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离心泵的轴封技术


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离心泵的轴封技术
郭顺贵< ,周先华!
( <8 浙江金氟隆化工装备有限公司,浙江 金华 =!<$$$ ; !8 上海东方泵业集团有限公司,上海 !$<>$% )

摘& 要:旋转轴的密封技术是一个重要的研究方向, 泵轴密封件是离心泵的关键部件。介绍了离 心泵旋转轴用的几种密封技术 ( 包括层状剪切填料密封、 磁流体密封、 干气密封、 动力密封及停机 密封等) 及其应用现状, 剖析了其结构型式及工作原理, 分析了各自的性能特点及适用场合, 并列 举了国内外运用旋转轴密封实现无泄漏的成功运行案例。另外, 一种特殊结构的泵将吸入口改为 侧向吸入, 也可在一定程度上实现泵的无泄漏。运用这些轴封技术可在一定程度上保证可靠的密 封, 具有较好的使用价值。 关键词:离心泵;层状剪切填料密封;磁流体密封;干气密封;动力密封;停机密封 & & 中图分类号:?@=<<& & 文献标识码:A& & 文章编号: <$$" B C!"# ( !$$% ) $# B $$!! B $"

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89 填料密封

收稿日期: !$$% B $# B !# 作者简介:郭顺贵 ( <>CC B ) , 男, 浙江金华人, 工程师, 主要从事压力容器等化工设备的研究。 万方数据   周先华 ( <>C# B ) , 男, 四川自贡人, 高级工程师, 主要从事泵类产品的理论研究和产品开发方面的研究。

第 7 期" " " " " " " " " " " " " " " " " 郭顺贵等:离心泵的轴封技术

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点, 其密封方式见图 ! 。

0’123* 纤维会缠绕在轴 ( 或轴套) 上并随轴同步 旋转, 形成一个 “ 旋转层” 。而在填料函内壁附近, %-(./// 填料 粘 附 其 上, 形成一个 “ 不 动 层” 。这 样, 泵轴的转动使处于填料函中间层的填料层作剪 切运动, 这是因为填料间吸引力极小。其层间摩擦 系数很小。 这种填料具有以下特点: (!) 填料内外层分别 粘附在轴和填料函腔上, 所泵送介质必须击穿填料 才可能外漏, 故在填料的许用范围内达到完全无泄

图 !" 层状剪切填料密封方式

漏的效果; (. ) 由于填料与轴无相对运动, 所以不磨 损轴; (6) 可进行在线修复; (7) 由于填料层间摩擦 系数很小, 比普通填料与轴间的摩擦损耗小, 因而耗 电低; ($) 安装简单; (8) 不需要冲洗; (9) 库存低, 适 应不同填料腔。 这种填料也存在一些不足而限制了其适用范 围。它在高温下, 会分解释放出氧化氢、 二氧化碳和 一氧化碳等有害气体。另外, 其使用压力有限。 在 %-(./// 推出后, 赤士盾公司又推出了在高 温下使用的新一代产品。表 ! 给出了几种产品的使 用条件。

!##$ 年美国赤士盾 ( %&’()*)+, ) 公司推出一 种 新 型 的 革 新 填 料, 即层状剪切式密封填料 %-(./// 。 %-(./// 型填料由纯合成的 0’123* 纤维、 高 纯的石墨、 4)5’ ( 聚四氟乙烯) 、 有机密封剂等材料 混合组成, 形成一种无规格限制的黑色胶状物。 使用时, 在填料函的前后端装入编织环或石墨 填料, 中间用高压注入枪注入 %-(./// 的胶状物, 直至充满。 在 轴旋转运动过程中, %-( . / / / 填 料 中 的
项目 " " 纤维 成分 温度 ; < 压力 ; -4@ 线速度 ( ; B ; C) D& 值 介质 " " 填充物 " " 密封剂 第一代 0’123* 石墨 : 4)5’ 有机密封剂 = !> ? : .// /A 9 > 7 ? !6 水

表 !" 赤士盾产品成分及性能
第二代 0’123* 高分子硅脂 : 4)5’ 有机密封剂 = 7/ ? : ./7 !A / !/ ! ? !6 第三代 特种合成纤维 鳞片状石墨 : 4)5’ 高级有机硅密封剂 = $/ ? : 9$/ !A $ !> ! ? !7 除强酸外

