高溫,高壓,高速,低溫等特殊機封介紹

高溫機械密封

機械密封的工作溫度超過80℃時就作為高溫機械密封(有的密封公司以工作溫度>90℃為界限)，在高溫下，密封主要間題有下列幾項:密封端面液體汽化，摩擦副的熱應力和熱變雍，組合件、鑲嵌件可能因配合不當而鬆脫，輔助密封圈因高溫引起的老化、龜裂、粘結和彈性消失，彈簧疲勞和強度降低，材料的腐蝕和磨損加快.

一、高溫機械密封的要求

1.選用耐高溫的密封材料

在高溫下，材料的耐溫性能顯得特別重要，合理選用密封材料可使一般結構的機械密封仍能適用於高溫工作條件，簡化手續，節省開支.表10 -1列出不同密封材料的使用極限溫度.

2.採用金屬波紋管型機械密封或金屬波紋管與普通機械密封相結合的密封結構

從耐熱性能來看，輔助密封圈是機械密封上最薄弱環節，當溫度超過80℃時普通橡膠已不適用，溫度超過230~250℃，聚四氟乙烯也不能使用.此外，由於高溫、易燃介質的裂解物沉積會使彈簧阻塞.所以，當溫度超過220℃時就應採用金屬波紋管型機械密封，或者採用金屬波紋管與普通機械密封相結合的密封結構.

3.採取冷卻措施

在高溫下，為了使密封可靠運行，儘可能對機械密封進行冷卻，要避免在幹摩擦狀態下工作.必須保持密封間隙中的溫度在密封液的汽化溫度以下.

冷卻措施就是對密封進行溫度控制，常用的溫度控制有衝洗、阻封、加強液體循環等(詳見第七章第一節溫度控制裝置)。在高溫下，還可採用以下措施:

(1)用Diphy1(二苯及二苯氧化物的混合物)作為阻封液，它是冷態無壓的換熱劑(阻封液由泵效螺旋輸送);

(2)在超高溫下或者沒有適當的液體時，也可通人氮氣、氬氣，以防止空氣引起的氧化.

4.鑲嵌摩擦副問題

密封環鑲嵌是充分利用端面材料和基體材料的特性，提高材料使用價值，一般對高溫密封採用熱鑲法.但是，由於端面耐磨材料和基體材料的熱脹係數有差異，在高溫下使用時會產生摩擦環鬆動、脫落。因此，對鑲嵌結構的摩擦環採用的溫度應予以特別注意.熱鑲結構產生鬆動、脫落的原因，除了與使用溫度有關外，還與軸徑尺寸有關.當摩擦副環基體為不鏽鋼、高鎳合金、欽合金時，熱鑲硬質合金的允許使用溫度對不同軸徑的關係如圖10-9所示.

5.摩擦副環與軸之間的許用間隙

高溫條件下，由於摩擦副環與軸兩者的熱脹係數的差異，會出現摩擦副環與軸之間間隙趨近於零的現象，因而造成摩擦副環浮動性消失導緻密封失效。所以在設計時必須合理和正確選擇摩擦副環與軸之間的間隙。

二、高溫機械密封實例

1.布格曼公司的HSHF+MFL型密封

芳烴裝置循環油泵GA-102AB.功率1650kW，轉速6748r/ min,輸送介質為汽油，操作溫度262~284度，進口壓力0.87MPa，出口壓力~175MPa，機械密封採用布格曼公司HSHF+MFL混合結構，這是適合高溫、高壓和高速工作條件下的密封。這裡HSHF是單端面、流體動壓式帶泵效螺旋結構MFL是單端面金屬波紋管結構.HSHF和MFL都是彈簧靜止式，以適應高速運轉的要求.該密封從結構上布置成串聯式，裝於油泵的吸人端和排出端，因HSHF帶有泵效螺旋，它與軸的旋轉方向有關.在吸入端的泵效套(12A)是右螺旋，泵效外殼(25A)提左螺旋;在排出端的泵效套(12B)是左螺旋，泵效外殼(25B)是右螺旋，安裝時按圖上要求裝配不能搞錯.，

圖10-10為HSHF2/ 103+MFL65 / 88的結構圖.

