机械密封的辅助装置

机械密封要保证可靠运行除需密封结构、选材、加工制造和安装良好等条件之外，还需正确选用辅助装置，才能充分发挥密封效用.

机械密封的辅助装置是指密封液的循环、冷却、过滤和压力源等辅助装置.这些辅助装置用于控制温度、调节压力、过滤杂质和润滑密封面，以改善机械密封的密封性能，从而达到长期可靠运行的目的.

机械密封辅助装置的范围按其所在位置，也可分为外部附加和密封腔内(包括连在密封腔上)两种.

国外引进的机械密封的特点之一，大多数有冲洗冷却以及循环装置，有的应工艺要求还附有杂质过滤和其它辅助装置.对泵用机械密封，则按照API-610规定，凡辅助轴封装置，机械密封和密封压盖上的螺孔等都属于泵的数据表内容.

近年来，辅助装置的作用已逐渐被人们所认识，特别在恶劣条件下工作的机械密封，采用不同的辅助装置，明显地提高了机械密封的使用寿命.例如:冲洗就是延长机械密封寿命的最有效的措施。机械密封采用冲洗，可以控制密封腔内被密封液体的压力和温度，带走热量，防止液膜汽化，改善润滑条件，防止杂质集积和气囊形成.

由表7-1可以看出，胜利炼油厂采用冲洗方法前后的使用寿命比较，冲洗对机械密封寿命延长起着重要的作用，同时也保证了机泵安全运转.

温度控制装置

温度控制是指机械密封周围环境温度控制.

温度控制如同材料选用，设计选定一样，是促成机械密封性能完好的三大重要因素之一.经验证明，机械密封的设计和设备选用都很恰当，但密封仍然失效，究其原因是温度或介质的周围环境不适当所致.所以，填料箱(密封腔)周围的温度是极为重要的因素，

对辅助密封圈和石墨环来说，周围温度对它们的影响更为敏感.如聚四氟乙烯密封圈的使用温度限于一60~250度(日本Eagle公司推荐实用温度)，比拉公司介绍石墨的最高耐热温度为500度，国内介绍为400度，使用时不宜超过上述限度.

由于温度变化会引起下列后果，如:(1)液膜破坏，(2)磨损加快，(3)端面烧灼变形，(4)液体汽化，结晶析出或凝固物产生，(5)化学侵蚀加剧，(6)蜡化，(7)材料损坏或脆化，最后导至严重泄漏.

为此，一般要求密封腔液体温度至少低于其沸点14度 ,避免液体汽化所造成的各种不利因素.

机械密封常用控制温度的措施有:

一、冲洗冷却

所谓冲洗就是将高于填料箱(密封腔)压力的液体引入填料箱.注人的冲洗液流率应足够高，以防止产品液体从泵的叶轮背后进人填料箱。为此，许多填料箱在喉部设置节流装置，关于节流装置详见本章第四节有关节流部分的说明.

冲洗冷却的目的是使密封面的温度维持在适当范围，而在处理易挥发、易析出结晶物质和有毒的介质时，利用冲洗液可冲洗掉泄漏出来的介质

1.冲洗冷却的方法

(1)当输送介质温度在0~80度时，通常由泵出口或高压端将输出的干净介质直接引入密封腔来冲洗冷却密封面.如图7-1所示.

(2)在图7-1基础上，增加静环背部冷却(见图7-2C)，这时冷却条件有所改进，还可收集易挥发和有害的介质.

(3)当输送介质温度在84~200℃时，除采取以上措施外，通常还在密封腔外加一冷却水套，如图7--2中b所示.当介质易汽化结晶时，将冷却水管改为蒸汽管，起到保温作用.

(4)当输送介质温度高于200℃时，除一般循环冷却外，应采取强制冷却措施，即从泵出口引出干净液预先冷却后进人密封腔，或外加辅助设备输人压力相当的常温干净冲洗液于密封腔内.

(5)如介质中含有颖粒或杂质，必须采取过滤措施，把干净的常温冲洗液输人密封腔内.

有关杂质过滤措施详见本章第三节杂质过滤装置.

冲洗液通常用清水，但须用软水，以免在密封腔内形成水垢，如果用别的冲洗液时，应考虑与泄漏液相容问题.

