機械密封及其管路系統的選用

表1不同類型泵的密封腔壓力值Pm(供參考)

泵的類型	估算公式
后蓋板帶背葉片、耐磨環	Pm=Ps+0.25(Pd-Ps)，式中，Ps?泵進口壓力，Pd?泵出口壓力，下同。
后蓋板帶平衡孔	Pm=Ps+0.10(Pd-Ps)
帶背葉片和平衡孔	Pm=Ps
后蓋板有耐磨環，無平衡孔	Pm=Ps+1.8bar
開式葉輪，無后蓋板和平衡孔	Pm=Ps+C(Pd-Ps)注：C=0.1(*大葉輪直徑),C=0.3(*小葉輪直徑)
后蓋板無耐磨環，無平衡孔	Pm=Ps（大部分立式泵均如此）
雙吸泵	Pm=Ps
多級泵	根據平衡管、平衡盤和平衡鼓的布置來分析，密封腔壓力有時等于進口壓力，有時是某一中間級出口壓力，有時是泵的出口壓力

(2) 流體溫度T 指密封腔內的流體溫度。
(3) 密封圓周速度V 指密封處軸的周向速度，按下式計算。

V=πnd/60

式中 d?軸徑，m；
n?泵軸轉速，r/min。


三、機械密封型式的確定

1. 推壓型和非推壓型密封

推壓型密封：指輔助密封沿軸或軸套機械推壓來補償密封面磨損的機械密封，通常就是指彈簧壓緊式密封。
非推壓型密封：輔助密封固定在軸上的機械密封，通常為波紋管密封。

推壓型密封和非推壓型密封特點的比較見表2。

表2推壓型密封和非推壓型密封特點的比較

	推壓型密封	非推壓型密封
壓縮單元	單彈簧或多彈簧	金屬波紋管或橡膠波紋管
軸的輔助密封	動態	靜態
商業用尺寸范圍	13～508mm	18～305mm
溫度范圍	-268℃～232℃	-268℃～427℃
壓力范圍	20.69MPa	2.41MPa
特點	尺寸范圍大 高壓 適宜于特殊設計 適宜于采用特殊金屬	零部件少 固有的平衡型結構 靜環磨損后，動環能自由前移 高溫
價格	一般較低	一般較高

2. 平衡型和非平衡型密封

密封腔中的壓力作用在動環上形成了閉合力，端面間的液膜形成開啟力。

載荷系數K>1，密封為非平衡型密封。一般非平衡型只能用于低壓。當壓力大于一定的限度，密封面間的液膜就會被擠出。在喪失液膜潤滑及高負荷的作用下，密封端面會很快損壞。

非平衡型密封不能平衡液體對端面的作用，端面比壓隨流體壓力的上升而上升。

載荷系數K<1，密封為平衡型密封。內裝式密封軸上的臺階使密封端面延徑向內移但不減少密封面的寬度。密封的開啟力不變，但由于動環有較大的面積暴露在液體中，因此，閉合力被平衡了相當一部分。

外裝式密封的平衡方法除作用力方向恰好相反外，其余與內裝式密封相同。在這種情況下，要增加閉合力中的液壓的份額，以抵銷密封端面間液膜的開啟力。

平衡型密封能部分平衡液體對端面的作用，端面比壓隨流體壓力的上升而緩慢上升。

一般非平衡型只能用于低壓，但對潤滑性能差，低沸點，易汽化介質及高速工況，即使在低壓下，也應選用平衡型密封。因為對于非平衡型密封，當密封腔壓力上升時，會將密封端面間的液膜擠出，使密封面很快損壞。

平衡型密封能用于各種壓力場合。API682中規定除無壓雙重密封的外側密封允許采用非平衡型密封外， 其余都應是平衡型密封。

3. 單端面密封、無壓雙重密封和有壓雙重密封

單端面密封：只有一對摩擦副，結構簡單，制造、拆裝容易，一般只需設置沖洗系統，不需要外供封液系統。

有壓雙重密封(原稱為雙端面機械密封)：有兩對摩擦副，結構復雜，需要外供封液系統，密封腔內通入比介質壓力高0.5~1.5bar的隔離液，起封堵、潤滑等作用，隔離液對內側密封起到潤滑作用。

無壓雙重密封(原稱為串聯密封)：有兩對摩擦副，結構復雜，需要外供封液系統，密封腔內的緩沖液不加壓，工藝介質對內側密封起到潤滑作用。

一般情況下，應優先選用單端面密封，因為單端面密封結構簡單，使用方便，價格低。但在以下場合，優先選用雙重機械密封。

(1) 有毒及有危險性介質。
(2) 高濃度的H2S。
(3) 易揮發的低溫介質(如液化石油氣等)。

隨著社會對健康、**和環境保護的愈來愈重視，無壓雙重密封的使用量逐年上升，該種密封可廣泛用于氯乙烯、一氧化碳、輕烴等有毒、易揮發、危險的介質。無壓雙重密封的內側密封(**道密封)是主密封，相當于一個單端面內裝式密封，其潤滑由被密封的介質擔當。密封腔內注滿來至封液罐的液體，未加壓。內側密封一旦失效，導致密封腔的壓力提高，即能由封液罐的壓力表顯示、記錄或報警。同時外側密封就能在維修前起到密封和容納泄漏液體的作用。