2.Y4D型金屬波紋管密封(圖3-22)

Y4D型金屬波紋管密封是Eagle公司用於低壓((0.5MPa以下)，溫度-200~+400℃密封。波紋管採用Inconel 718材料，這種合金的耐氧化性能可達980℃，在-196℃的低溫下屈服強度可達1426N/mm2.因此，Inconel 718在高低溫條件下都適用.尤裡卡裝置中凡高溫的減壓渣油，KSK油，輕、重瓦斯油的密封都採用Y4D型金屬波紋管機械密封.

3. 59B型密封(圖3-10)

雖然59B型密封的使用溫度範圍為-50~十230℃，如果泵送介質藉助於輸送裝置，通過冷卻器再進人密封，則59B型密封仍可用於介質溫度大於230℃的場合.例如，芳烴裝置釜液泵GA-116AB的介質溫度為290℃，就是採用外冷卻的59B型密封.

4.上海水泵廠605系列波紋管機械密封介紹

上海水泵廠引進美國EG&G SEALOL公司技術，已生產多種系列的密封，其中605系列是焊接波紋管機械密封，它的型號、規格和使用性能如表10-2所示.

高壓機械密封

通常認為，當機械密封的工作壓力超過4~5MPa時就視作高壓，有的密封公司把工作壓力達到3MPa就作為高壓;有的公司以PV值大小來衡量;有的公司則將壓力和溫度一起考慮.

一般認為在高壓下，由於機械和熱變形危害機械密封的功能和可靠性，壓力越高，危害性越大.所以，用於極高壓力的密封比標準型密封要求設計改進，不僅在開啟力和閉合力之間有嚴格比率，而且要求整個密封結構經得住高壓而不變形，此外，還要維持穩定的液膜以保證密封性能.

一、高壓機械密封的要求

1.增大密封零件截面

對轉動零件的截面要加大，靜環也相應有較大的截面，不要在靜環外徑上有臺階或開槽.但要注意，隨著密封面寬度b的增加，熱變形和磨損也隨之增加，同樣要增加壓蓋的厚度以防變形和能承受壓力.使用重載荷彈簧，使用較大直徑的銷子以適應較大的啟動扭矩.

2.提高密封零件的加工精度

(1)壓蓋底部裝靜環的幢孔面要保證高的平直度，因為在高壓下，任何表面上的高出點會傳給靜環而引起洩漏;

(2)提高密封面內外徑和寬度的加工精度，因為在高壓時，，密封內外徑和寬度的精度對比壓的變化有明顯的影響.密封端面研磨、.拋光後的粗糙度為Ra0.05~0.025(12~13)，平直度必須限制在1個光帶以內.此外，摩擦端面的垂直度和軸的精度也要相應提高.

注意在高壓下因不同介質所造成的衝刷腐蝕和磨損，圖10-12 (a), (b)表示不同摩擦副材料在不同的轉速下介質為烴和水及水溶液時壓力與密封尺寸的關係.

5採用流體動壓式機械密封

流體動壓式(也稱流體動力式，熱流體動壓式)機械密封是考慮在高壓和摩擦熱的情況下，密封縫隙中的潤滑膜穩定性而研製成的新型密封面結構，圖10-13(a), (b)是熱流體動幾式機械密封槽的布置圖，這種結構類似形式很多(見圖4-8)，它的熱流體動力效應是在密封上形成，在密封環旋轉的時候，槽能使液體強烈地冷卻距它較遠的密封表面。進行這種冷卻時，在密封環的初始表面上形成與槽數相等的流體動力楔和高壓區.由於切向流和壓力降，在每一個槽後形成慧星狀潤滑楔(圖10-14).因此，隨著密面上載荷與滑動速度的增加，摩擦係數反而減小(圖10-15).