冲洗过程必然伴随冷却，而所谓密封环的冷却，系指对密封环密封面以外的部分进行冷却，如夹套冷却。

除了冷却之外，有时为了防止介质凝固或其它原因，也采用蒸汽加热或电加热，以保持密封腔在一定温度范围内.

常用的冲洗冷却方式的布置图，见APl-610附图D1~D6(附录三).

提高冲洗冷却效率，减少冲洗液量，降低功耗，但不管采用何种措施(如采用节流装置)，规定最小冲洗量是必要的.关于密封尺寸与所需冲洗液流量的关系如图7-3所示。

常用的冲洗量为1~5L/ min(0.946~4.73qt/ min一以美制加仑计算)

关于冲洗液流量的估算如图7-4所示.

冲洗冷却液流量的计算:

除了参照图7-3、图7-4估算冲洗冷却液的流量外，也可按下式计算冲洗冷却液流量：

由上式可见，冲洗冷却液的流量主要取决于密封端面摩擦热的量.

2.加强循环冷却的措施

(1)具有泵效应的循环冷却结构

利用自身转动的密封零件上开设凹槽、小孔等具有泵效应的循环冷却结构如图7-5(a)、(b)、(c)、(d)所示.

图(a)中偏转块1引导旋转冷却液从出口处流出;图(b)中径向泵槽2内的液体在离心力的作用下对密封腔壁产生一定的压力，加速出口处的流速;图(C)中径向泵孔3与泵槽2的作用相似，这些沿圆周均布的孔开设在摩擦面附近，导热效果更佳;图(d)中偏心压力室5的槽深最浅处放在出口部位，从斜凹槽4甩出的液体旋转至出口位置时，该处的通道截面积最小，因此压力最大，加快了液体的循环速度.

必须注意，因这种泵效环产生的压头不高，流量也小，在配备换热器时，过长的循环管线所造成的摩擦损失会超过泵效环排出的压头.所以，换热器要尽可能靠近泵的填料箱.有关杜拉公司泵效环的压头、流量曲线如图7-9所示.

图7-11为布格曼公司H74F型机械密封泵效环(带泵效套)的特性曲线。

二、阻封(急冷、激冷)

“当用单端面机械密封来密封易结晶或危险介质时，在机械密封的外侧(大气侧)设置简单的密封(如衬套密封、填料密封、唇密封等).在两种密封之间引人其压力稍高于大气压力的清洁中性流体以便对密封冷却或加热并将泄漏出来的被密封介质及时带走以改善密封工作条件的一种方法.”—这是G B5894-86对阻封的解释。一般说来，内装式机械密封的阻封【图7-13 (a)】是这种情况;但对外装式机械密封的阻封来说，阻封是直接作

用在密封面处[图7-13 (b)].

三、换热设备

选用换热设备可按以下两种情况:

(1)密封腔压力低于泵的出口压力，这时可从泵的出口处装上旁路管线与换热器进口连接。

(2)密封腔压力经受泵的出口压力(相当于泵的出口压力)，这时可装上泵效环引导输送液进人换热器。

管式热交换器是最常用的换热设备，其热交换能力按每小时换热多少焦耳划分为若干等级.图7-14和表7-2所示为西德布格曼公司的WE系列热交换器的结构和尺寸，这种换热器用于缓冲液、阻封液冷却和内部循环.它可以立式或卧式安装，但立式安装的热循环效果较好。

允许操作压力：

冷却盘管:10M Pa

壳体：2M Pa

允许操作温度：管侧:110度;夹套侧:150度

材料：1.4541、1.4571

典型的热文换系统布置如图7-15所示.

必须指出，当泵的出口压力与密封腔压力之间压差较大时，过高的介质流速会急剧地降低换热器效率.因此，建议在管线下游安装阀门、流量计和温度计，以便调节流过换热器的流量.

四、低温泵辅助系统

低温使用的液体有液态氮、氧、甲烷、乙烷、乙烯等液化气，用于低温甲烷泵的使用温度有-99℃，-53℃等.

低温泵密封的辅助系统主要包括温度控制和压力控制两部分.图7-17为低温泵辅助系统流程图.

