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金龍泵業(yè)淺析影響泵用機(jī)械密封的外部條件
作者：金龍泵業(yè)  時(shí)間：2012-04-13

      目前機(jī)械密封在泵類產(chǎn)品中的應(yīng)用非常廣泛，而隨著產(chǎn)品技術(shù)水平的提高和節(jié)約能源的要求
，機(jī)械密封的應(yīng)用前景將更加廣泛
。機(jī)械密封的密封效果將直接影響整機(jī)的運(yùn)行，尤其是在石油化工領(lǐng)域內(nèi)
，因存在易燃
、易爆、易揮發(fā)
、劇毒等介質(zhì)
，機(jī)械密封出現(xiàn)水泵泄漏，將嚴(yán)重影響生產(chǎn)正常進(jìn)行
，嚴(yán)重的還將出現(xiàn)重大安全事故。人們?cè)诜治鲑|(zhì)量故障原因時(shí)
，往往習(xí)慣在機(jī)械密封自身方面查找原因
，例如：機(jī)械密封的選型是否合適，材料選擇是否正確
，密封面的比壓是否正確
，摩擦副的選擇是否合理等等。而很少在機(jī)械密封的外部條件方面去查找原因
，例如：泵給機(jī)械密封創(chuàng)造的條件是否合適，輔助系統(tǒng)的配置是否合適
，而這些方面的原因往往是非常重要的。本文作者從泵用機(jī)械密封的外部條件的角度分析了影響密封效果的幾種因素和應(yīng)采取的合理措施
。
    1　機(jī)械密封的原理及要求
   機(jī)械密封是靠一對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的環(huán)的端面相互貼合形成的微小軸向間隙起密封作用
，這種裝置稱為機(jī)械密封。
    機(jī)械密封通常由動(dòng)環(huán)
、靜環(huán)
、壓緊元件和密封元件組成。其中動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的端面組成一對(duì)摩擦副
，動(dòng)環(huán)靠密封室中液體的壓力使其端面壓緊在靜環(huán)端面上
，并在兩環(huán)端面上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)谋葔汉捅３忠粚訕O薄的液體膜而達(dá)到密封的目的
。壓緊元件產(chǎn)生壓力
，可使泵在不運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，也保持端面貼合
，保證密封介質(zhì)不外漏
，并防止雜質(zhì)進(jìn)入密封端面。密封元件起密封動(dòng)環(huán)與軸的間隙B
、靜環(huán)與壓蓋的間隙C的作用
，同時(shí)對(duì)泵的振動(dòng)
、沖擊起緩沖作用
。機(jī)械密封在實(shí)際運(yùn)行中不是一個(gè)孤立的部件
，它是與泵的其它零部件一起組合起來(lái)運(yùn)行的，同時(shí)通過(guò)其基本原理可以看出
，機(jī)械密封的正常運(yùn)行是有條件的
，例如：泵軸的竄量不能太大，否則摩擦副端面不能形成正常要求的比壓
；機(jī)械密封處的泵軸不能有太大的撓度
，否則端面比壓會(huì)不均勻等等。只有滿足類似這樣的外部條件
，再加上良好的機(jī)械密封自身性能
，才能達(dá)到理想的密封效果
。
    2　外部條件影響的原因分析
    2.1　泵軸的軸向竄量大
    機(jī)械密封的密封面要有一定的比壓
，這樣才能起到密封作用，這就要求機(jī)械密封的彈簧要有一定的壓縮量
，給密封端面一個(gè)推力
，旋轉(zhuǎn)起來(lái)使密封面產(chǎn)生密封所要求的比壓。為了保證這一個(gè)比壓
，機(jī)械密封要求泵軸不能有太大的竄量
，一般要保證在0.5 mm以內(nèi)。但在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中
，由于設(shè)計(jì)的不合理，往往泵軸產(chǎn)生很大的竄量
，對(duì)機(jī)械密封的使用是非常不利的
。這種現(xiàn)象往往出現(xiàn)在多級(jí)離心泵中，尤其是在泵啟動(dòng)過(guò)程中
，竄量比較大
。
    平衡盤工作時(shí)自動(dòng)改變平衡盤與平衡環(huán)之間的軸向間隙b，從而改變平衡盤前后兩側(cè)的壓差
，產(chǎn)生一個(gè)與軸向力方向相反的作用力來(lái)平衡軸向力
。由于轉(zhuǎn)子竄動(dòng)的慣性作用和瞬態(tài)泵工況的波動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子不會(huì)靜止在某一軸向平衡位置
。平衡盤始終處在左右竄動(dòng)的狀態(tài)。平衡盤在正常工作中的軸向竄量只有0105 ～011 mm
，滿足機(jī)械密封的允許軸向竄量015 mm的要求
，但平衡盤在泵啟動(dòng)
、停機(jī)、工況劇變時(shí)的軸向竄量可能大大超過(guò)機(jī)械密封允許的軸向竄量
。
    泵經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后
，平衡盤與平衡環(huán)摩擦磨損，間隙b隨著增大
，機(jī)械密封軸向竄量不斷增加
。由于軸向力的作用，吸入側(cè)的密封面的壓緊力增加
，密封面磨損加劇，直至密封面損壞
，失去密封作用
。吐出側(cè)的機(jī)械密封，隨著平衡盤的磨損
，轉(zhuǎn)子部件的軸向竄量大于密封要求的軸向竄量
，密封面的壓緊力減小，達(dá)不到密封要求
，最終使泵兩側(cè)的機(jī)械密封全部失去密封作用
。
    2.2　軸向力偏大