二、布格曼公司HSHF型高壓機械密封介紹

芳烴裝置加料泵液力透平GAT-101A，功率968kW，轉速6748r/ min，輸送介質為烴類，使用溫度43~39度，進口壓力15.33MPa，出口壓力1.9Mpa，機械密封是布格曼公司HSHF型高壓密封，其定型產品為單端面、流體動壓式帶泵效螺旋的結構.原工作參數P = 5(14) MPa, t = 300'C , V

用於液力透平進口端密封是HSHF D3/95規格，泵效套(6A)是右螺旋，泵效外殼(16A)是左螺旋;用於出口端密封是HSHF D4/95規格，泵效套(6B)是左螺旋，泵效外殼(16B)是右螺旋.因此，這兩套密封與旋轉方向有關，進出口端不能裝錯，泵效套也不能互換。

高速機械密封

當線速度超過25~30m/s時，可視為高速，有的密封公司把滑動面速度高達33m/s，才作為高速機械密封.』我國ZBJ22-001-88規定密封端面平均線速度為25~100m/s時為高速機械密封，密封端面平均線速度大於100m/S時為超高速機械密封.

在高速時，由於離心力的影響，造成振動和不平衡度，高速如同高壓一樣，產生熱變形、熱應力裂紋及磨損物、沉澱物引起洩漏損失，而且這種損失將隨滑動速度的增加而強烈地增加.

一、高速機械密封的要求

1.減少轉動件的重量(質量)，提高動力平衡度

高速時，離心力的影響使彈簧扭曲和偏離銷孔中心，因此，彈簧必須是靜止式。這樣減少了轉動件的重量及由此造成的不平衡度。

2.及時排除摩擦熱

加大冷卻介質的流量，高速泵為10~20L/min，有的高速密封的衝洗量達50~100 L/min。

用油作阻封液時，為了使氣體的溶解度和結焦儘量小，應選用粘度低的油。如摩擦副處於高溫條件下工作時，要盡一切可能使密封液在蒸發時不留殘渣，所以使用聚乙二醇這類合成介質作阻封液，

3.及時檢查滑動端面磨損量

當端面磨損量達到0.005mm時，就要對端面進行研磨，並重新檢查端面粗糙度和平直度。

二、9AB型高速泵機械密封。

用於壓縮機的高速機械密封的直徑較大，而用於高速泵的機械密封尺寸一般都在2in左右.高速泵用的機械密封以美國約翰克蘭公司(John Crane Packing Company)的9AB型密封最為典型[圖10-17(a), (b)]，這種密封常用在美國Sundstrand公司高速泵的齒輪箱和泵體的密封上.

為了節省空間並獲得較高的重量與功率比，無論泵的結構和機械密封結構都很緊湊，一般石油化工公司都引進這種高速泵『，目前揚子石油化工公司有關裝置使用51臺(見表3-41)，中國石油化工總公司系統使用近200臺。 圖中60C用於齒輪箱密封，60A或60A+60B用於泵葉輪端密封.

低溫機械密封

一般低溫機械密封是指工作溫度在0~-50℃的密封，API-610的低溫含義指溫度低於-29℃，國內通常以密封腔溫度低於-20℃為低溫.

實際上，低溫範圍較寬，可以劃分為:

低溫:-20~-50℃

中低溫:-50~-100℃

極低溫:-100~-196℃

超低溫:

泵送低溫介質主要指液化氣體和易揮發的液體，如液態氮、液態氧、甲烷、乙烷、乙烯等液化氣。

關於氮、氧、空氣等液化氣體的物理性能如表10-3所示.

關於乙烯、丙烯、甲烷、乙烷、丙烷的物理性能如圖10-18(a)、(b)、(c)、(d)所示·

一、低溫機械密封的要求

1.材料要求

金屬材料隨著溫度降低，其抗拉強度和硬度增加而韌性下降.