温度控制分为加温和温控。加温部分由气源、蒸汽加热管路、加热器6所组成。加热器设置在密封腔内。压缩机将0.6MPa, O.15m3/min的空气由管路左端引人，经蒸汽盘管加热后进人加热器，用以提高密封腔的温度，这部分管路中设有一个节流孔板3，其孔径为2.1 mm，用以控制管路中的空气压力及流量;温控部分由温度指示控制器22.测温部件23、电磁阀2等组成.当密封腔的温度达到5℃的时候，温度指示控制器使电磁阀关闭，切断空气通路.此时，密封腔受叶轮处冷介质的影响，温度逐渐降低。当温度降至o℃时，温度指示控制器使电磁阀开启，热空气重新通过加热器，再次提高密封腔的温度，使密封腔内温度保持在0~5℃范围内.

压力控制系统由隔离罐14、平衡缸9、报警器10、手动泵11、单向阀18等组成。泵出口的压力通过隔离罐和平衡缸传递到密封腔，使密封腔内保持一定的密封压力。隔离罐和平衡缸的另一作用是将甲烷和密封液隔离开.隔离罐内的液体为不冻液体，由50%的乙二醇和50%的水(重量比)组成.平衡缸的顶部装有报警器，缸的上腔和密封腔内充满冷冻机油密封液并一起与手动泵连通，随着密封腔内的密封液逐渐泄漏，活塞便往上移动，当活塞触及报警开关时，报警器将发出信号，这时可用手动泵向平衡缸内加密封油。低温泵出口处接有一个单向阀，防止停车时系统压力卸压.

扬子石油化工公司乙烯装置低温泵—脱甲烷塔釜液泵的密封系统由日本比拉公司提供(图7-18)。有关参数如下:

压力装置(压力源)

对于各种类型的机械密封，为了提高冷却效果和防止杂质停留在密封面上，都要使密封腔内流体(尤其在密封面附近流体)尽快流动.所以，常在密封部位或密封腔附近设置能使流体加速循环的压力发生机构.有的利用流体的温差;有的采用压力源来促使流体循环，所以压力装置是机械密封常用的辅助装置.

一、自身压力平衡装置(图7-19)

这种压力装置常用于双端而机械密封，扬子石油化工公司PTA装置用于搅拌器上为西德EKATO公司RD023-V和RD200-ST一V型机械密封.带翅片的密封液罐内装密封油(一般装壳牌S5585在20℃为1.5。恩氏粘度的白油)，密封罐侧面有视镜，可观察密封油液位，其底部的两个螺孔用管子分别与密封腔的进出口连通，它的顶部一个加液口也可与釜内连通，釜内压力可以直接加在密封液面上.因为封液罐比釜高出一定高度，釜压加上这段液位差压力，使密封腔压力稍大于釜内压力，从而保证了良好的密封.

这种封液平衡装置是靠温度差循环来降低密封腔温度的.机械密封在运转时不断产生摩擦热，加上釜内操作温度传给密封腔，使密封腔温度逐渐升高，仅靠封液罐上翅片经空气冷却把热量带走.所以，密封液循环速度和冷却量较小，冷却能力有限.为此，有些机

械密封在密封腔上部附加风叶一只，以提高冷却效果.总之，自身压力平衡装置仅适用于操作温度不太高和压力较低的场合.因此，当操作温度超过150度，应采用水冷夹套。如操作温度超过180度，除采用水冷夹套外，还应设置底部法兰冷却器作为热隔离屏障。其它如采用金属波纹管的机械密封，其使用温度范围要比这宽，就不需要附加冷却措施.

环形触发器在防爆装置中应该使用防爆型.

触发器与连接电缆埋铸在树脂中，以免受潮和防止撞击.

触发器的技术数据:(RJ61型)

以上环形触发器由Pacific。公司用于压力传递系统中活塞行程的控制.

三、多釜合用密封压力系统

多釜合用密封压力系统又称集中密封压力系统，它是用一套密封压力系统同时为多台设备的机械密封服务.所以，这种辅助装置比通常单独使用的密封压力系统较为合理，它特别适用于同一车间内多台搅拌器密封条件相同或比较接近的双端面机械密封.图7-22是一种简易的多釜合用密封压力系统.