" " 0’123* 纤维是主要用于防弹衣的一种合成的 特种纤维, 具有极高的抗冲击强度和抗拉强度。 国内使 用 %-(./// 填 料 取 得 了 较 好 的 效 益。 例如, 深圳市自来水有限公司用于 !7(3 = !/E 双吸 泵,新疆泽普石化厂用于 !7(& = # 双吸泵,独山子 石化总厂炼油厂用于 !7(& = #3 双吸泵, 南京钢铁 集团有限公司用于 !.(& = 83 双吸泵, 哈尔滨市自 来水公司用于 ./(& = !6 双吸泵, 莱钢用于 !.(& = 83、 .7(& = !# 双吸泵, 中原大化集团有限责任公司 用于污水 泵 中, 韶关发电厂用于低压加热疏水泵 !.$,F = 8$G. 中。他 们 普 遍 反 映: 达到完全无泄 漏, 并且耗电比原来减少, 有的降低耗电达 !$H 。 我国在层状剪切式密封填料方面也进行了一些
[ !] 研究。例 如, 储昭振 采 用 !H ? !A 8H 的 纤 维, 万方数据   !7H ? !>H 的石墨粉, !8H ? ./H 的聚四氟乙烯,

!>H ? ..H 的云母粉, 77H ? 7>H 的聚丙烯酸密封 剂等制成了半固态密封填料, 具有同样的密封原理, 并取得了专利。

#" 磁流体密封
磁流体密封是 9/ 年代发展起来的新型密封技 术。磁流体密封在密封气体和真空中比较成熟, 在 真空密封方面应用比较普遍。在泵中也得到了一些 应用。 磁流体密封的关键是磁流体, 它由磁性的纳米 颗粒, 经过特殊处理后均匀分散到水、 油等液体中形
[ . = 7] 。它是一种具有超顺 成的固液混相的胶体液体 磁特性的液态物质。悬浮的颗粒一般为 5I6 +7 或

其颗粒越小越接近球形, 就越有利 %J+. 的磁性物,

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第 "% 卷

于磁粉微粒作布朗运动。磁流体是不会凝聚沉淀 的, 因为在流体中, 各颗粒间同性斥力比范氏吸力 ( 分子静电吸力) 强。 密封原理为: 永磁体在密封间隙中产生强大磁 场, 紧紧将磁流体吸住, 从而封住泄漏通道以达到密 封的目的。它具有两个特点: (!) 密封能力不依靠 密封表面的压紧力, 所以, 在密封表面之间存在相对 运动的情况下, 它的摩擦力较小, 仅表现为铁磁流体 内部的剪切应力, 因而摩擦功耗、 发热问题可以不考 虑, 并且不存在表面的磨损现象; (") 这种密封可以 完全地实现零泄漏密封, 只要磁铁体密封膜不破坏, 则不存在泄漏。 磁流体密封的结构比较简单, 它由磁铁、 磁极、 轴、 壳体及填入间隙间的磁流体组成。每级密封的 承压能力可达 ( #$ % & #$ ’ )( !# % )*。 磁流体密封具有以下优点: (!) 摩擦损失小, 对 轴 ( 或轴套) 无磨损, 寿命长; (") 当被瞬时高压击穿 后, 如果压力恢复许可范围, 可以自修复; (+) 压力 较高时, 可采用多级密封。 河北机电学院、 华北石油管理局第一机械厂分 别将磁 流 体 应 用 于 氨 水 泵 和 砂 泵 均 取 得 满 意 的 效果。 但是, 磁流体用于泵的密封时还不十分理想。 例如, 泵送介质可能与磁流体的液相载体发生互溶 和亲和, 从而导致磁流体变质、 流失, 致使密封失效。 另外, 磁流体的密封能力较低, 只能密封大约 +# & +% ,)* 的压力。实际上, 一个大气压就需要多 道密封级。
图 +0 串联式干气密封结构
[ %] 干气密封的几个优点 为: (!) 密封使用寿命

图 "0 干气密封密封环

通常情况下, 泵用干气密封可分为 + 种结构, 即 机械密封 1 干气密封, 迷宫密封 1 干气密封 1 干气 密封, 干气密封 1 干气密封。 干气密封结构如图 + , 这是一种机械密封 1 干 气密封的组合密封。介质侧机械密封为主密封, 大 气侧干气密封为副密封。在两道密封之间充入惰性 气体作为隔塞气, 该压力低于被密封的介质压力。 主密封泄漏的微量随着外部引入的惰性气体引至火 炬, 从而确保工艺介质不向大气泄漏。

密封功率消耗小, 仅为接触式机械 密 封 的 长; (") %/ 左右; (+) 可以实现介质的零泄漏; (2) 密封辅助 系统简单、 可靠, 使用中不需要维护。 海南富岛化工有限公司的高压氨泵、 氨水泵、 氨 升压泵采用了约翰克兰的干气密封。中石化股份公 司九江公司化肥厂在离心式高压氨泵中采用了四川 日机密封件有限公司的泵用干气密封。 国外著名的约翰?克兰有限公司、 伊格尔工业 株式会社等生产的干气密封在我国一些要求高的泵 中得到使用。 我国的四川日机密封件有限公司、 丹东克隆集 团有限公司、 辽宁裕通石化机械仪表有限公司等也 先后开始生产这种介质无泄漏的泵用干气密封。

