旋轉(zhuǎn)設(shè)備的密封選擇

旋轉(zhuǎn)設(shè)備的密封選擇

在諸如離心泵和攪拌器等旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，流體密封的首要任務(wù)是在處理過程中保持輸送的流體介質(zhì)。除非在真空條件下，否則密封件很難阻止外界雜質(zhì)的進(jìn)入，這是由于設(shè)備內(nèi)外的正壓差所致。可以有效勝任這種動(dòng)密封任務(wù)的旋轉(zhuǎn)密封設(shè)備有兩種，即簡易的填料密封（一般包括五個(gè)柔韌材料圈）和較復(fù)雜的機(jī)械密封。另一種常見的用于轉(zhuǎn)軸的密封裝置為彈性體唇密封件，它可以有效保護(hù)軸承，但這種密封件的工作壓力不能超過4巴（4 MPa），唇下溫度不能超過200℃。

盡管填料密封發(fā)源于工業(yè)革命之前的傳統(tǒng)密封裝置，但過去100年來材料工藝、潤滑劑系統(tǒng)和制造方法上的持續(xù)進(jìn)步，還是使它始終處于OEM維修應(yīng)用的前沿。

大約20年前，大多數(shù)填料都是石棉基材料制成的，后來隨著其使用的急劇減少和機(jī)械密封應(yīng)用的日益增加，傳統(tǒng)的填料密封產(chǎn)品在一段時(shí)間內(nèi)失去了市場。這激發(fā)了人們對使用膨脹石墨、石墨線、聚四氟乙烯和新型合成纖維制作低摩擦密封填料的高層次研究。

圖1：維修店里可解決大多數(shù)離心泵、往復(fù)泵和閥門管式密封的幾卷密封填料

研究目的在于以相當(dāng)?shù)膬r(jià)格提供比石棉填料具有更好化學(xué)兼容性、抗磨損性、溫度特性和使用壽命的填料。幾年后，在英國政府禁止使用白色石棉制品的命令于1999年11月生效的前十年，先進(jìn)設(shè)計(jì)的新型填料在性能上已全面超越了石棉制品。

在詳細(xì)討論密封選擇的有關(guān)內(nèi)容之前，需要先了解一下填料密封和機(jī)械密封的缺陷和優(yōu)勢。

在對旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行密封時(shí)，填料密封和機(jī)械密封各有自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械密封通常使用的是“安裝即忘記（fit-and-forget）”設(shè)備，一直用到維修期。而填料密封管在流體滲透率過度時(shí)（如超過每幾秒一滴）需要不時(shí)的進(jìn)行調(diào)節(jié)，重新纏繞和壓緊。

填料密封的調(diào)節(jié)過程需要受過專門訓(xùn)練的人員執(zhí)行：開動(dòng)設(shè)備，繃緊密封管，去掉潤滑液膜。密封壓蓋隨動(dòng)件的調(diào)節(jié)不能使?jié)B透率減少到所需水平時(shí)，就需要重新填裝密封管。在這一階段，設(shè)備可以停機(jī)維護(hù)之前，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)通常會(huì)有輕微的過量滲漏。

機(jī)械密封的現(xiàn)場安裝過程是一項(xiàng)冗長而復(fù)雜的任務(wù)，需要清潔的工作環(huán)境和精密調(diào)節(jié)。而且機(jī)械密封對失效少有或沒有警示。這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的流體泄露、泵損壞、設(shè)備停機(jī)和置換或整修成本。定期維護(hù)時(shí)一般要卸掉整個(gè)部件對動(dòng)環(huán)和/或靜環(huán)進(jìn)行置換，還有O形圈或波紋管等橡膠或聚合物組件。整個(gè)置換通常需要花費(fèi)密封裝置原始購價(jià)的50%，由于置換過程需要離開現(xiàn)場進(jìn)行，所以需要重?fù)Q一個(gè)替補(bǔ)密封裝置在短期內(nèi)保持設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。

相同情況下，填料密封的成本效率要遠(yuǎn)高于機(jī)械密封。通常認(rèn)為兩者的經(jīng)費(fèi)比例為1:10，雖然每種情況下有很大差別，小直徑軸（如25毫米以下）上的機(jī)械密封價(jià)格和使用填料密封大致相當(dāng)。

