日期：2018-12-11
密封的基本要素
機(jī)械密封是利用兩個(gè)平面互相摩擦運(yùn)行的原理，達(dá)到密封的目的。旋轉(zhuǎn)密封面安裝于液泵的主軸上，而固定密封面安裝于密封壓蓋內(nèi)。由于一個(gè)密封面是運(yùn)動(dòng)的，而另一個(gè)密封面是靜止不動(dòng)的，因此將這類(lèi)密封稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)密封。
基礎(chǔ)的機(jī)械密封如圖1所示，其中有4個(gè)泄漏通路需要密封：
1. 密封面之間的通路;
2. 旋轉(zhuǎn)面與主軸之間的通路;
3. 固定面與壓蓋之間的通路;
4. 壓蓋與填料盒之間的通路。
后兩種泄漏通路一般采用靜態(tài)密封，因?yàn)閮刹糠种g不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這部分的密封通常都稱(chēng)之為三次密封，其密封材料為墊片或與工藝流程液體相適應(yīng)的O型密封圈。
在較老的密封設(shè)計(jì)中，位于旋轉(zhuǎn)面下的二次密封留有一定的間隙，可在主軸上前后運(yùn)動(dòng)，因此易于引起磨損和過(guò)早失效。然而在較新的密封設(shè)計(jì)中，二次密封處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此可避免在主軸上出現(xiàn)磨損腐蝕問(wèn)題。
在液泵的正常操作中，旋轉(zhuǎn)面和靜止面之間因填料盒中的液體所產(chǎn)生的壓力而使其保持在密封狀態(tài)，在起動(dòng)和停機(jī)時(shí)，填料盒的壓力由彈簧產(chǎn)生的壓力維持(甚至可以由彈簧的壓力來(lái)代替)。
大部分機(jī)械密封的設(shè)計(jì)采用較軟的材料來(lái)制作旋轉(zhuǎn)面，使其在較硬的靜止面上旋轉(zhuǎn)摩擦。多年來(lái)，最通用的組合是利用碳材料作為旋轉(zhuǎn)面，使其在陶瓷靜止面上運(yùn)行。這類(lèi)材料目前仍在普遍使用，但靜止面則選用不銹鋼或更硬的材料制作，例如碳化鎢或碳化硅。
不管采用什么材料，總之在接觸面之間必須保持一層液體薄膜，以起到潤(rùn)滑的作用。然而，在填料盒內(nèi)，采用彈簧負(fù)載和液體壓力相結(jié)合的方式，可以使密封面之間起到很好的密封作用。但密封壓力太高，則會(huì)影響接觸面之間形成液體薄膜，導(dǎo)致熱量增加和過(guò)早的磨損。如果密封壓力太低，接觸面之間的間隙增大，容易造成液體泄漏。
密封制造廠正在不斷地努力提高接觸面的平直度，他們采用特殊的拋光板進(jìn)行研磨。然后，采用單色光源的光柵板對(duì)其檢測(cè)。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)這些密封接觸面必須小心處理，并嚴(yán)格按照安裝說(shuō)明，保證密封面得到適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)和正確就位，這一點(diǎn)是非常重要的。
密封的靈活性選擇
主軸的軸向和徑向運(yùn)動(dòng)需要與彈簧之間保持一定的靈活性，以保證接觸面之間的密封。然而，只能提供一定程度的靈活性。液泵的機(jī)械狀況及其長(zhǎng)度直徑比(一種主軸的直徑與其延伸長(zhǎng)度之比的衡量方式，比值越低越好)對(duì)密封的可靠性起著重要的作用。密封的靈活性一般由一個(gè)大型主彈簧和一系列小彈簧或波紋密封裝置提供保證。
