浅谈双端面机械密封

2016-08-01赵辉

中国设备工程 2016年1期

关键词：维护原理结构

赵辉

（克拉玛依市恒和设备维修技术服务有限责任公司，新疆　克拉玛依　833699）

·润滑与密封·

浅谈双端面机械密封

赵辉

（克拉玛依市恒和设备维修技术服务有限责任公司，新疆克拉玛依833699）

摘要：在石化行业流体离心泵密封以机械密封应用最为广泛。在对密封要求较高的场合，双端面机械密封更受青睐。本文以单端面机械密封为基础，对双端面机械密封的原理、结构及日常维护加以分析与论述。

关键词：双端面机械密封；原理；结构；维护

一、前言

与单端面机械密封相比，双端面机械密封的密封性能较好，适用于强腐蚀、高温、带悬浮颗粒及纤维介质、气体介质、易燃易爆、易挥发低黏度介质，高真空度工况的密封，具有高性能保险作用。在密封高压介质时，可以合理的分配每个密封的两端压差，提高密封的工作压力范围。对一些自润滑性差、易凝结、汽化介质，通过在密封腔体注入密封液改善密封的工况，大大提高密封的效率和使用寿命。

二、密封原理

双端面机械密封原理与单端面机械密封基本相同，都是靠垂直于旋转轴线的端面（摩擦副）在流体压力和补偿机构弹力的作用以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。双端面机械密封结构如图1所示。

图1　双端面机械密封简图

工作时，在由流体压力（介质压力）和弹性元件的弹力等引起的合力作用下，在密封环的端面上产生一个适当的比压（压紧力），使两个接触端面（动环、静环端面）相互紧密贴合，并在两端面间极小的间隙中维持一层极薄的液膜，从而达到密封的目的。双端面机械密封有两道端面密封，若一级密封失效，二级密封仍然可密封，防止泄漏。一般双端面密封都需要外供密封液系统，向密封腔内引入封液进行堵封、润滑和冷却，且多为循环冷却使用。密封液不仅可以冲洗摩擦副改善机械密封工作环境，还可以作为一级密封面是否失效的重要检测手段。

三、结构

与单端面机械密封相比，双端面机械密封多一个摩擦副。两摩擦副可分别由两动环两静环组成，也可由两动环共用一静环或者两静环共用一动环组成。双端面机械密封有多种分类方法。

1.根据密封液系统压力可分为有压双封和无压双封

有压双封密封液系统的压力一般要比一级密封前的压力高0.01～0.03MPa。这样一级密封泄漏时，密封液会进入泵内，确保了泵内介质不会泄漏到外界。由于密封液进入泵内，密封液系统压力、液位降低，可以实现密封的泄漏监测和报警。

无压双封密封系统内的压力一般为常压或微压，低于一级密封前的密封腔压力。当一级密封泄漏时，泵内介质会进入密封液系统，导致密封液系统的压力和液位升高，可以通过压力开关或液位开关实现泄漏监测和报警。通过密封液系统来监测双端面机械密封失效与否，也是其区别于单端面机械密封最主要的形式之一。

2.按摩擦副布置形式分为径向式、面对面、背对背及串联式4类（如图2所示）

径向双端面机械密封包括有一对相互配合的动环和静环，其主技术结构特征在于，在动环和静环配合端面上对应开设有圆环凹槽形成径向两个配合摩擦副，在静环上开设有泄流孔，从而形成径向双端面机械密封。其整体结构简单紧凑，结构空间小，安装使用方便，特别适用于径向安装尺寸受限的场合使用。

面对面双端面机械密封有静环面对面和动环面对面两种形式。静环面对面是一整体动环，动环面对面是一整体静环。但是由于加工精度、机械密封失效后更换成本等问题，面对面式双封在流体泵用机械密封中使用较少，一般应用于密封腔尺寸较小的场合。背靠背或串联机械密封已经完全可以覆盖面对面机械密封的适用工况。轻烃、黏性、聚合流体、有害气体采用干气密封，非接触设计可以采用面对面机械密封。面对面机械密封要求封液压力大于介质压力，属于有压双封，否则内侧机械密封动静环受力不合理。面对面结构多用于集装式结构，既可以做单端面，又可加封液做成双端面。