對一些有毒、含顆粒介質(或腐蝕性相當厲害的介質)，一般 可考慮以下方法：

(1) 采用合適的環境控制措施，如外沖洗＋帶旋風分離器的管路沖洗系統。
(2) 采用有壓雙重密封。

有壓雙重密封隔離液的壓力高于介質壓力，因而泵送介質不會進入密封腔。內側密封起到阻止隔離液進入泵腔的作用。因此當輸送諸如粘性、磨蝕性及高溫介質時，內側密封由于沒有暴露在介質中，因此可以不用昂貴的合金制作。外側密封僅僅起到不使隔離液漏入大氣的作用。

4. 內裝式和外裝式密封

內裝式密封：指機械密封安裝在密封腔內。
外裝式密封：指機械密封安裝在密封腔外。

由于內裝式密封的受力情況好，比壓隨介質壓力的增加而增加，其泄漏方向與離心力方向相反，因此一般情況均選用內裝式機械密封。

API682中明確標準型的機械密封為內裝式密封。

只有當介質腐蝕性極強時，且又不想考慮用有壓雙重密封時，才考慮選用外裝式機械密封。

5. 旋轉式和靜止式機械密封

旋轉式機械密封指補償環隨軸一起轉動的機械密封。
靜止式機械密封指補償環不隨軸一起轉動的機械密封。

一般情況下均選用旋轉式機械密封，但在軸徑較大，轉速較高(密封圓周速度?25m/s)，由于彈簧及其它旋轉元件產生的離心力較大，動平衡要求高，消耗的攪拌功率也大，應選用靜止式機械密封。

此外如果介質受強烈攪動易結晶時，也推薦采用靜止式機械密封。

6. 單彈簧和多彈簧機械密封

單彈簧機械密封，結構簡單，彈簧可兼起傳動作用，但端面比壓不均勻，不適用于高速運轉。
多彈簧機械密封，結構復雜，彈簧不能兼起傳動作用，但端面比壓均勻，適用于高速運轉。
一般情況下，推薦選用多彈簧機械密封。 如 API682中明確推壓型的標準密封為多彈簧結構。

四、密封管路系統的選擇

單端面機械密封，無壓雙重密封的內側密封的密封管路系統的選擇見表3，節流襯套、輔助密封裝置和雙重密封的管路系統的選擇見表4。

表3單端面機械密封，無壓雙重密封的主密封(內側密封)的管路系統

API方案	說明
Plan 1	從泵的出口引出，至密封的內部循環。只推薦用于清潔液體，必需保證充足的循環量以維持密封面的條件。不推薦用于立式泵。
Plan 2	無沖洗液循環的封死的密封腔。不推薦用于立式泵。
Plan 11	從泵出口引出，經孔板至密封，沖洗密封端面后進入泵腔。 不推薦用于立式泵。
Plan 12	從泵出口引出，經過濾器和孔板至密封，沖洗密封端面后進入泵腔。 不推薦用于立式泵。
Plan 13	從密封腔引出，經過孔板至泵進口。
Plan 21	從泵出口引出，經孔板和冷卻器至密封，沖洗密封端面后進入泵腔。
Plan 22	從泵出口引出，經過濾器、孔板和冷卻器至密封，沖洗密封端面后進入泵腔。
Plan 23	循環液通過一泵送環從密封腔引出，經冷卻器返回密封腔。
Plan 31	從泵出口引出，經旋液分離器，清潔液自上部流出，進入密封腔；含有顆粒的液體從下部流出，返回泵進口。
Plan 32	外供沖洗液注入密封腔，必須注意選用的沖洗液注入后不會引起汽化，也不會污染泵送的介質。
Plan 23	從泵出口引出，經旋液分離器，清潔液自上部流出，經冷卻器進入密封腔；含有顆粒的液體從下部流出，返回泵進口。

表4節流襯套、輔助密封裝置和雙重密封的管路系統

Plan 51	密封腔底部封死，外部的容器提供封液。
Plan 52	通過外部儲液器向無壓雙重密封提供緩沖液。正常運行時，由泵送環維持循環。儲液器通常向一廢氣回收系統連續排放氣體，其壓力低于密封腔內液體的壓力。
Plan 53	通過外部儲液器向有壓雙重密封提供隔離液。正常運行時，由泵送環維持循環。儲液器壓力高于密封腔內液體的壓力。
Plan 51	使用一有壓的外部隔離液儲液器或系統提供清潔的液體，循環通過外部壓力系統或泵來完成。儲液器壓力大于被密封的介質壓力。典型的使用例子是有壓的雙重密封。
Plan 61	密封壓蓋上設螺紋接頭，出廠時堵上，供買方使用。典型的例子是由買方提供輔助密封裝置的液體(如蒸汽、氣體和水等)。 注：對于立式泵，除采用Plan 13外，其它的單端面密封、雙重密封可以設置急冷型的輔助密封裝置。
Plan 62	采用外供液體進行急冷，以防固體在大氣側積聚。典型的用法是配**用一個小間隙的節流襯套。 注：對于立式泵，除采用Plan 13外，其它的單端面密封、雙重密封可以設置急冷型的輔助密封裝置。
圖中的符號說明