化學(xué)工業(yè)所采用的傳統(tǒng)密封設(shè)計(jì)，其密封壓力施加于旋轉(zhuǎn)面上，這種密封稱(chēng)之為旋轉(zhuǎn)密封，因?yàn)閺椈苫虿y密封裝置與主軸一起旋轉(zhuǎn)。比較新穎的設(shè)計(jì)，其彈簧或波紋密封裝置安裝于靜止面上。在現(xiàn)在的機(jī)械密封上，上述兩種密封方式都有非常普遍的應(yīng)用，這樣對(duì)于安裝具有一定的靈活性。
早期設(shè)計(jì)的許多機(jī)械密封采用單一的大型彈簧圍繞主軸排列，在液泵起動(dòng)過(guò)程中，可為密封面提供很強(qiáng)的密封力。密封的作用依靠主軸的旋轉(zhuǎn)來(lái)繃緊彈簧卷。
后期設(shè)計(jì)的密封(見(jiàn)圖2)采用一系列較小的彈簧，排列于主軸的周?chē)?，可?duì)密封面產(chǎn)生比較均勻的負(fù)荷壓力。由于較小的彈簧可以事先安裝，因此大部分這類(lèi)密封完全與所泵的液體相隔離。
對(duì)許多腐蝕性較強(qiáng)的應(yīng)用領(lǐng)域，最通用的設(shè)計(jì)是采用金屬波紋管密封裝置。該波紋管由一系列的金屬圓盤(pán)焊接而成，形成一個(gè)防止?jié)B漏的波紋密封裝置(見(jiàn)圖3)。采用這一裝置可使密封面之間的密封壓力更加均勻，而且在密封面上不需要增加二次密封，這樣自然就不會(huì)產(chǎn)生任何腐蝕磨損現(xiàn)象。
一般來(lái)說(shuō)，雖然其主要的密封壓力依賴(lài)于填料盒本身的壓力，但彈簧和波紋管可補(bǔ)償液泵在起動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中因主軸運(yùn)動(dòng)的壓力不足，使密封面始終保持一定的密封壓力。
腐蝕磨損問(wèn)題
由于多種原因，例如包括軸承的公差、軸端余隙、振動(dòng)和主軸偏差，都會(huì)使液泵的主軸產(chǎn)生徑向和軸向運(yùn)動(dòng)。此外，由于將接觸面之間保持絕對(duì)平行是十分困難的，因此機(jī)械密封本身的內(nèi)部產(chǎn)生移動(dòng)也是很正常的。這類(lèi)移動(dòng)往往是由于設(shè)備和安裝公差、熱膨脹、管路應(yīng)力或主軸調(diào)試不當(dāng)所造成。
為了使密封面之間始終保持互相配合，彈簧起到了機(jī)械密封與運(yùn)動(dòng)主軸之間的恒定調(diào)節(jié)作用。當(dāng)旋轉(zhuǎn)面和主軸之間采用人造橡膠密封時(shí)，該彈性體就會(huì)在主軸上來(lái)回運(yùn)動(dòng)。這種重復(fù)摩擦動(dòng)作，會(huì)磨蝕主軸上的防腐材料，失去主軸的氧化膜保護(hù)層，最終會(huì)在主軸的摩擦面上形成磨損溝槽，造成液體從溝槽中泄漏，并增加必要的維修工作量或甚至更換主軸。為了解決這一問(wèn)題，一般在填料盒內(nèi)安裝一個(gè)可更換的軸套。
然而，解決腐蝕磨損問(wèn)題的唯一永久辦法是去除其內(nèi)部的動(dòng)態(tài)密封?，F(xiàn)在，大部分主要密封制造廠生產(chǎn)非腐蝕磨損型密封，以防止液泵零件的腐蝕磨損。
平衡和非平衡式密封
機(jī)械密封的平衡對(duì)接觸面的密封壓力有很大影響。這一密封壓力取決于密封本身的有效截面以及填料盒內(nèi)的壓力。
非平衡型密封的旋轉(zhuǎn)面相反一側(cè)的截面完全暴露于填料盒的壓力范圍之下，這種情況會(huì)使密封面之間產(chǎn)生很高的密封壓力，從而會(huì)使工作溫度提高，加快磨損速度。在高溫工作條件下或液體具有較大腐蝕性和磨擦性的情況下，會(huì)大大降低機(jī)械密封的使用壽命。
對(duì)機(jī)械密封加以平衡，可降低密封壓力，延長(zhǎng)密封的使用壽命。一般采用帶有臺(tái)階的主軸和軸套，降低旋轉(zhuǎn)面的有效截面，就可達(dá)到上述目的。不過(guò)千萬(wàn)別將凈密封壓力調(diào)節(jié)到接近零的水平，因?yàn)檫@樣做的結(jié)果可能會(huì)造成密封面之間的工作狀況不穩(wěn)定，并可能會(huì)因突然的變故而將密封吹開(kāi)。