當(dāng)軸直徑超過100毫米時(shí)，就原始成本而言，填料密封的價(jià)值要遠(yuǎn)優(yōu)于機(jī)械密封。特別是對于用在發(fā)電廠、冶金和采礦業(yè)中的高流量泵，填料密封的成本同大型的機(jī)械密封相比，幾乎是可以忽略不計(jì)的。

運(yùn)行參數(shù)

在工作壓力和線速度上，高級機(jī)械密封比填料密封略具優(yōu)勢。不過高級石墨基填料密封管工作在25巴（25 MPa），或25米/秒條件下有效運(yùn)轉(zhuǎn)，特種機(jī)械密封可達(dá)到這一線速度，并在35巴的工作壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)，盡管在旋轉(zhuǎn)密封中通常無此要求。

兩種密封裝置都可處理化學(xué)侵蝕性和磨損性的介質(zhì)，也適用于經(jīng)美國食物及藥品管理局（FDA）和英國皇家水資源管理認(rèn)證（WRAS）等機(jī)構(gòu)認(rèn)可的食品和飲用水。許多聚四氟乙烯和石墨線基填料密封管在pH值0~14之間具有良好的化學(xué)兼容性，特制的機(jī)械密封組件亦可承受這一范圍內(nèi)的化學(xué)作用。

例如，制作機(jī)械密封動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的材料包括樹脂結(jié)合石墨、摻雜聚四氟乙烯化合物以及化學(xué)兼容性和抗磨損性最高的陶瓷。密封件主體材料為相應(yīng)的高性能合金。

在高磨損性的介質(zhì)和泥漿中使用填料密封時(shí)，應(yīng)使用“犧牲性的”軸套保護(hù)轉(zhuǎn)軸免遭磨損和/或把沖洗液導(dǎo)入填料環(huán)系統(tǒng)以阻止磨料接觸主密封環(huán)。沖洗液由殼體輸入軸上的套環(huán)中，其壓力應(yīng)比系統(tǒng)壓力高1巴（1 MPa）。沖洗液分布于填料環(huán)周圍和下部以阻止磨粒的進(jìn)入。

還可以使用類似的技術(shù)來防止毒性或有害介質(zhì)的泄露。以高于系統(tǒng)內(nèi)的壓力，將無害隔離液通過套環(huán)導(dǎo)入，形成潤滑液膜以阻止輸送的介質(zhì)泄露到環(huán)境中，但系統(tǒng)必須可以承受由隔離液造成的低度稀釋。必要時(shí)，液體冷卻劑也可以通過這種方式導(dǎo)入。

溫度限制

填料密封和機(jī)械密封的工作溫度范圍幾乎完全由它們的制作材料決定。機(jī)械密封的限制因素在于其中的彈性體和聚合物基部件，如O形圈或波紋管。高性能彈性體的工作溫度一般在150℃~250℃之間，全氟彈性體可以達(dá)到315℃，而聚四氟乙烯的安全工作溫度上限為260℃。由聚四氟乙烯纖維和彈性體包芯紗編織成的填料具有相似的工作溫度范圍。

新型的填料由添加了高級潤滑劑的各種合成和天然材料制成（見表3）。純聚四氟乙烯和同時(shí)含有石墨纖維和聚四氟乙烯的填料，其工作溫度范圍受聚四氟乙烯材料所限，這兩種類型的填料密封管工作溫度下限可至零下100℃。在這樣的低溫下，機(jī)械密封的彈簧需由進(jìn)口合金制成才能有效工作。

由膨脹石墨絲編織成的填料的綜合性能可能是最好的。其在非氧化環(huán)境下工作溫度范圍為零下200℃至850℃（氧化條件下為450℃），此類制品線速度為25 m/s，工作壓力為25巴，化學(xué)介質(zhì)pH值范圍為0~14，不過需要避免使用強(qiáng)氧化劑。

對于一般應(yīng)用，取代了石棉和天然纖維制品的各類填料具有很高的可靠性和最高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此類填料通常由玻璃纖維和其他合成絲制成，其工作溫度范圍大約在零下40℃至350℃，具有各種軸線速度、工作壓力和化學(xué)兼容性，可適應(yīng)多種用途。

