羅峰
（中國(guó)神華煤制油化工有限公司北京工程分公司工程技術(shù)管理部）

　　導(dǎo)讀：在煤制油化工裝置中，存在許多有毒、有害、易燃、易爆介質(zhì)，如甲醇、乙烯、硫化氫一氧化碳、輕烴等。機(jī)泵輸送此類(lèi)介質(zhì)對(duì)密封要求較高，按照現(xiàn)代的管理要求，不允許泄露。
　　目前，使用技術(shù)一般有三類(lèi)，采用無(wú)泄漏泵如屏蔽泵、磁力泵、隔膜泵等，對(duì)于必須使用離心泵時(shí)，采用雙重機(jī)械密封或干氣密封。基本上大部分適用雙封的場(chǎng)合都可以使用干氣密封，在技術(shù)上來(lái)講都是可行的。
　　那么雙重密封與干氣密封，哪個(gè)更好，常常困擾許多使用者。本文以神華某煤化工項(xiàng)目?jī)艋b置煤化工凈化裝置主洗泵為例，對(duì)雙重密封和干氣密封進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的對(duì)比，希望能為更多在此領(lǐng)域的用戶提供選擇的參考。
　　1.機(jī)械密封
　　機(jī)械密封原理
　　機(jī)械密封是指由至少一對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力(或磁力)的作用下以及輔助密封的配合下保持貼合并相對(duì)滑動(dòng)而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。

　　機(jī)械密封主要有以下四類(lèi)部件組成。主要密封件:1靜環(huán)、2動(dòng)環(huán)；輔助密封件、6旋轉(zhuǎn)輔助密封圈、8靜止輔助密封圈；壓緊件、3彈簧；傳動(dòng)件、4彈箕座及5鍵或固定螺釘，7防轉(zhuǎn)銷(xiāo)、9壓蓋。
　　機(jī)械密封中流體可能泄漏的途徑有如圖1中的A.B，C，D四個(gè)通道。C.D泄漏通道分別是靜止環(huán)與壓蓋、壓蓋與殼體之間的密封，二者均屬靜密封。B通道是旋轉(zhuǎn)環(huán)與軸之間的密封，當(dāng)端面摩擦磨損后，它僅僅能追隨補(bǔ)償環(huán)沿軸向作微量的移動(dòng)，實(shí)際上仍然是一個(gè)相對(duì)靜密封。因此，這些泄漏通道相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易封堵。
　　靜密封元件Z常用的有橡膠O形圈或聚四氟乙烯V形圈，而作為補(bǔ)償環(huán)的旋轉(zhuǎn)環(huán)或靜止環(huán)輔助密封，有時(shí)采用兼?zhèn)鋸椥栽δ艿南鹉z、聚四氟乙烯或金屬波紋管的結(jié)構(gòu).A通道則是旋轉(zhuǎn)環(huán)與靜止環(huán)的端面彼此貼合作相對(duì)滑動(dòng)的動(dòng)密封，它是機(jī)械密封裝置中的主密封，也是決定機(jī)械密封性能和壽命的關(guān)鍵。
　　如圖2所示機(jī)械密封工作時(shí)，由密封流體的壓力和彈性元件的彈力等引起的軸向力使動(dòng)環(huán)和靜環(huán)互相貼合并相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于兩個(gè)密封端面的緊密配合，使密封端面之間的交界(}封界面)形成一微小間隙，當(dāng)有壓介質(zhì)通過(guò)此間隙時(shí)，形成極薄的液膜，產(chǎn)生阻力，阻止介質(zhì)泄漏，同時(shí)液膜又使得端面得以潤(rùn)滑，獲得長(zhǎng)期密封效果。