这种多釜合用密封压力系统的密封腔压力一般比釜内压力高O.1MPa，泵出口压力应考虑管线、换热器、过滤器等处的压力损失.

以上密封液压力系统的设计和操作条件如一下:

1.要求机械密封的工作压力、温度、介质条件必须是相近的，按统一的密封液压力来计算各密封端面的比压，以适应操作过程中的压力变化.

2.由于每台釜的升压、降压的时间并不一致，因而要求恒定不变的密封液压力能够适应这种压力变化.为此，双端面机械密封上、下两个端面都应做成平衡型结构.

3.密封腔内的密封液压力是由氮气压力、泵送压力以及系统中辅助设备和管路的阻力降决定的，通常是通过调节氮气瓶出口处的减压阀2来控制密封所需压力.

4.反应釜停车时仍应保持密封液循环畅通，如需闭阀停止循环，系统中阻力降发生变化，密封压力需重新进行调整.

5.并联的双过滤器交替使用，定期清除过滤器中的污物。

扬子石油化工公司引进的PTA装置反应釜搅拌器上机械密封采用的中心密封系统，是采用循环液流过的方式进行密封，其流体既可作密封液又可作冷却介质除了循环密封液和循环冷却水系统，还在机械密封下部加了一个短的冷却水夹套。(Short heat trap)，以降低密封腔温度。

PTA装置釜用搅拌器机械密封中心系统由英国克兰公司提供主要部件。该系统由以下3个基本部分组成:

1.8AC—安装在密封腔附近装满密封液的压力罐(缓冲罐)和附加高压氮气源.

2.7JJ一供给8AC增压密封液的控制盘系统，由气动往复泵、空气调节器、压力开蓄压器、过滤器和各种阀门等组成.

3.7JS或7JQ一一密封液贮罐和安装在构架上的过滤器.7JS的贮罐容量为350L,7JQ的贮雄容量为1300 L.

7JQ (7JS),  7JJ和8AC系统区域图如图7-23所示.

3个基本部分的功能如下:

缓冲谁系统8AC的功能:(1)当控制盘系统7JJ的气源全部发生故障时，可利用紧急，可调节的高压氮气源对缓冲罐加压，保证供给压力密封液，使搅拌器在停车之前，有足够能力把物料处理完毕;(2)使密封腔自动排气；(3)设置一条流经密封腔的回路，使密封液对流冷却;(4)通过一个止回阀和一个隔断阀在输出端与7JJ联接，用一个正确调定的安全泄放阀防止系统过压.

控制盘系统7JJ的功能:(1)由7JQ(7J S)来的密封液经气动往复泵加压后送到密封腔和8AC的密封液缓冲罐中;(2)借助系统内的各种仪表、阀门和蓄压器等来调节密封液压力，以符合密封腔压力要求.

密封液贮雄系统7JQ (7JS)的功能:该系统主要用于密封液的贮存和过滤并将密封液送至7JJ系统.

中心密封系统在’PTA装置中的布置是:

氧化单元一一有一个通用的贮液雄系统7JQ，将密封液输送到5套7JJ，每套7JJ将压力密封液输送到8AC，图示如下:

精制单元—每台搅拌器机械密封配1套7JS.  1套7JJ和1套8AC，图示如下:

由此可见，这种中心密封系统既可作多釜合用的辅助装置，也可作单釜使用的辅助装置。

中心密封系统计算和操作要点:

1.确定搅拌容器中直接作用在密封件内表面的物料压力.

2.计算缓冲堆低压开关调定值—调定值=物料压力+0.1 MPa.

3.计算缓冲雄低压开关复位值—复位点=开关调定值十开关死区(0.21M Pa) .

4.计算密封腔/缓冲堪中密封液压力—密封液压力=开关复位点十0.1MPa.

必须保证密封液压力不超出外侧密封件的工作压力范围.

5.计算缓冲峨高压开关复位点—复位点=密封液压力十0.1MPa min.

6.计算缓冲雄高压开关调定值—开关调定值=复位点+开关死区((0.21M Pa).

必须保证高压开关和低压开关调定值之差>0.5MPa.

