,可实现长周期稳定运行。在国外, 这一技术已经获得了广泛应用 。

　　上游泵送密封的工作原理和结构与干气密封类似。不同之处在于, 上游泵送密封的端面流体动压槽是把由高压侧泄漏至低压侧的被密封液体重新反输至高压侧, 以消除密封介质由高压侧向低压侧的泄漏 。对内装式上游泵送机械密封, 动环外径侧( 规定为上游侧或高压侧)进高压密封流体 , 而内径侧 ( 规定为下游侧或低压侧)进低压流体。当动环正确旋转时, 在螺旋槽粘性流体动压效应的作用下, 动静环端面之间产生一层流体膜, 使动静环端面保持分离即非接触状态。端面螺旋槽流体动压效应所产生的粘性剪切流的方向由下游侧指向上游侧, 用以平衡由上游侧指向下游侧的压差流。

　　上游泵送概念是20 世纪80 年代中期提出来的,进入90 年代后, 对上游泵送机械密封的研究逐渐增多。由于研究开发工作起步较晚 , 对其性能特征还缺乏全面的认识。

　　2、组合密封技术
　　随着现代工业的飞速发展,对密封的要求越来越高,单一的一种密封有时难以满足苛刻的工况条件。将几种密封组合起来,利用其各自优势,使其充分发挥作用,已成为密封行业目前广泛应用的技术。

　　组合式机械密封的型式很多, 但不外乎是非接触式密封与接触式密封混合组合或接触式密封与接触式密封组合两大类。在高参数或条件苛刻的情况下,采用机械密封与浮环密封、螺旋密封或迷宫密封形成组合密封工作 。在组合密封中, 机械密封主要起防漏作用, 而其他型式的密封起节流阻滞作用。

　　在中低压工艺气体透平压缩机上, 用机械密封与浮环密封的组合密封替代传统的浮环密封是当今重要的技术发展。据统计, 20 世纪70 年代以来, 从国外引进的大型石化装置中, 机械-浮环组合密封越来越多 , 涉及化肥、炼油、乙烯、化工等领域。机械-干气组合密封主要用于中、高压条件下 , 第一级密封为机械密封, 密封介质为液体, 第二级密封为干气密封, 密封介质为第一级密封泄漏的微量介质和外部引入的惰性气体。其特点是机械密封作为主密封对工艺介质进行密封,对工艺介质进行密封 , 干气密封作为辅助密封。

　　3、可控机械密封技术
　　机械密封在实现高参数设计制造与运行之后,人们开始了泄漏率和磨损同时控制的研究。泄漏率和磨损是表征机械密封性能的两个方面。泄漏率高,密封端面间液膜厚,工作时端面磨损小,机械密封使用寿命长;泄漏率低,密封端面间液膜较薄,工作时端面磨损大, 机械密封使用寿命短。因而寻找机械密封最佳工况点成了机械密封实现性能控制的关键。

　　Rechird F C , Wilim A and Pid L K 发明的可控机械密封装置, 利用压电晶体在不同电压下产生不同的变形控制端面密封比压的大小 , 从而控制泄漏率,保证机械密封的使用寿命 。美日等国将声发射、超声波以及微电子和传感等技术用于核反应堆冷凝泵及航空航天领域液氧泵, 开发出机械密封监控系统 。国内石油大学将自行研制的机械密封相态监控系统用在工业装置。随着计算机、电子技术以及密封理论发展, 可控机械密封技术将会在各工业领域中得到广泛应用。



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