傳統(tǒng)的天然絲制填料（如棉、麻或苧麻）在旋轉(zhuǎn)應(yīng)用中以使用壽命長、對轉(zhuǎn)軸磨損低而聞名，它們在用于礦物油或水類介質(zhì)的密封時(shí)工作溫度大致為100℃，壓力為20巴。（令人驚奇的是，苧麻這種熱帶蕁麻植物制成的絲線具有很高的強(qiáng)度和韌性，用它制成的填料密封管可以在往復(fù)式設(shè)備的超高壓力下工作：250bar，特定條件下可以達(dá)到700bar）。正如所料，天然絲的化學(xué)兼容性大大受到其可容pH范圍的限制。

機(jī)械密封在離心泵中扮演著重要角色，但大型機(jī)
械密封件原始成本和整修成本較高。

不良動(dòng)力條件

當(dāng)動(dòng)力條件比較惡劣時(shí)，填料密封的性能要優(yōu)于機(jī)械密封。這里我們指的是由于磨損的轉(zhuǎn)軸/軸承或支撐不足引起的旋轉(zhuǎn)偏心。機(jī)械密封需要非常精確地安裝（在工廠中采用模塊化設(shè)計(jì)，在現(xiàn)場采用其它型式），如此，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)可以很好地匹配，有效工作。偏心或離心力會(huì)對密封設(shè)備產(chǎn)生相當(dāng)大的負(fù)荷，使之對轉(zhuǎn)軸起到軸承一樣的作用——一種不能在任何時(shí)期都起作用的功能。

特別設(shè)計(jì)的填料可以吸收離心力。此類填料通常具有耐高溫的彈性體芯，受壓后可以很快恢復(fù)，這樣可使編織密封面與快速移動(dòng)的偏心軸保持緊密接觸。

另外一類可在不良動(dòng)力條件下非常有效的填料是“注入”類型。纖維/填料（如芳綸纖維、石墨或聚四氟乙烯）和潤滑劑的均勻混和物通過閥門，壓注到傳統(tǒng)填料兩個(gè)端環(huán)間的密封蓋中。然后以常用的方法調(diào)節(jié)密封蓋隨動(dòng)件壓緊填料，形成密封。

由于這類“散裝”材料可以輕易地填滿任何空隙，因此它們可以克服轉(zhuǎn)軸磨損和不規(guī)則形狀的殼體所帶來的密封問題。另外密封套管可以通過加壓注入快速進(jìn)行重新填充，不必拆掉外蓋，大大節(jié)約了維修和設(shè)備停機(jī)時(shí)間。
盡管有這么多優(yōu)點(diǎn)，注入型填料密封的使用還是呈下降趨勢。因?yàn)橐_定何時(shí)何地使用它們才能取得最好效果比較困難，對于這一點(diǎn)聽取產(chǎn)品制造商的專家技術(shù)建議非常重要。

結(jié)論：“最佳效益”和“總擁有成本”是現(xiàn)在所有商業(yè)、工業(yè)和公共服務(wù)部門采用的標(biāo)準(zhǔn)。對旋轉(zhuǎn)設(shè)備密封方式和密封產(chǎn)品的選擇也可按此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估。

選擇密封設(shè)備需考慮的基本因素比較簡單，一般包括資金成本、安裝時(shí)間、運(yùn)行成本、使用壽命預(yù)期以及整修或置換問題。不過由于流體密封與它們所保護(hù)的處理過程相比，成本是相對較低的，因此還應(yīng)該把其它因素考慮在內(nèi)，如意外停機(jī)、泄露所造成的衛(wèi)生、安全和環(huán)境問題以及流體損失的成本。

在其它因素相同的情況下，如果重點(diǎn)是保持設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)直至下一次預(yù)定停機(jī)，同時(shí)允許低水平的介質(zhì)泄露和稀釋，那么填料密封就是最可靠和最經(jīng)濟(jì)的選擇。同時(shí)長型填料還可用于閥門和往復(fù)式設(shè)備中，這增加了它們的儲(chǔ)存價(jià)值。

如果旋轉(zhuǎn)設(shè)備的動(dòng)力條件良好，不允許有介質(zhì)泄露或稀釋，那么機(jī)械密封就是比較現(xiàn)實(shí)的選擇：只需偶合面保持潤滑（大多數(shù)機(jī)械密封的要求）以及所有遭磨損的部件在工作期內(nèi)都能得到很好置換即可。