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填料密封和机械密封






密封

在炼油化工装置中,密封广泛应用于阀门、机泵和压缩机上。密封按其结构、作用原理 和发展趋势可分为接触式密封、非接触式密封、组合式密封和无轴封密封等几种,常见的 应用形式有填料密封、机械密封和迷宫式密封等。

第一节

填料密封

填料密封是依靠

填料和机械(如轴、轴套)的接触面来实现密封作用的。填料一般由 石棉绳、石棉盘根、压型石墨等材料等组成。 1 填料密封的结构和密封原理 如图 1 所示,是阀门的填料 密封装置,填料密封装置由填料 函(箱) 、填料、阀杆、填料压盖 和螺栓组成。 阀门填料密封原理:密封被 填充在阀杆和填料函之间的空间 中,由螺栓通过填料压盖压紧, 从而达到密封的效果。 阀杆与填料的接触面是相当 光滑精密的,以最大程度的减小 阀杆转动的阻力,并提高密封效 果。 如图 2 所示,是机泵的 填料密封装置,填料密封装 置由填料函(箱) 、填料、液 封环、填料压盖、底衬套和 螺栓组成。 机泵填料密封原理:密 封填料缠绕在光滑的轴和轴 套上,由填料压盖和螺栓压 紧。底衬套与泵体保持一定 的间隙(1mm 左右) ,其作 用是防止填料被挤入泵内。 液封环的作用是通过管道与 泵的压缩室连通或与外界带 压的清水、封油等介质形成 液封,引入压力介质形成液 封,并冷却润滑填料,使密 封在径向得到扩张,内边径 与轴贴紧,外边径向与填料 函内边贴紧,从而达到密封的效果。

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填料在压紧过程中应注意,压得过紧虽然减少了泄漏,但增加了填料与轴套之间的摩 擦,降低了机械效率,并加剧了填料与轴套的磨损,严重是造成局部发热、冒烟,甚至将 填料、轴和轴套烧坏;若压得太松,则泄漏增加也是不能容许的,填料密封的合理泄漏一 般控制在每分钟 6 滴左右。 2 填料密封的特点和适用范围 (1)特点:填料密封的结构简单,适用方便,但适用寿命短,泄漏量大,密封效果差,维 护频繁。 (2)适用范围:填料密封适用于两密封面相互运动较为和缓的场合中,在炼油化工装置的 阀门中适用最为广泛,而在旋转机械中,填料密封对轴功率的传递损耗较大,一般用 于介质温度较低、腐蚀性小、转速低、泄漏量要求不是很严格的设备中,如水泵和低 速搅拌釜中,在炼油化工装置的小流量泵中应用也较多。

第二节

机械密封

机械密封具有密封性好、泄漏量少,使用可靠等优点,因此在石油化工生产中广为使 用,尤其在易燃、高温、昂贵、腐蚀等介质的环境中更具有明显的效果,其在机泵、搅拌 釜等设备中应用最为广泛。 1 机械密封的原理和基本结构 机械密封是由至少一对垂直于轴线的精密加工的端面在流体压力和补偿机构弹力(或 磁力)的作用及辅助密封的配合下,保持相互贴合并相对运动而构成防止流体泄漏的装置。 其作用机理是将较易泄漏的轴向密封转化为难以泄漏的端面密封。机械密封的基本结构如 图所示,它是依靠动环和静环的端面相互贴合,并相对转动而构成的密封装置。 如图 3 所示, 动环通过 动环密封圈、弹簧、传动座 及螺钉固定在轴 (轴套) 上, 构成一套动环机构,并随之 转动。 静环通过静环密封圈、 防转销固定在压盖上,构成 静环机构, 它是静止不动的。 当动环机构与静环机构安装 到泵上以后,动环与静环的 接触面在弹簧及密封液体压 力的共同作用下紧密贴合。 泵运转时,动环机构就 带动动环随泵轴旋转,而静 环是静止不动的,于是动环 与静环接触面就发生相对运 动,由于它们之间贴合得很 紧,并形成一层极薄得液体 膜,从而达到良好的密封效 果,这是机械密封的主密封。另外,静环与压盖的静密封是靠静环密封圈来实现的:动环 与转轴(轴套)之间的密封是由动环密封来保证的,当端面磨损时,能作轴向移动来补偿 磨损;这些都是机械密封的辅助密封形式,一般无相对运动,容易保证。