　　雙重機(jī)械密封
　　有毒有害介質(zhì)時(shí)為了取得更好的密封效果，采用雙重密封，根據(jù)密封液系統(tǒng)壓力可分為有壓雙封(雙端面機(jī)械密封)和無(wú)壓雙封(串聯(lián)式機(jī)械密封)。
有壓雙封密封液系統(tǒng)的壓力一般要比一級(jí)密封前的壓力高0.01-0.03MPa。這樣一級(jí)密封泄漏時(shí)，密封液會(huì)進(jìn)入泵內(nèi)，確保了泵內(nèi)介質(zhì)不會(huì)泄漏到外界。由于密封液進(jìn)入泵內(nèi)，密封液系統(tǒng)壓力、液位降低，可以實(shí)現(xiàn)密封的泄漏監(jiān)測(cè)和報(bào)警。
　　無(wú)壓雙封密封系統(tǒng)內(nèi)的壓力一般為常壓或微壓，低于一級(jí)密封前的密封腔壓力。當(dāng)一級(jí)密封泄漏時(shí)，泵內(nèi)介質(zhì)會(huì)進(jìn)人密封液系統(tǒng)，導(dǎo)致密封液系統(tǒng)的壓力和液位升高，可以通過(guò)壓力開(kāi)關(guān)或液位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)泄露監(jiān)測(cè)和報(bào)警。通過(guò)密封液系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)雙端面機(jī)械密封失效與否，也是其區(qū)別于單端面機(jī)械密封Z主要的形式之一。
　　有壓雙封(雙端面機(jī)械密封)原理與單端面機(jī)械密封基本相同，都是靠垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面（摩擦副）在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力的作用以及輔助密封的配合下保持貼合并相對(duì)滑動(dòng)而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　雙端面機(jī)械密封不僅僅是單端面機(jī)械密封的重復(fù)，在化工一些重點(diǎn)場(chǎng)合，可有效地防止危險(xiǎn)、有毒、易燃、易爆物質(zhì)的泄漏，具有高性能保險(xiǎn)作用。在密封高壓介質(zhì)時(shí)，可以合理的分配每個(gè)密封的兩端壓差，提高密封的工作壓力范圍。對(duì)一些自潤(rùn)滑性差、易凝結(jié)、汽化介質(zhì)，通過(guò)在密封腔體注入密封液改善密封的工況，大大提高密封的效率和使用壽命。
　　工作時(shí)，由流體壓力(介質(zhì)壓力)和彈性元件的彈力等引起的合力作用下，在密封環(huán)的端面上產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)谋葔海▔壕o力），使兩個(gè)接觸端面(動(dòng)環(huán)、靜環(huán)端面)相互緊密貼合，并在兩端面間極小的間隙中維持一層極薄的液膜，從而達(dá)到密封的目的。雙端面機(jī)械密封有兩道端面密封，若一級(jí)密封失效，二級(jí)密封仍然可密封，防止泄露。一般雙端面密封都需要外供密封液系統(tǒng)，向密封腔內(nèi)引入封液進(jìn)行堵封、潤(rùn)滑和冷卻，且多為循環(huán)冷卻使用。密封液不僅可以沖洗摩擦副改善機(jī)械密封工作環(huán)境，還可以作為一級(jí)密封面是否失效的重要檢測(cè)手段。
　　與單端面機(jī)械密封相比，雙端面機(jī)械密封多一個(gè)摩擦副。可分為面對(duì)面、背對(duì)背兩種形式。
　　面對(duì)面雙端面機(jī)械密封有靜環(huán)面對(duì)面和動(dòng)環(huán)面對(duì)面兩種形式。靜環(huán)面對(duì)面是一整體動(dòng)環(huán)，動(dòng)環(huán)面對(duì)面一整體靜環(huán)。但是由于加工精度、機(jī)械密封失效后更換成本等問(wèn)題面對(duì)面式雙封在流體泵用機(jī)械密封中使用較少，一般應(yīng)用于密封腔尺寸較小的場(chǎng)合。背靠背或串聯(lián)機(jī)械密封已經(jīng)完全可以覆蓋面對(duì)面機(jī)械密封的適用工況。輕烴、黏性、聚合流體、有害氣體采用干氣密封、非接觸設(shè)計(jì)可以采用面對(duì)面機(jī)械密封。面對(duì)面機(jī)械密封要求封液壓力大于介質(zhì)壓力，屬于有壓雙封，不然內(nèi)側(cè)機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)受力不合理。面對(duì)面結(jié)構(gòu)多用于集裝式結(jié)構(gòu)，既可以做單端面，又可加封液做成雙端面。

　　背對(duì)背式雙端面機(jī)械密封亦可做成集裝性，拆裝方便，檢修容易，因此使用較多。背對(duì)背式雙封分別有兩動(dòng)環(huán)和兩靜環(huán)，一級(jí)密封為外流式。因其適用工況寬，應(yīng)用廣泛，狹義上的雙端面機(jī)械密封專(zhuān)指背對(duì)背式雙端面機(jī)械密封。背對(duì)背式雙封屬于有壓雙封，當(dāng)一級(jí)密封失效后密封液系統(tǒng)的壓力和液位都會(huì)降低。密封液循環(huán)的動(dòng)力由內(nèi)置泵效環(huán)提供。
　　圖6所示為無(wú)壓雙封(串聯(lián)機(jī)械密封)是兩組單端面機(jī)械密封組成串聯(lián)雙端面機(jī)械密封兩套密封延同一方向布置，密封腔壓力逐級(jí)降低，介質(zhì)不至外漏。串聯(lián)雙端面密封由于其結(jié)構(gòu)緊湊，可適用于軸徑尺寸不大，軸向尺寸小，隨轉(zhuǎn)速較大的中等載荷的場(chǎng)合。內(nèi)端為平衡型機(jī)械密封，外端為非平衡型帶泵效環(huán)機(jī)械密封。封液提供密封面的冷卻潤(rùn)滑，靠?jī)?nèi)置泵效環(huán)循環(huán)。