    機(jī)械密封在使用過(guò)程中是不能夠承受軸向力的，若存在軸向力
，對(duì)機(jī)械密封的影響是嚴(yán)重的。有時(shí)由于泵的軸向力平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理及制造
、安裝、使用等方面的原因
，造成軸向力沒(méi)有被平衡掉
。機(jī)械密封承受一個(gè)軸向力，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)密封壓蓋溫度將偏高
，對(duì)于聚丙烯類的介質(zhì)
，在高溫下會(huì)被熔融，因此泵啟動(dòng)后很快就失去密封效果
，泵靜止時(shí)則密封端面出現(xiàn)間斷的噴漏現(xiàn)象
。
    2.3　泵軸的撓度偏大
    機(jī)械密封又稱端面密封
，是一種旋轉(zhuǎn)軸向的接觸式動(dòng)密封
，它是在流體介質(zhì)和彈性元件的作用下，兩個(gè)垂直于軸心線的密封端面緊密貼合
、相對(duì)旋轉(zhuǎn)
，從而達(dá)到密封效果
，因此要求兩個(gè)密封之間要受力均勻。但由于泵產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不合理
，泵軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)
，在機(jī)械密封安裝處產(chǎn)生的撓度較大，使密封面之間的受力不均勻
，導(dǎo)致密封效果不好
。
    2.4　沒(méi)有輔助沖洗系統(tǒng)或輔助沖洗系統(tǒng)設(shè)置不合理
    機(jī)械密封的輔助沖洗系統(tǒng)是非常重要的
，它可以有效地保護(hù)密封面
，起到冷卻、潤(rùn)滑
、沖走雜物等作用
。有時(shí)設(shè)計(jì)員沒(méi)有合理地配置輔助沖洗系統(tǒng)，達(dá)不到密封效果
；有時(shí)雖然設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)了輔助系統(tǒng)
，但由于沖洗液中有雜質(zhì)，沖洗液的流量
、壓力不夠
，沖洗口位置設(shè)計(jì)不合理等原因，也同樣達(dá)不到密封效果
。
    2.5　振動(dòng)偏大
    機(jī)械密封振動(dòng)偏大，最終導(dǎo)致失去密封效果
。但機(jī)械密封振動(dòng)偏大的原因往往不是機(jī)械密封本身的原因
，泵的其它零部件是產(chǎn)生振動(dòng)的根源，如泵軸設(shè)計(jì)不合理
、加工的原因
、軸承精度不夠、聯(lián)軸器的平行度差
、徑向力大等原因
。
    2.6　泵汽蝕的原因
    由于裝置系統(tǒng)操作不合理以及泵進(jìn)口汽蝕性能不好、泵的轉(zhuǎn)速偏高
，在泵的入口處發(fā)生局部汽蝕
，汽蝕發(fā)生后，水中會(huì)有氣泡
，它一方面會(huì)沖擊機(jī)械密封面的外表面，使其表面出現(xiàn)破損；另一方面會(huì)使動(dòng)靜環(huán)的吻合面的流動(dòng)膜中也含有氣泡
，不能形成穩(wěn)定的流動(dòng)膜
，造成動(dòng)靜環(huán)的吻合面的干摩擦，使機(jī)械密封裝置損壞
。
    2.7　機(jī)械加工精度不夠
    機(jī)械加工精度不夠
，原因有很多，有的是機(jī)械密封本身的加工精度不夠
，這方面的原因容易引起人們的注意
，也容易找到。但有時(shí)是泵其它部件的加工精度不夠
，這方面的原因
，不容易引起人們的注意
。例如：泵軸
、軸套、泵體
、密封腔體的加大精度不夠等原因
。這些原因的存在對(duì)機(jī)械密封的密封效果是非常不利的。
    3　應(yīng)采取的措施
    3.1　消除泵軸竄量大的措施
    合理地設(shè)計(jì)軸向力的平衡裝置
，消除軸向竄量
。為了滿足這一要求，對(duì)于多級(jí)離心泵
，比較理想的設(shè)計(jì)方案有兩個(gè)：一個(gè)是平衡盤加軸向止推軸承
，由平衡盤平衡軸向力，由軸向止推軸承對(duì)泵軸進(jìn)行軸向限位
；另一個(gè)是平衡鼓加軸向止推軸承
，由平衡鼓平衡掉大部分軸向力
，剩余的軸向力由止推軸承承擔(dān)
，同時(shí)軸向止推軸承對(duì)泵軸進(jìn)行軸向限位。第二種方案的關(guān)鍵是合理地設(shè)計(jì)平衡鼓
，使之能夠真正平衡掉大部分軸向力。對(duì)于其它單級(jí)泵
、中開(kāi)泵等產(chǎn)品
，在設(shè)計(jì)時(shí)采取一些措施保證泵軸的竄量在機(jī)械密封所要求的范圍之內(nèi)。
    3.2　消除軸向力偏大的措施
    合理地設(shè)計(jì)軸向力平衡機(jī)構(gòu)
，使之能夠真正充分地平衡掉軸向力
，給機(jī)械密封創(chuàng)造一個(gè)良好的條件。對(duì)于一些電廠
、石油
、化工等領(lǐng)域應(yīng)用的重要產(chǎn)品
，在產(chǎn)品出廠之前
，必須做到臺(tái)臺(tái)試驗(yàn)檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題
。有些重要的泵可以在轉(zhuǎn)子上設(shè)計(jì)一個(gè)軸向測(cè)力環(huán)，對(duì)軸向力的大小進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)測(cè)
，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決
。
    3.3　消除泵軸撓度偏大的措施