7.计算级冲峨安全阀调定值—调定值二高压开关调定值+0.1MPa min

    必须保证密封腔的设计压力范围和外侧密封件工作压力范围大于安全阀调定值.

8.计算在密封液泵控制盘系统TJ J上低压开关的调定值一低压开关调定值二密封液压力+0.4MPa.

保证压力调节阀前后有一个足够的压降，使调节阀有最佳的灵敏度。

9.计算低压开关复位点—复位点=开关调定值+开关死区(0.21 MPa) .

10.计算密封液泵出口压力—密封液泵出口压力=低压开关复位点十0.1MPa min,

可参照泵的特性曲线，保证泵的稳定性，密封液泵的气源压力至少0.25M Pa(表压)，调节密封液泵出口压力，以达到这个条件。

11.计算密封液泵控制盘安全阀的调定值—安全阀调定值=密封液泵出口压力+0.5MPa min，

必须保证安全阀调定值不超过系统的试验压力.

12.计算密封液泵控制盘蓄压器预进料压力—对于氧化单元，预进料压力为50-~60%密封液泵出口压力，最大·预进料压力为2MPa，对于精制单元，预进料压力为70~90%密封液泵出口压力.

杂质过滤装置

过滤操作是分离愉送液中含有固体微粒的有效方法.

选用过滤器时，应考虑输送液的粘度、重度、数量和腐蚀性;固体悬浮物颗粒大小、形状、粒度分布;悬浮液中固体的浓度等因素.

过滤的目的就是要搜集和挡住输送液中的固体微粒，并及时将它清理掉，要注意输送液中有大t脏物时，过滤器容易被堵塞.从生产和维修角度看，过滤器尽可能成对安装.

机械密封常用的过滤设备有:

一、Y型过滤器

Y型过滤器是粗滤器，一般装在管路上游.

二、双过滤器

机械密封上经常采用的是双过滤器(见图7-26种号2)，过滤器一般由专业过滤厂生产。

旋液分离是利用离心力作用使悬浮液中粒子向分离器壁方向运动进行分离。如图7-27所示.所以，旋液分离的实质是一种离心沉降.由于旋液分离器的操作决定于离心力而不是重力，因此，它可以安装成所希望的任意位置或任意角度，但立式安装较好。

从旋液分离的角度，可考虑以下几项因素:

(1)输送液粘度越小越易分离;(2)悬浮液中固体粒子直径越大越易分离;(3)固体悬浮物粒子坚实，不易变形，不易相互粘附或与其他粒子粘附，这种固体粒子最易分离.当然，除了悬浮液本身，旋液分离率还与流体的压差、流速和旋液分离器的结构有关.

旋液分离器的有关参数如图7-28所示.

常用的旋液分离器的结构及管线布置如图7-29所示.

国外密封公司都有旋液分离器产品，图7-29中ZY型旋液分离器就是西德布格曼公司系列产品.其性能参数如下:

润滑、节流和其它辅助装置

一、润滑装置

润滑对密封的作用是可以降低密封的摩擦系数，从而减轻密封面的热负荷

同时，适当的润滑能形成液膜，可有效地减低磨损，另外，当输送液是高挥发剂或有毒、有害的流体时，使用润滑剂作封液，不仅可以避免密封面液膜发泡与汽化，而且能保护操作人员人身安全，又防止污染环境.

当今，尽管在机械密封上，广泛采用新的密封材料和新的端面结构，提高了密封面的承载能力，但传统的润滑方式，仍然在现代机械密封上广泛使用.

显然，润滑和冷却是一致的，为了便于叙述，单独将润滑装置加以说明.

润滑装置有两种形式:端部润滑和循环润滑，

1.端部润滑(Dead-End  Lubrication)

端部润滑如图7-32所示，它是在压盖上钻孔，并开有环状槽与静环上钻的孔相连通，使润滑剂经过通道润滑密封面.润滑剂通常用油脂或油类.

端部润滑用于城市工厂污水处理的设备上密封，原先采用双端面机械密封，因经济原因改用端部润滑.

