許 杰，趙 帆

(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176)

在化工行業(yè)中，產(chǎn)出或用到很多有毒、有害物質(zhì)，它們一旦泄漏會存在易燃易爆風(fēng)險，對生產(chǎn)造成巨大損失，同時，對現(xiàn)場操作工人的人身安全也帶來重大損害。因此，對于處理此類物質(zhì)的化工設(shè)備要求具有較高密封性能，極低泄漏量。

化工設(shè)備中，密封型式總體分為靜密封和動密封[1]。其中，定義結(jié)合面間沒有相對運動或相對靜止的密封為靜密封，如各種存儲容器、靜設(shè)備和管道法蘭結(jié)合面間的密封，以及閥門的閥座、閥體或機器機殼結(jié)合面間的密封等；而結(jié)合面間有相對運動的密封則為動密封，例如旋轉(zhuǎn)軸或往復(fù)桿與機體之間的密封、泵、壓縮機等。兩者相比，動密封由于處理對象為轉(zhuǎn)動件，其保證密封性能的難度較大，復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靜密封，因此選型較為困難。

目前，在石化行業(yè)，動設(shè)備使用最廣泛的密封型式為機械密封和填料密封。下文針對機械密封和填料密封運行原理進(jìn)行分析和對比，以便能根據(jù)設(shè)備使用工況更加準(zhǔn)確的選擇相應(yīng)的密封型式。

1 機械密封原理分析

機械密封由于制造、加工精度要求較高，一般多用于處理均相、潔凈物料，其主要靠一對或多對垂直于軸作相對滑動的端面，在流體壓力和補償機構(gòu)彈力共同作用下使端面相互貼合，以達(dá)到轉(zhuǎn)動軸與設(shè)備本體間的密封效果。它的密封原理主要是依靠補償元件和密封介質(zhì)壓力相互配合壓緊動、靜環(huán)密封端面從而防止介質(zhì)發(fā)生泄漏的密封裝置[2]。機械密封劃分類別較多，按密封端面接觸狀態(tài)分為接觸式和非接觸式兩種，其中接觸式密封使用較廣，此文主要分析接觸式密封。

接觸式機械密封主要由靜環(huán)和動環(huán)(兩者形成端面摩擦副)，彈性件(如彈簧)、靜&動環(huán)輔助密封件(如0形圈)、傳動件、防轉(zhuǎn)件以及緊固件等構(gòu)成[3]。其中，除主要起密封作用的元件外，傳動件、防轉(zhuǎn)件和緊固件主要起輔助連接、固定作用。接觸式密封中以單端面密封和雙端面密封使用最為廣泛，圖1為以雙端面為例的結(jié)構(gòu)圖。雙端面密封相較單端面增加了一對摩擦副，一般用于密封等級較高的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)相對單端面密封復(fù)雜，但運行原理相同。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動時，兩組動環(huán)通過相互連接的彈性元件隨軸轉(zhuǎn)動，每組分別與靜環(huán)組成一對摩擦端面，兩者接觸并發(fā)生摩擦，形成密封端面。

雖然機械密封具有良好的密封性能和可靠性，但在實際運行中也存在泄漏失效的可能性，導(dǎo)致密封失效的主要原因有：(1)選型不合適；(2)設(shè)計、制造加工精度不達(dá)標(biāo)；(3)裝配不合理；(4)設(shè)備運行頻繁啟停；(5)實際運行工況中轉(zhuǎn)軸徑向跳動較大；(6)或?qū)嶋H運行工況溫度、壓力升高等。機械密封失效，主要發(fā)生點在：(1)靜、動環(huán)接觸端面破壞，如出現(xiàn)局部磨損量大，或密封環(huán)損壞；(2)輔助密封元件與密封件之間產(chǎn)生間隙，如靜、動環(huán)座與靜、動環(huán)之間的O形密封圈發(fā)生脫離引起泄漏；(3)彈簧組件失效，導(dǎo)致彈性補償消失。

基于機械密封運行原理，除上述原因?qū)е旅芊馐?，在常?guī)運行中，還需保證密封端面的潤滑效應(yīng)。常規(guī)使用過程中，端面密封存在工作介質(zhì)自沖洗和潔凈工藝液沖洗[5]兩種。當(dāng)工作介質(zhì)為氣體時，必須添加潔凈工藝液沖洗，主要實現(xiàn)3項功能，(1)保證密封端面間形成一定的薄液膜，避免密封端面強行摩擦破壞，維持端面潤滑效應(yīng)，延長使用壽命；(2)避免摩擦起熱升溫，降低端面溫度，以維持密封元件的正常工作；(3)端面間形成的液膜，阻止內(nèi)部氣體外泄，達(dá)到較高密封效果。