图2　双端面机械密封结构图

背对背式双端面机械密封亦可做成集装式，拆装方便，检修容易，因此使用较多。硫磺装置双端面机械密封为背对背式。背对背式双封分别有两动环和两静环，一级密封为外流式。因其适用工况宽，应用广泛，狭义上的双端面机械密封专指背对背式双端面机械密封。背对背式双封属于有压双封，当一级密封失效后密封液系统的压力和液位都会降低。密封液循环的动力由内置泵效环提供。

串联机械密封是两组或两组以上同向布置的单端面机械密封组成串联机械密封，两组单端面机械密封组成串联双端面机械密封。这种密封方式使密封腔的压力逐级降低，介质不至外漏。串联双端面密封由于其结构紧凑，可适用于轴径尺寸不大，轴向尺寸小，且转速较大的中等载荷的场合。内端为平衡型机械密封，外端为非平衡型带泵效环机械密封。串联式双端面机械密封可做成有压双封，也可做成无压双封，以无压双封最常见。封液提供密封面的冷却润滑，靠内置泵效环循环。

3.泵送还的分类及原理

根据密封腔内能利用的空间不同，而选用不同结构的泵送环。当密封腔径向空间较大而轴向空间较小时，选用离心式泵送环；当密封腔轴向空间较大而径向空间较小，则选用螺旋式泵送环；如果密封腔有足够的空间，则两种泵送环可任意选。常用的泵送环有离心式和螺旋式两种结构，离心式泵送环有开口槽式、斜孔式和半圆槽式等样式，斜孔式是为了增大密封液流量,减少流体阻力而设计的,对轴旋向有要求。螺旋式有内外螺旋配合式和只有外螺纹旋转等样式，后一种较常用,螺纹式泵送环有螺纹旋向要求。

离心式泵送环是在金属环的一侧加工出液槽(或孔)利用泵送环高速旋转时产生的离心力将出液槽(或孔)内的密封液甩出，使泵送环外侧的密封液形成一定的压力，将泵送环外侧的密封液导流出去，同时泵送环内侧的密封液不断补充到出液槽(或孔)中，形成持续泵送效应，工作状况类似离心泵。离心式泵送环要求由离心力作用甩出的流体对着出口；螺旋式泵送环是在旋转套的外表面加工出多头螺纹,与套在旋转套外面静止件的内表面配合使用，当泵送环旋转时，螺纹将带动螺纹槽内介质旋转。由于惯性作用螺纹槽内介质与螺纹槽产生相对运动，促使密封液向一侧运动，使泵送环两侧产生压差。此压差将高压侧的密封液通过出口流道引出到外部管路，经过换热器或储罐后回流到密封腔形成循环。

四、失效分析

转动设备故障中，因机械密封泄漏而停机的约占维修设备总量的50%。双端面机械密封失效机理与单端面机械密封失效机理基本相同，主要是密封面的失效。在机泵运行过程中，由于摩擦和搅拌产生的热量会使密封面温度升高，加之介质的影响，就会出现密封面介质的气化、密封环变形、热磨损，甚至出现热裂。有的介质在温度变化时会加剧固化、聚合、结晶、结焦和腐蚀。种种非正常的工况将加剧或者短期内直接导致密封失效。

密封失效的原因为操作问题（冲洗液中断等）；机械方面问题（安装误差、间隙不当、调整不当）；流体回路高等错误（负压不足、冲洗液不足、泵特性不适当）；密封元件选择不当（材料或基本结构错误）；其他原因。

密封失效的主要原因为操作问题。分析故障时，要对其整个过程，包括拆卸前的泄漏状态、泄漏量、拆卸中的检查、密封部件检测等深入研究，找到故障发生的泄漏点和真实原因，进而采取相应措施。