2.循环润滑(Circulating   Lubrication)

循环润滑如图7-33所示，它在压盖上钻有两个带锥度的孔，并有环状槽与静环上的孔相连通。

循环润滑能有效地将密封面上产生的摩擦热带走，所以，循环润滑可用于因位置或其它周围条件限制的真空和有磨料的场合.在循环润滑下密封面不断冷却和净化，使密封面的温度控制在合适的范围内，是循环润滑的主要目的.

循环润滑按循环流体来源可分:使用高压端流体本身进行的自身注液循环润滑和从其它压力源引人密封流体以外的流体对轴封部件进行注液循环润滑的外部注液循环润滑两种。

二、节流装置

节流装置是指填料箱喉部的节流装置，

节流效用:(1)减少填料箱喉部径向间隙，在喉部形成一个有效的阻挡层，提高了填料箱中压力;(2)减少冲洗量，保证冲洗作用;(3)当作填料的凸肩，防止填料挤出.

通常离心泵填料箱喉部(无喉部衬套)·与轴的径向间隙为0.75-1mm.带有机械密封的泵，时常要减少这种间隙以限制输送液通过喉部，

最常用的节流装置是带有外冲洗的节流装置，当机械密封需要外冲洗，输送液微量泄漏是允许的，这时采用单端面机械密封带节流装置.

为了排除填料箱中液体，需要在填料箱喉部造成10-15ft/s (3-4.5m/s)的速

度.从图7-34可见，正常喉部径向间隙0.030'一0.040'(0.75-1mm)，要达到要求的喉部速度，就需要10gal / min(37.8L / min)的冲洗液流量.

衬套材料常用不产生火花的，不会咬住的材料。(如石墨)制成.

图7-35 (a)结构用于化学泵，填料箱喉部加工至0.003“一0.005'(0.075~0.125 mm)公差与喉部衬套的外径压配.图7-35(b)用于炼油泵，(C)用于水平剖分的泵.

固定式喉部衬套实际径向间隙为0.006'~0.008'(0.15~0.20mm)，如果间隙太小，因轴的弯曲或抖动而造成轴与衬套孔相擦.

图7-36表示小间隙衬套流量与压差关系.

如上所述，可按以下方法求出冲洗液流量和冲洗液所需的压力.

(1)从图7-34由轴径大小取的径向间隙确定所需的流量;

(2)从图7-36由轴径和衬套长度校正流量;

(3)从校正的流量和径向间隙，决定通过衬套所需的压差;

(4)冲洗液所需的压力是填料箱压力加上3psi以上的压差.

唇密封的作用:(1)与轴保持微小间晾;(2)在极低流量情况下，产生所需的流速;(3)对安装无严格的公差要求;(4)可补偿轴的扭曲或跳动;(5)安装、维修、更换方便;(6)防止杂质进人填料箱.

虽然唇密封的结构型式很多，但用于喉部节流的唇密封以图7-38 (a), (b)两种较多.

唇密封结构在聚乙烯、乙二醇、芳烃、精对苯二甲酸装置中如同衬套结构一样，普通得到采用。

三、放空、排放和辅助填料装置

必须承认，任何机械密封都存在缺陷和泄漏的可能性.在输送有毒、易燃、易爆和强腐蚀性介质时，机械密封的可靠性和泄漏间题尤为重要.解决问题的办法:一是采用双端面机械密封;二是采用单端面机械密封带有收集泄漏介质的装置或辅助填料装置.

1.放空、排放带固定节流衬套(图7-39)

多数节流衬套与放空和排放口连接采用固定式衬套，它压人压盖背部的孔中，有关衬套与轴的配合及间隙详见节流装置部分.

2.放空、排放带浮动节流衬套(图7-40)

由于这种衬套可以浮动，它与轴的间隙可以减小，所以常用于节流要求高的场合.

3.放空、排放带辅助填料(图7-41)

当原先密封有缺陷时，图7-41这种装置如同提供一个可靠的辅助轴封，但填料须适当润滑和冷却，以防轴和填料过度磨损.因此，必须要有循环液，通常是用水作循环液进行润滑和冷却.

有人认为:尽管辅助填料箱给用户提供紧密的背部密封，如对填料提供的润滑可能不适用，那宁可采用节流衬套。

带辅助填料结构的机械密封在芳烃装置中用得较多，而在其它装置却很少采用.