解決這些密封問(wèn)題的答案也許是采用非平衡式密封，對(duì)于某些服務(wù)來(lái)說(shuō)，也許采用非平衡式密封能達(dá)到更好的效果。例如，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，與密封的使用壽命相比，也許更強(qiáng)調(diào)對(duì)液體泄漏造成的安全性問(wèn)題。在這種情況下，對(duì)密封的選用也許可理解為更希望選擇具有較高的密封壓力。同樣，在選用較冷液體的密封時(shí)，操作溫度的增加也許是微不足道的。
不管出于何種考慮，當(dāng)填料盒的壓力超過(guò)50psi時(shí)，一般推薦使用平衡式密封。
內(nèi)密封和外密封
最通常的做法是將密封安裝在填料盒的內(nèi)部。但這種做法要求在密封維修時(shí)將液泵的濕端拆卸下來(lái)，其主要好處是密封的環(huán)境衛(wèi)生易于控制。
外密封的安裝方式是將靜態(tài)密封面的方向顛倒過(guò)來(lái)，主軸上的旋轉(zhuǎn)單元位于填料盒壓蓋的外面。外密封主要具有以下五大好處：
1. 安裝容易;
2. 費(fèi)用相對(duì)較低;
3. 可以連續(xù)監(jiān)控和清潔;
4. 適于無(wú)法在內(nèi)部安裝密封的很小填料盒;
5. 由于其位置接近軸承，對(duì)主軸偏差的困難影響較少。
其主要缺點(diǎn)是離心力會(huì)將固體顆粒從密封的下面甩向密封的接觸面上。因此，這類(lèi)密封主要適用于清潔且不含有磨料的液體。
近年來(lái)，分離式密封已成為外密封中的另一重要附加特性。分離式密封是一個(gè)成套總成，安裝于填料盒與軸承套之間，采用這種設(shè)計(jì)，在密封需要更換時(shí)，不需要每次都拆卸液泵。這類(lèi)密封結(jié)合探討其他設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)正在逐步開(kāi)發(fā)之中。由于這種設(shè)計(jì)易于更換密封，因此應(yīng)抵制僅僅只更換密封件的這種誘惑，而對(duì)出現(xiàn)故障的根源不做進(jìn)一步的調(diào)查，這一點(diǎn)非常重要。
彈筒式密封
圖4自身帶有全部功能的彈筒式密封裝置，采用這種密封可簡(jiǎn)化安裝程序，同時(shí)可保護(hù)內(nèi)部各個(gè)元件，免受意外損壞。
彈筒式密封是一種集全部功能于一身的密封裝置，其內(nèi)部包括所有的密封元件、壓蓋和軸套(見(jiàn)圖4)。由于這類(lèi)密封不需要任何嚴(yán)格的安裝措施，安裝程序大大簡(jiǎn)化，同時(shí)密封面和密封彈性體都得到很好的保護(hù)，可防止意外的損壞。這些優(yōu)點(diǎn)也意味著可縮減密封的維修和更換時(shí)間。
各種彈筒式密封幾乎都可以在市場(chǎng)上購(gòu)得，因此可以減少使用中出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)因素，而且還可以節(jié)約使用普通密封件所固有的維修時(shí)間。
雙重密封和液體阻隔裝置
采用雙重密封面的密封來(lái)代替單一的密封件具有更高程度的防漏特性。這類(lèi)雙重密封大都應(yīng)用于揮發(fā)性強(qiáng)、有毒、易致癌、危險(xiǎn)和潤(rùn)滑性很差的液體。
雙重密封一般有三種設(shè)計(jì)型式，每種型式都要求在雙重密封面之間使用一種液體阻隔系統(tǒng)，以防止液體或氣體外泄。比較常用的低成本雙重密封是一種以背靠背方式安裝的密封，其旋轉(zhuǎn)密封面以相反的方向排列。它往往需要一種阻隔液體，其壓力應(yīng)高于填料盒壓力，大約為20psi，這樣就可保證內(nèi)部的密封始終能得到阻隔液體的潤(rùn)滑，而且也可保證密封面達(dá)到一定的密封壓力。