!" 干气密封
干气密封是一种新型的非接触式机械密封, 它 的出现是密封技术的一次革命。这种密封采用 “气 封液” 或 “ 气封气” 的新概念代替了传统的 “ 液封气” 或 “ 液封液” 的旧观念。 ’# 年代末, 国外就开始采用干气密封。这种密 封最初是为了经济高速离心压缩机轴封而研制的, 由于其优良的性能和极长的使用寿命, 在 -# 年代初 期被逐渐应用于离心泵上, 并取得了良好的效果。 干气密封的一个密封环上 ( 金属环) 带有很浅 的大约 #$ ##" % & #$ #! .. 的螺旋槽 ( 参见图 " ) 。 当设备的转子旋转时, 外源密封气在螺旋槽被压缩, 然后膨胀并越过密封面, 产生稍稍打开的密封面间 万方数据   隙, 建立 !##/ 的稳定气膜。

#" 动力密封
动力密封与上述密封相比是廉价的, 是一种可

第 ! 期" " " " " " " " " " " " " " " " " 郭顺贵等:离心泵的轴封技术

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以由泵厂自己加工的普通的无泄漏的密封型式。常 见的动力密封有螺旋密封、 副叶轮密封。 !" #$ 螺旋密封 螺旋密封是一种非接触式的流体动密封, 它是 近几十年发展起来的一种新型旋转轴密封结构, 结 构形式如图 ! 所示。

实践上, 副叶轮密封的降压能力十分有限。因为在 它的前端光面将进行升压。有时, 为了降低副叶片 的光面降压作用, 在副叶片室设置一固定叶片。尽 管如此, 要产生负压区达到无泄漏, 在叶轮背面还需 要设置背叶片。背叶片将泵压水室的压力降低大约 *-. , 剩余的 #-. / %-. 由副叶轮降压。

图 !" 螺旋密封结构示意图

螺旋密封在轴 ( 或轴套) 或密封腔固定内壁加 工螺旋槽, 也有同时在轴 ( 或轴套) 和密封腔固定内 壁加工旋向相反的螺旋槽。 在螺旋密封的间隙内充满粘性液体。当泵运行 时, 螺旋侧壁对流体施加推进力, 进行能量交换, 使 轴的旋转动能转换成粘性流体的压力能, 获得一个 泵送压头。有的资料叫 “ 赶水作用” 。从而阻止介 质的泄漏。 这种密封具有的特点如下: (#) 是一种非接触 式密封, 所以不磨损轴 ( 或轴套) ; ($) 功率消耗低; (%) 径向尺寸小; (!) 可以实现无泄漏。 这种密封在单级离心泵、 多级泵、 油渣泵应用较
[ &] 在 ’(, ’) 泵中应用螺旋密封取得了成 多。张元华

图 +" ’0 型飞铁密封化工泵

通常, 副叶轮密封是按泵进口压力为扬程的 $-. 设计的。若进口压力过高, 可能会使副叶轮密 封无法达到微负压密封。有的生产厂采用串联副叶 轮。 副叶轮密封一般配合停机密封一起使用。但单 独使用副叶轮密封的泵也得到发展。其中一个典型 的例子, 是应用在无密封! 自控自吸泵中。 无密封自控自吸泵是一种立式泵, 在轴封处有 一个或多个串联的副叶轮, 泵在吸上启动过程和正 常运转中达到无泄漏。在泵停机过程中, 副叶轮转 速逐渐降低直至停止, 在此过渡过程中, 泵的出口逆 止阀阻止出口管内流体回流, 泵的轴封处只有少量 泄漏, 该泵利用一个回流管将停机过程中泄漏的介 质引自泵的进液池。

功。 !" %$ 副叶轮密封
[ *] 同螺旋密封一样, 副叶轮密封 也是一种无接

触式动力流体密封。特别是在介质中存在固体颗粒 时, 其将固体颗粒甩离轴 ( 或轴套) 、 保护轴 ( 或轴 套) 不受磨损的独特功能在杂质泵、 化工料浆泵中 应用十分广泛。 图 + 是磷酸料浆泵中常见的副叶轮密封 , 飞铁 密封结构简图。副叶轮密封装置包括副叶轮、 副叶 轮室。副叶轮密封一般较少单独使用。在卧式泵 中, 常常与叶轮背叶片、 停机密封一起使用。 副叶轮密封是利用副叶轮的高速转动, 带动液 体旋转并产生离心力, 在轴颈处产生一个微负压区, 以达到完全不泄漏的效果。
万方数据   !无密封自控自吸泵是制造厂采用的商品名称。