五、API 682標準要點介紹

美國石油協會 1994年10月頒布的API 682《離心泵、轉子泵用的軸封系統》(Shaft Sealing Systems forCentrifugal and Rotary Pumps)對離心泵和轉子泵用的機械密封提出了*低限度的要求。其適用范圍為：溫度-40～260℃；壓力0～34.5bar，軸徑30～120mm。編制該標準的目的如下：

(1) 在滿足*機構對泄漏量規定的條件下，要求機械密封連續運轉周期*少3年。
(2) 精簡密封種類，提供一套選擇方案*少的密封選型程序，以保證選用密封的可靠，并降低庫存及維修費用。

API682標準的要點如下：

(1)所有的標準型機械密封均應為集裝式設計。但鉤式軸套型集裝式結構，API682不看作是集裝式密封，集裝式密封應無需挪動電機就能裝拆。
(2) 標準型機械密封型式有三種。

Type A，滑動式多彈簧密封，其配對密封面為燒結碳化硅對上等浸漬石墨，O型圈為氟橡膠(當運行溫度或化學相容性不允許使用氟橡膠時，應用FFKM合成橡膠)，彈簧為哈氏合金C，其余部件(如軸套、壓蓋、限位器等)為316不銹鋼。壓蓋內需設置一個上等石墨制成的節流襯環。
Type B，低溫旋轉型波紋管密封，其配對密封面為燒結碳化硅對上等浸漬石墨，O型圈為氟橡膠((當運行溫度或化學相容性不允許使用氟橡膠時，應用FFKM合成橡膠)，波紋管為哈氏合金C，其余部件(如軸套、壓蓋等)為316不銹鋼。壓蓋內需設置一個上等石墨制成的節流襯環。
Type C，高溫靜止型波紋管密封，其配對密封面為燒結碳化硅對上等浸漬石墨，O型圈為柔性石墨，波紋管為Inconel718(一種高等級的Ni-Cr合金)，其余部件(如軸套、壓蓋等)為316不銹鋼。壓蓋內需設置一個上等石墨制成的節流襯環和一個青銅制成的防結焦檔圈。

(3) 密封配置有三種：配置1， 單端面密封；配置2， 無壓雙重密封；配置3， 有壓雙重密封。
(4) 加大密封腔徑向尺寸。
(5) 對影響密封性能和壽命的尺寸和配合要求如下：

a. 密封壓蓋和密封室應準確對中。
b. 軸和軸套的間隙配**用G7/h6。
注：G7/h6配合，依據直徑的不同，其名義間隙為25~75μm。
c. 密封室的端面跳動量每20mm不應超過10μm。

(6) 采用浮動小間隙喉部節流襯套。
(7) 對液化氣體，密封腔壓力與液化氣*大汽化壓力的差值應不小于3.5Bar或不小于*大汽化壓力的10％。
(8) API 682規定儲液箱的*小儲液量為20升。
(9) 嚴格的試驗

API682對密封試驗提出了很高的要求，試驗分兩種：型式試驗(認定試驗)和出廠試驗。

認定試驗的要求如下： 新密封需對50、100mm兩個尺寸的每一種密封型式(Type A, B,C)的每一種密封配置在適當的試驗臺上進行認證試驗。指定的5種試驗液體為水、丙烷、20％的NaOH溶液、熱和冷的礦物油。包括一系列的動力、靜態、交變試驗。每一尺寸的密封至少需進行100小時的試驗。認定試驗不規定試驗通過或失敗的要求。如果試驗后其磨損量很小且仍能維持試驗前的泄漏量指標，即為通過。

做認定試驗費時費錢，有些廠家的密封按照API682進行設計，但沒有進行過認定試驗。這種密封不能稱為API682密封。嚴格的試驗能保證密封的質量，試驗是機械密封連續運轉周期至少為3年的可靠保證。

六、API 610中有關機械密封的內容介紹

在API 610(第八版)標準中指明，除另有規定外，應當裝設機械密封，且應當按API682裝設機械密封。如果機械密封不遵循API682，那么應符合API610的2.7.3.1~2.7.3.23(這些條款大多取自API682)。其要點是：

(1) 機械密封應為集裝式密封，鉤式軸套型的集裝式結構不看作是集裝式密封。
(2) 采用API682的密封箱尺寸。
API610(第七版)的密封箱尺寸設計取自原填料密封，其徑向尺寸小，如密封室內徑與密封旋轉件外徑的間隙有時僅為1.3mm；因此其腔內的液體量少，密封傳熱差，因此密封面的溫度就高，導致密封在一些臨界使用狀況工作不穩定。API682對密封箱尺寸作了詳細的規定，其徑向尺寸加大了，密封室內徑與密封旋轉件外徑的間隙*小為3mm，傳熱效果好。
(3) 采用API682的雙重密封(dual seal)概念。
(4) 采用浮動小間隙喉部節流襯套。
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