圖5 這類(lèi)密封的旋轉(zhuǎn)面采用面對(duì)面方式進(jìn)行安裝，并采用高壓或低壓阻隔液體系統(tǒng)。
在結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的面對(duì)面型式密封中，旋轉(zhuǎn)密封面之間是以面對(duì)面方式排列的(見(jiàn)圖5)，它們往往在同一靜止密封面的相反方向上動(dòng)作。這類(lèi)密封既可采用高壓阻隔液體系統(tǒng)，也可采用低壓阻隔液體系統(tǒng)。
第三種設(shè)計(jì)型式的密封采用串行式排列方式，即兩個(gè)旋轉(zhuǎn)密封面都離開(kāi)葉輪，朝著同一個(gè)方向排列。這種密封的阻隔液體壓力一般低于液泵的壓力。實(shí)際上相當(dāng)于兩個(gè)密封、兩級(jí)降壓的聯(lián)合工作裝置。
所有各類(lèi)型雙重密封裝置都需要阻隔液體系統(tǒng)。它們一般屬于外部的閉環(huán)系統(tǒng)，其內(nèi)部所使用的液體一般是不同的，但必須與工藝流程中的液體相匹配。該系統(tǒng)包括一個(gè)儲(chǔ)液槽，其位置應(yīng)盡量靠近密封。
這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變化范圍很大。有的系統(tǒng)在密封中采用一種泵環(huán)，而其它一些系統(tǒng)則采用熱虹吸效應(yīng)原理。儲(chǔ)液槽中的液體往往采用輔助加熱或輔助冷卻的方法。此外，還可以增加一個(gè)報(bào)警裝置，提醒工作人員及時(shí)更換液體。
根據(jù)被密封液體的性質(zhì)，阻隔液體系統(tǒng)可采用低于或高于填料盒壓力進(jìn)行工作。
為了使整個(gè)驅(qū)動(dòng)操作過(guò)程中達(dá)到零泄漏的目標(biāo)，密封行業(yè)還開(kāi)發(fā)了氣體阻隔密封，這類(lèi)密封采用氮?dú)獾纫活?lèi)的惰性氣體來(lái)代替液體阻隔系統(tǒng)。在采用氣體阻隔的雙重密封中，如果其密封面的內(nèi)部出現(xiàn)故障，所泄漏的只是惰性氣體，而其內(nèi)部的液體不會(huì)滲漏，從而不會(huì)造成環(huán)境污染。
不管是采用液體還是氣體，阻隔系統(tǒng)必須適合于特定的密封使用，并且一旦密封面內(nèi)部出現(xiàn)任何故障的時(shí)候，應(yīng)能立即識(shí)別報(bào)警，以便能及時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧?
環(huán)境控制
在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，凡是安裝密封的地方，需要考慮到密封的可靠操作和控制環(huán)境，因此必須注意以下幾點(diǎn)：
1. 密封應(yīng)安裝于高強(qiáng)度主軸上，并保持最小偏差。盡管工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)密封面規(guī)定的最大偏差為0.002in，但對(duì)主軸的要求甚至可以更高一些。
2. 應(yīng)將密封安裝于大口徑密封室內(nèi)，這樣可提高密封的可靠性。這類(lèi)產(chǎn)品各液泵制造廠幾乎都能提供。
3. 控制填料盒的內(nèi)壓，以避免達(dá)到閃點(diǎn)。
4. 將填料盒內(nèi)的溫度保持在密封材料的工作參數(shù)范圍之內(nèi)。
5. 保持填料盒內(nèi)液體的清潔