1-設(shè)備壁面；2-連接法蘭；3-動環(huán)；4-靜環(huán)；5-壓蓋；6-動環(huán)座組件；7-彈簧；8-彈簧座組件；9-軸套組件；10-軸；11-動環(huán)密封圈；12-靜環(huán)密封圈；13-導(dǎo)向環(huán)

2 填料密封原理分析

填料密封是指通過預(yù)緊或介質(zhì)壓力的自緊作用使填料與轉(zhuǎn)動件及固定件之間產(chǎn)生壓緊力的動密封裝置。它的密封填料型式分為軟填料密封和硬填料密封，其中，軟填料密封在石化行業(yè)中應(yīng)用較多。

填料密封原理不是因為固體填料同旋轉(zhuǎn)軸緊密貼合來阻止內(nèi)部流體泄漏 , 而是通過填料與旋轉(zhuǎn)軸之間的潤滑油膜阻止流體外泄[5]。它造成密封泄露的原因主要有：(1)密封兩側(cè)存在壓力差(或濃度差)，或沿泄露方向有相對運動；(2)存在泄露通道，即流體流動阻力不是無窮大，消除(或減輕)其中任一因素均可阻止(或減少)泄露[6]。關(guān)于填料密封，一般泄露點主要有：(1)密封填料與固定件之間存在泄露點；(2)填料本身存在安裝、制造或破壞，導(dǎo)致泄露；(3)密封填料與運動件之間存在泄露。

根據(jù)填料密封的密封機理，業(yè)內(nèi)學(xué)者普遍認(rèn)為主要維持“軸承效應(yīng)”和“迷宮效應(yīng)”[6]來實現(xiàn)密封。"軸承效應(yīng)"主要是在填料作軸向壓縮后，填料中潤滑劑被擠出，密封與運動件間維持一定的潤滑效果，此與滑動軸承作用類似?！懊詫m效應(yīng)”主要基于運動件表面存在一定的凹凸不平，當(dāng)運動件表面形成一定的油膜厚度后，密封與運動件接觸表面之間形成一道不規(guī)則迷宮，認(rèn)為此對密封介質(zhì)起一定的阻止作用，由此得名。但通過填料密封原理分析，“迷宮效應(yīng)”并不是形成密封的必須，同時它還是填料與運動件之間易導(dǎo)致泄露的一點，若將“迷宮效應(yīng)”弱化，反而能提升填料的密封性能。

基于上述，筆者認(rèn)為維持填料密封的密封性能，除選擇合適的填料材料外，在填料中添加一定的潤滑脂或油，或添加潔凈液補充系統(tǒng)，時刻維持填料與運動接觸面間的潤滑效果，可有效避免運動件被磨損、劃傷，降低填料摩擦阻力，進(jìn)而增長填料使用壽命。

3 .兩者性能對比

上述兩種密封型式運行原理不同，在使用過程中產(chǎn)生的效果不同，表1從泄漏量、使用壽命、對運動軸的磨損、使用過程中是否需要在線調(diào)整、功率消耗和結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝、更換簡易程度，以及適用范圍進(jìn)行對比，獲得各自適用場景，對不同設(shè)備的動密封選型者提供一定的借鑒依據(jù)。

表1 兩種密封型式的性能比較

4 結(jié)論

通過填料密封和機械密封的原理分析、性能對比，對不同化工設(shè)備動密封選型提出如下建議：

(1)當(dāng)動設(shè)備內(nèi)處理物料為易燃、易爆或帶有毒性較強的物質(zhì)，泄漏量要求極低時，建議選取以機械密封為主的動密封型式。

(2)機械密封在高壓或一定負(fù)壓工況，且處理物料危害性較大，設(shè)備對密封性要求較高時選占有較大優(yōu)勢。

(3)當(dāng)動設(shè)備允許少許泄漏量，且使用工況壓力低、設(shè)備環(huán)境惡劣(如含有粉塵)且轉(zhuǎn)速不高時，一般選填料密封較優(yōu)，其以結(jié)構(gòu)簡單、檢修方便、造價較低等優(yōu)勢成為較多設(shè)計廠家選擇對象。

綜上，設(shè)備的動密封選型應(yīng)全面考慮設(shè)備使用工況，并充分考慮處理物料性質(zhì)，劃分密封等級要求，針對主要保證項進(jìn)行選型。

此外，隨著多功能、復(fù)雜使用環(huán)境的新型設(shè)備的研發(fā)，設(shè)備密封的要求也越來越高。由此，針對多種工況，可選擇多種密封組合型式以適應(yīng)設(shè)備的需求，例如機械密封與迷宮密封組合，填料密封與磁脂密封組合等，組合密封型式可規(guī)避單一密封弊端，做到揚長避短，以進(jìn)一步提高密封等級，確保實現(xiàn)化工設(shè)備、裝置的安全運行。