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(1) 波纹管密封主要部件 固定螺钉、弹簧座、弹簧、压盖、密封圈、动环、静环、静环密封圈合防转销。 (2) 机械密封的优点 基本上不泄漏或泄漏量很小;摩擦系数小,功率消耗小;正常情况下,机械密封材 质好,不易损坏,从而维修工作量大大减少;能用在较恶劣的工作环境下,如高温、 高压、高真空、有毒、腐蚀性介质的输送并具有良好的密封效果;对轴的振动很不敏 感。 (3) 机械密封的基本结构单元 动密封环、静密封环、 (弹簧)加载装置和二次密封元件。 (4) 机械密封的密封部位 动环与静环接触面、静环与压盖、动环与轴套、压盖与密封套和轴套与轴。 2 机械密封结构形式 机械密封的结构形式很多分类方法也各有差别。通常是根据结构特点分类,如:根据 弹簧与介质接触与否,分弹簧内装式和外装式;根据其传载结构不同又有金属弹簧式和波 纹管式机械密封;根据其密封比压,又分为平衡和非平衡型;根据摩擦付的对数,又分为 单端面与双端面机械密封;根据弹簧是否旋转,可分为旋转式和静止式等等。 (1)单端面密封和双端面密封 在我装置中,轴流泵 P201、动态分离器 A301 都是采用的双端面密封,一般有轴向背 靠备式和轴向相对式等两种形式,见图 4 和图 5 所示。

双端面机械密封是指两套机械密封组件相对或相靠布置的密封机械。图 4 中的是轴向 背靠背式的双端面机械密封,它的传载机构(动环机构)是相对布置的。图 5 中的是面对 面的双端面机械密封,它的传载机构(动环机构)是相对布置的。双端面机械密封相对于 单端面机械密封而言为两级密封,所以效果要好于单端面机械密封。

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(5) 串 联 式 机 械 密封 串联式机械密 封是由两组或 两组以上的机 械密封同向布 置而组成的机 械密封,在两组 机械密封之间 必须通入流动 的密封液,见图 6 所示。 2 波纹管密封 波纹管密封是在机械密封的基础上发展起来的一种新型机械密封,进口机械上用得较 多。波纹管密封除具有机械密封的特点外,具有一些独特的特点:在静面上用一个高温非 金属垫片密封;波纹管密封的动件不仅在轴套和动面之间起密封作用,而且还能弥补密封 面的弹簧负荷;波纹管所提供的弹簧负荷沿其横截面分布均匀,其密封比压变化均匀,故 其密封可靠;波纹管与密封液紧密接触,调节变化灵敏及时;波纹管采用不锈钢制造,因 而耐高温耐腐蚀且承受压力高; (1) 波纹管密封的结构 波纹管密封与机械密封结构基本相似,并具有以下结构: 纯碳化钨溶合在旋转面上,并依次焊接在波纹管管座上; 轴套用键固定在轴上,与轴之间用垫圈密封; 波纹管旋转组合件螺旋装于轴套上,轴套肩与波纹管座间用垫片(不锈钢O型圈)相 衬; 除轴套外,波纹管密封还采用两个固定的金属垫。 (2) 波纹管密封主要部件 固定螺钉、波纹管座、波纹管组件、压盖、密封圈、动环、静环、静环密封圈合防转 销。 (3) 波纹管密封的基本结构单元 动密封环、静密封环、 (波纹管)加载装置和二次密封元件。 (4) 波纹管密封的密封部位 动环与静环接触面、静环与压盖、动环与轴套、压盖与密封套和轴套与轴。

第三节 迷宫式密封
1 原理 液体通过整个迷宫密封,由于梳齿的节流作用,压力逐渐下降,温度保持不变,流速 增加,当密封间隙中的液流速度达到一定时,液体的泄漏量就保持一定,不再增加。 2 适用范围 介质可以微漏至大气的场合; 机泵的内密封; 与其他密封配合使用,对于机泵来说绝大多数迷宫密封与其他密封配合使用。 3 泄漏量的影响因素

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梳齿的齿数; 密封环的直径; 间隙的大小; 介质的压力。