　　2.干氣密封
　　2.1原理簡(jiǎn)述
　　一般來(lái)講，典型的干氣密封包含了靜環(huán)、動(dòng)環(huán)組件(旋轉(zhuǎn)環(huán))、副密封O形圈、靜密封、彈簧和彈簧座(腔體)等。靜環(huán)位于不銹鋼彈簧座內(nèi)，用副密封O形圈密封。彈簧在密封無(wú)負(fù)荷狀態(tài)下使靜環(huán)與固定在軸上的旋轉(zhuǎn)環(huán)——動(dòng)環(huán)組件配合，如圖7所示。
　　在動(dòng)環(huán)組件和靜環(huán)配合表面處的氣體徑向密封有其先進(jìn)獨(dú)特的方法。配合表面平面度和光潔度很高，動(dòng)環(huán)組件配合表面上有一系列的螺旋槽，如圖8所示。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，氣體被向內(nèi)泵送到螺旋槽的根部，根部以外的一段無(wú)槽區(qū)稱為密封壩。密封壩對(duì)氣體流動(dòng)產(chǎn)生阻力作用，增加氣體膜壓力。

　　配合表面間的壓力使靜環(huán)表面與動(dòng)環(huán)組件脫離，保待一個(gè)很小的間隙，一般為3微米左右。當(dāng)由氣體壓力和彈簧力產(chǎn)生的閉合壓力與氣體膜的開(kāi)啟壓力相等時(shí)，便建立了穩(wěn)定的平衡間隙。在動(dòng)力平衡條件下，作用在密封上的力如圖9所示。

　　閉合力Fc，是氣體壓力和彈簧力的總和。開(kāi)啟力Fo是由端面間的壓力分布對(duì)端面面積積分而形成的。在平衡條件下Fc=Fo，運(yùn)行間隙大約為3微米。
如果由于某種干擾使密封間隙減小，則端面間的壓力就會(huì)升高，這時(shí)，開(kāi)啟力Fo大于閉合力Fc，端面間隙自動(dòng)加大，直至平衡為止。如圖10所示。

　　類(lèi)似的，如果擾動(dòng)使密封間隙增大，端面間的壓力就會(huì)降低，閉合力Fc大于開(kāi)啟力Fo，端面間隙自動(dòng)減小，密封會(huì)很快達(dá)到新的平衡狀態(tài)，見(jiàn)圖11。