    這種現(xiàn)象大多存在臥式多級(jí)離心泵中，在設(shè)計(jì)時(shí)采取以下措施：
    (1) 減少兩端軸承之間的距離
。泵葉輪的級(jí)數(shù)不要太多
，在泵總揚(yáng)程要求較高的情況下，盡量提高每級(jí)葉輪的揚(yáng)程
，減少級(jí)數(shù)
。
    (2)增加泵軸的直徑。在設(shè)計(jì)泵軸直徑的時(shí)候
，不要簡(jiǎn)單地僅考慮傳遞功率的大小
，而要考慮機(jī)械密封
、軸撓度
、起動(dòng)方法和有關(guān)慣性負(fù)荷、徑向力等因素
。很多設(shè)計(jì)員沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)
。
    (3) 提高泵軸材料的等級(jí)。
    (4) 泵軸設(shè)計(jì)完成后
，對(duì)泵軸的撓度要進(jìn)行校核檢驗(yàn)計(jì)算
。
    3.4　增加輔助沖洗系統(tǒng)
    在條件允許的情況下，盡量設(shè)計(jì)輔助沖洗系統(tǒng)
。沖洗壓力一般要求高于密封腔壓力0107 ～011 MPa
，如果輸送介質(zhì)屬于易汽化的，則應(yīng)高于汽化壓力01175～012 MPa
。密封腔壓力要根據(jù)每種泵的結(jié)構(gòu)型式
、系統(tǒng)壓力等因素來(lái)計(jì)算。軸封腔壓力很高時(shí)或者壓力幾乎接近該密封使用最高極限時(shí)
，也可由密封腔引液體至低壓區(qū)，使軸封液體流動(dòng)以帶走摩擦熱
。推薦的沖洗量如表1所示
。根據(jù)每種泵的操作條件，合理地配置管路和附件。如冷卻器
、孔板
、過(guò)濾器、閥門
、流量指示器
、壓力表、溫度等
。實(shí)際上密封的可靠性和壽命
，在很大程度上取決于密封輔助系統(tǒng)的配置。
    3.5　消除泵進(jìn)口汽蝕的措施
    (1) 提高泵的汽蝕性能水平
，滿足現(xiàn)場(chǎng)裝置的汽蝕性能的要求
。
    (2) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置的要求要與泵汽蝕性能水平匹配。
    (3) 現(xiàn)場(chǎng)安裝和工況調(diào)節(jié)要給泵創(chuàng)造有利的條件
。
    3.6　消除泵振動(dòng)的措施
    (1) 泵產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分分析振動(dòng)的來(lái)源
，以消除振動(dòng)源
。
    (2) 泵產(chǎn)品的制造裝配過(guò)程中，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程去執(zhí)行
，消除振動(dòng)源
。
    (3) 泵、電機(jī)
、底座
、現(xiàn)場(chǎng)管路等輔助設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，要嚴(yán)格把關(guān)
，消除振動(dòng)源
。
    (4) 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、操作
、維修
、調(diào)節(jié)時(shí)，嚴(yán)格把關(guān)
，消除振動(dòng)源
。
    3.7　嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
    泵產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和機(jī)械密封產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要執(zhí)行相關(guān)的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)
，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中
，設(shè)計(jì)員應(yīng)認(rèn)真執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，深刻理解標(biāo)準(zhǔn)每一條內(nèi)容的具體意義，將標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的要求執(zhí)行到產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中
。到目前為止
，有很多設(shè)計(jì)員還沒(méi)有理解標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際含義，沒(méi)有嚴(yán)格地去執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)
，而是盲目地照搬照套老圖紙和老設(shè)計(jì)員的經(jīng)驗(yàn)
。這種作法對(duì)提高我國(guó)產(chǎn)品技術(shù)水平和進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)是非常不利的。提高標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)識(shí)
，是目前機(jī)械行業(yè)設(shè)計(jì)員迫切需要解決的問(wèn)題
。

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