第四节 机械密封的冷却
机械密封是靠摩擦付密封面之间形成稳定的液体膜而工作的,影响液体膜的稳定性的 因素主要有压力、转速和温度。 1 压力、转速和温度对机械密封的影响 压力、转速对机械密封摩擦付产生热量有直接的影响,并会使机械密封的温度升高, 主要影响有: (1) 摩擦付间液膜粘度降低、汽化而造成干摩擦运转状态; (2) 摩擦面间液膜变质; (3) 流体的腐蚀性增大; (4) 密封圈老化损坏,造成泄漏; (5) 摩擦付发热变形,造成泄漏; 为了消除这些不良影响,必须对机械密封采取必要的润滑冷却措施。 2 机械密封冷却形式 机械密封冷却形式按其介质、压力、温度不同具有不同的形式,其主要目的是控制机 械密封的温度、压力,改善其润滑、防腐蚀、防垢、防污染的性能,常见有以下几种形式: (1) 冲洗法:即在密封面用封油冲洗,这是最常见的冷却方法,分为两种形式: a. 自身冲洗:通常由泵出口或高压端将输送介质作为封油直接引入密封腔, 冲洗和冷却密封面的摩擦热,防止杂质堆积。适用于流体温度不高(0~80℃) ,杂 质含量较少的情况,温度高时可以加冷却器,降低冲洗液温度,提高冲洗和冷却效 果。 b. 外部冲洗液系统:在装置内设置专门的冲洗液(封油)系统,选取合适的 液体作为冲洗液(封油) 。对输送高温的介质流体,使用低温液体作为冲洗液;对 粘度大的介质流体,使用粘度小的液体作为冲洗液。一般冲洗液注入机械密封后进 入介质流体中,所以冲洗液注入量大时,要考虑冲洗液对介质流体质量的影响。 (1) 急冷法:是将冷却水直接注入摩擦付的内径,冷却摩擦面的一种冷却方法。 它对静环、动环和密封面都起到冷却作用,冷却效果好。但容易结垢到轴或轴套 上,使密封面磨损加速而导致密封失效。在使用这种方法时,还要采取措施防止 冷却水向大气一侧泄漏。 (2) 间冷法:是指对静环外周的冷却方法。它比急冷法效果差,但无需防止冷却 水的泄漏。 (3) 循环冷却法:也称密闭循环法。它是利用另一系统动力源,从外部引入与密 封介质相容的流体,通过密封腔建立一个循环系统,依靠密封腔内循环套(例如 甩油环)的泵效应,以及流体的热虹吸原理,使冲洗流体强制循环。常用于较复 杂的机械密封中。在 PP 装置中的一些较重要的泵,如搅拌器 P201、A301 的机 械密封都是采用这一方法进行冷却的。由于冲洗液的充分循环和冷却,可以起到 较好的效果。 以上为机械密封的冷却和冲洗的常见形式,在具体的设计和使用中,一般还根据介质 温度、性质同时采用两种或三种冲洗冷却方法。如当介质温度 0~80℃时,在采用自冲

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洗的同时,也可以采用间冷法对静环外周进行冷却,这样冷却效果进一步加强,对提 高机械密封的寿命有较好的效果。 第五节 我装置典型密封结构介绍 1 环管反应器循环泵 P201

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轴流泵 P201 的密封由内侧的背靠背式双端面机械密封(初级机械密封)和一组串联在 外侧的安全机械密封组成,见图 7。双端面密封起到密封工艺介质的作用,而安全密封用于 防止前密封(初级密封)失效时工艺介质或高压密封油直接向外泄漏。双端面密封和安全 密封由两套独立的自循环密封油系统进行润滑、冲洗和冷却。在初级机械密封的前面轴颈 处设有冲洗丙烯入口,引入一股压力高于泵出口压力的冲洗丙烯进行冲洗,主要是为了防 止聚合物接触和渗入机械密封,致使密封损坏,同时还有冷却密封轴套和防止轴套与轴承 座之间堵塞聚合物的作用。 (1)初级密封油路及冷却水系统 初级密封油路是一个闭合的循环油路,介质是白油。主要由压力活塞 Z201 输油环、冷 却水夹套和管线组成。密封油来自增压油泵 P107。压力活塞由一立式的管体和活塞组成, 压力活塞的作用是实现作用在活塞两端上的压力平衡,使密封油装置获得一个高于冲洗丙 烯至少 2kg/cm2 的压力,由于密封面两侧压力是平衡的,所以密封面运行工况稳定,摩擦 付磨损很小。在这种情况下,密封油不仅起到了密封、润滑作用,而且还延长了摩擦付的 使用寿命。在压力活塞的活塞杆上装有报警装置以防止密封油泄漏。 初级密封油管线上的夹套冷却水冷却。通过密封腔内的输油环(甩油环)和热虹吸效 应的共同作用,使密封油在回路种循环流动。 (2)丙烯冲洗系统 冲洗丙烯来自丙烯过滤器 F201A/B, 并经 5μ m 过滤器再次过滤后引入泵初级密封前侧, 对轴套进行冲洗和冷却,防止轴套结垢。 (3)安全密封油系统 安全密封系统的介质也是白油,它的循环油路由安全密封罐 Z207 输油环(甩油环) 、 冷却水盘管组成。 Z207 罐上装有安全阀以及液位报警, 密封油循环原理与初级密封是 一样的。 2 动态分离起 A301 的密封循环系统

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动态分离起 A301 是位于 D301 顶部的带旋转叶片的搅拌器,转速为 1450rpm,它的作用 是将 D301 中的丙烯、丙烷气和聚合物粉料分离,而引出的丙烯、丙烷到 T301 进行下步工 序。 动态分离器 A301 的密封为背靠背式双端面机械密封,它采用循环水冷却法进行冷却, 它的机械密封系统由加压活塞 Z301、输油环(甩油环)冷却水夹套以及管线组成的闭路循 环系统。 A301 的机械密封循环系统的介质为白油,由增压油泵 P107 提供,加压活塞 Z301 利用 D301 中本身的丙烯气压力作用于活塞上,给密封油增压,从而保证了循环系统的油压高于 D301 中的介质压力,起到了润滑、冲洗和冷却密封的作用。系统的密封油循环也是依靠密 封腔中的输油环(甩油环)的泵效作用,以及流体介质热虹吸,使密封油强制循环,加压 活塞上也装有 Z301 的液位报警装置,以控制 Z301 中的油位。

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