&$ 停机密封
螺旋密封和副叶轮密封等动力密封, 只有在泵 旋转时才起到作用。所以, 一般在动力密封后设置 停机密封。有时, 动力密封只是作为降低压力的辅 助密封。笔者介绍的是达到无泄漏状态的微负压动 力流体密封。微负压的螺旋密封和副叶轮密封都可 以 在正常运行时达到无泄漏, 但是在停机过程它们

"*

+ + + + + + + + + 排+ + 灌+ + 机+ + 械+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

第 "’ 卷

的密封能力逐渐降低直至不起作用。所以, 在其后 需要设置停机密封。 停机密封常见的型式有 (! ) 填料密封; (") 唇型
[ %, &] 油封; (#) ; 离心子锥形填料密封: ($) 飞铁密封 [ !( ] 。填料密封不是理想的停 (’) 液力解脱式车密封

灌时, 轴封可能承受较大的压力。可以安装逆止阀 来解决。 (# ) 当轴封失效时, 泵会产生落水现象。

#" 结" 论
通过对层状剪切填料密封、 磁流体密封、 干气密 封、 动力密封及停机密封等离心泵的轴封技术的综 合评述, 以及国内外运用轴封技术实现无泄漏的成 功案例, 证明了这些技术的合理运用可以有效地解 决离心泵非常头痛的泄漏问题, 从而既降低了损耗, 改善了工作环境, 大大提高了生产区域的安全性, 尤 其是在化工生产当中更具应用价值。但是, 为了达 到真正意义的无泄漏, 可以通过局部结构的改进以 及通过各种方法的联合使用来得以实现, 这些尚需 进一步深入研究探讨。 参考文献 ( $%&%’%()%*)
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机密封, 但它简单, 价格低。所以在杂质泵中普遍采 用。 文献 [ !! ] 认为, 理想的停机密封应当: (!) 泵启 动时及时脱开; (") 停机时及时而迅速地接触, 实现 密封。因此, 飞铁密封较为合适。 飞铁密封 ( 参见图 ’ ) 一般是一种简易的机械密 封。静止时, 由于弹簧力的作用使机械密封的动静 环接触而密封。在泵运行时, 由于离心力的作用, 飞 铁通过杠杆作用推动推力盘, 使机械密封的动静环 脱开。停机时, 离心力失去作用, 弹簧力又将动静环 贴紧而密封介质。 由于泵的启动、 停机过渡过程的原因, 飞铁密封 在启动和停机的瞬间存在微量泄漏。 贵州赤水天化集团有限公司在熔融尿素泵中应 用副叶轮密封 ) 飞铁密封, 开封化肥厂在化工泵中使 用副叶轮密封 ) 飞铁密封泵也取得了较好的效果。

!" 可实现无泄漏的特殊结构泵
如图 * 所示的泵, 它将泵的吸入口改为侧向吸 入。这样泵密封处的压力大大降低。当泵吸上安装 时, 介质在轴封处呈负压状态。密封作用是阻止空 气进入泵腔, 而不是密封介质的泄漏。

图 *+ 特殊结构泵

(") : #( . #$, [ !! ] + 文美纯, 充液膨胀停车密封结构 [ -] , 湘潭大学自然 科学学报, !&&$ , !* (!) : !$( . !$",

这种泵在化工行业已普遍采用, 生产厂家较多。 但该泵使用时应当注意: (!) 当泵灌注安装或 进液罐有压力时, 轴封仍然有泄漏。 (") 泵停机倒 + +

( 责任编辑+ 张文涛)

万方数据  

离心泵的轴封技术
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 郭顺贵, 周先华, GUO Shun-gui, ZHOU Xian-hua 郭顺贵,GUO Shun-gui(浙江金氟隆化工装备有限公司,浙江,金华,321000), 周先华,ZHOU Xian-hua(上海东方泵业集团有限公司,上海,201907) 排灌机械 DRAINAGE AND IRRIGATION MACHINERY 2007,25(4) 5次

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本文读者也读过(3条) 1. 余惠琼.季全凯.符杰.王春志.Yu Huiqiong.Ji Quankai.Fu Jie.Wang Chunzhi 泵无填料轴封的试验研究[期刊 论文]-润滑与密封2006(11) 2. 魏昌.WEI Chang 浅谈离心泵的轴封装置[期刊论文]-纯碱工业2010(3) 3. 王学军.张海涛 干气密封在LPG装车泵上的应用[期刊论文]-化工设计2005,15(2)

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