　　這種機(jī)制將在靜環(huán)和動(dòng)環(huán)組件之間產(chǎn)生一層穩(wěn)定性相當(dāng)高的氣體薄膜，使得在一般的動(dòng)力運(yùn)行條件下端面能保持分離、不接觸、不易磨損，延長(zhǎng)了使用壽命。
　　離心泵輸送的介質(zhì)為液體。根據(jù)不同工況條件，可采用雙端面干氣密封和串聯(lián)干氣密封。
　　2.2雙端面干氣密封
　　雙端面干氣密封可以用在絕大多數(shù)離心泵的軸封上，它具有以下特點(diǎn)：用“氣體阻塞”替代傳統(tǒng)的“液體阻塞”原理，即用帶壓密封氣替代帶壓密封液，保證工藝介質(zhì)實(shí)現(xiàn)“零逸出”;整套密封非接觸運(yùn)行，其功率消耗僅為傳統(tǒng)雙端面密封的5%，使用壽命比傳統(tǒng)密封長(zhǎng)5倍以上；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的輔助系統(tǒng)，保證工藝介質(zhì)不受污染及工藝介質(zhì)不向大氣泄漏，徹底擺脫了傳統(tǒng)雙端面機(jī)械密封對(duì)油系統(tǒng)的依賴。密封氣采用工業(yè)氮?dú)饣蚬I(yè)儀表風(fēng)，其壓力高于介質(zhì)0.15-0.2MPa。
　　泵用雙端面干氣密封的不足之處是：需要一定壓力的氣源，氣源壓力至少高于介質(zhì)壓力0.2MPa；有微量氣體進(jìn)入工藝流程。
　　2.3串聯(lián)式干氣密封
　　泵用串聯(lián)式干氣密封具有如下特點(diǎn)：干氣密封與接觸式機(jī)械密封串聯(lián)使用，機(jī)械密封為主密封，干氣密封為次密封；干氣密封與主密封間通入氮?dú)?，保證主密封具有一定背壓，極大地延長(zhǎng)主密封的使用壽命;主密封泄漏的工藝介質(zhì)隨密封氣排入火炬，保證工藝介質(zhì)不向大氣泄漏，是一種環(huán)保型密封;主密封失效后，干氣密封短時(shí)間內(nèi)起到主密封作用，防止工藝介質(zhì)向大氣大量泄漏。該類(lèi)密封使用壽命取決于機(jī)械密封的使用壽命，一般在2-3年左右。該密封主要用于易揮發(fā)介質(zhì)的場(chǎng)合，如液態(tài)烴類(lèi)介質(zhì)；對(duì)密封氣壓力要求不高。
　　泵用串聯(lián)干氣密封的不足之處是：該密封還不是完全意義上的干氣密封，其總體性能介于機(jī)械密封和干氣密封之間。該密封適用于易揮發(fā)介質(zhì)的場(chǎng)合，使用范圍較窄。
　　3.選型比較
　　神華煤化工項(xiàng)目?jī)艋b置煤化工凈化裝置主洗泵密封選型比較
　　3.1主洗泵工藝參數(shù)
　　介質(zhì)：甲醇
　　入口壓力：0.447MPa(a)
　　出口壓力：7.05MPa(a)
　　流量：322m³/h
　　揚(yáng)程：691.1m
　　入口溫度：-64℃
　　3.2雙重機(jī)械密封選型
　　(1)甲醇為有毒有害介質(zhì)，不允許泄露到大氣中。
　　(2)此工況情況下，由于介質(zhì)溫度較低，密封在運(yùn)轉(zhuǎn)中，會(huì)吸收大量熱量，導(dǎo)致密封面外側(cè)極易結(jié)冰，致使密封面磨損。
　　(3)工藝要求介質(zhì)不允許受到污染。
　　基于此以上原因，推薦選用沖洗方案為PLAN11+52+62
　　PLAN11：介質(zhì)從泵的吐出口經(jīng)過(guò)流量控制孔板(如果必要的話)到密封，液體進(jìn)入鄰近機(jī)械密封端面的密封室沖洗端面，液體經(jīng)過(guò)密封返回泵中，保持密封端面產(chǎn)生的摩擦熱及時(shí)帶走，從而改善密封工作環(huán)境。

　　PLAN52：利用壓力小于工藝流體壓力但不低于大氣壓力的緩沖液，注入密封室中。由于緩沖液壓力小于工藝流體壓力，少量工藝流體泄漏至緩沖液中，即在外側(cè)密封室中，循環(huán)至密封系統(tǒng)或放空系統(tǒng)中進(jìn)行處理，從而避免工藝流體的直接排放大氣和環(huán)境的污染。本泵使用工業(yè)白油作為緩沖液。如圖13。

　　PLAN62：采用外供急冷液沖洗密封面大氣側(cè)。急冷液可使用蒸汽、氮?dú)饣蚯鍧嵥?，本泵考慮介質(zhì)的低溫性，使用0.2-0.7Bar低壓氮?dú)膺M(jìn)行吹掃，防止外側(cè)密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)吸收周?chē)鸁崃拷Y(jié)冰，導(dǎo)致密封面破損。如圖14。
　　如圖15該泵密封系統(tǒng)需配置兩個(gè)緩沖罐，其上設(shè)有溫度、壓力、液位開(kāi)關(guān)，并且外側(cè)密封需要配置低壓氮?dú)獯祾摺Ｒ坏┲髅芊庑孤稌r(shí)，外側(cè)密封液位上升，壓力增高，使得壓力或者液位進(jìn)行報(bào)警，從而判斷密封泄露進(jìn)行檢修。

　　3.3干氣密封選型
　　甲醇為碳?xì)浠衔?，在低溫下極易氣化，并且如采用接觸式密封產(chǎn)生的摩擦熱會(huì)加劇密封面間液膜不穩(wěn)定狀態(tài)，因此推薦采用雙端面干氣密封。
　　本泵選用雙端面干氣密封。沖洗方案PLAN74
　　PLAN74：由外部提供隔離氣——氮?dú)?，通常氮?dú)鈮毫?yīng)高于主密封腔介質(zhì)壓力，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定隔離氣應(yīng)高1.75-2bara(25psi-30psi)，隔離氣由有過(guò)濾器，調(diào)壓筏，流量計(jì)，單向閥，壓力表和壓力開(kāi)關(guān)組成的控制板提供，隔離氣的泄露方向一是通過(guò)主密封面向主密封腔泄露，另一是通過(guò)外側(cè)非接觸干氣密封向大氣側(cè)正常泄露，同樣實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的零泄露。
　　需配過(guò)濾器、調(diào)壓閥、流量指示劑、壓力表、壓力開(kāi)關(guān)等，還需配給0.8MPa(a)的穩(wěn)定潔凈氮?dú)狻?/div>