塑料和橡膠的低溫性能比金屬材料更為敏感.一般情況下，塑料和橡膠只能在-50℃以上的溫度範圍使用。對於低溫泵，資料[13]介紹:丁睛橡膠的使用溫度限為-60℃氯丁橡膠為-65℃，矽酮橡膠為-80℃，氟化橡膠為-45℃，聚四氟乙烯為-79℃，並認為使用以上這些材料作填料的機械密封以-70℃為使用極限。如果介質溫度在-70℃以下，則使用波紋管型機械密封或者雙端面機械密封.

資料[6]介紹聚四氟乙烯在氦的沸點(-268.9℃)還能保持一點柔軟性，適宜做低溫材料，但聚四氟乙烯的膨脹係數大，所以在-50~-100℃溫度使用時，常採用四氟填充石墨或玻璃纖維，而不用純四氟材料.此外，在低溫時，V形圈裝到軸套上後，動環往往不能浮動。因此，要注意V形圈的組裝尺寸。

關於低溫機械密封及低溫泵材料如表10-4所示。低溫時PTFE的機械性能如表10-5所示。

2.結構要求

在一般的0~-50℃低溫下，常採用單端面機械密封，有非平衡或平衡型結構，但多數選用平衡型結構，這是因為密封端面的液休經摩擦後溫度升高，液膜壓力隨之升高而將密封面推開，洩漏加劇。因此，低溫時的端面比壓要選高值。

在液溫低於-70℃時，則採用波紋管密封或雙端面密封.不過使用雙端面密封時，要將軸封部分的溫度設計為0℃，這時用作氣體密封，密封圈可用普通O形或V形密封圈。

密封結構是與泵體結構相適應，常用的低溫泵採用立式結構.

3.輔助裝置

(1)要儘可能加大衝洗量，加強冷卻措施，或提高密封腔內壓力，來控制液溫升高所引起的氣化現象，要絕對避免從泵出口端裝衝洗管線來衝洗密封端面，因為在低溫下，這種衝洗管線內液體會氣化.所以，一般採逆流衝洗方式.

(2)防止單端面密封在泵停轉過程中大氣中水分與密封接觸使邊緣結冰，可用甲醇等化冰劑加以溶解，阻封部分也可通人氮氣幹氣加以保護.

總之，既要充分冷卻又要採取保冷措施。

(3)在高於密封面的部位裝設排氣管線，這樣，如果產生氣體也可從排氣管線逸出。

有關低溫泵的輔助裝置見第七章第一節低溫泵輔助系統。

二、低溫甲烷泵機械密封

低溫泵通常是立式結構，密封腔設在泵的上部，密封結構為雙端面平衡型機械密封。低溫泵的結構及布置如圖10-19所示。

1.低溫泵的結構特點

(1)筒形結構，不必擔心低溫時發生變形.

(2)第一級葉輪位於底部，通過增減柱形筒體的長度(圖10-19中的葉輪只列出二級，實際有十多級)，.來適應葉輪級數的變化。

(3)液體從上向下進人葉輪，由吸人端排氣從而起到有效的氣體分離器作用。

(4)立式結構排氣順暢，氣體不會在泵的中部滯留·

(5)無軸的彎曲問題，軸封可遠離泵體，減少熱的影響。電機安裝架為遮風結構，所以電機的溫升對泵幾乎沒有影響。

(6)泵殼埋於地下，易於保冷.

所以，石油液化氣用的低溫泵常用以上這種結構.

2.低溫甲烷泵機械密封

甲烷液化氣在-99℃時的蒸汽壓接近3MPa.乙烯裝置脫甲烷塔底泵在-53℃時出口壓力近似3MPa，採用雙端面串聯式機械密封，它是比拉公司BB81-K7+BB81B-S7型，尺寸為45 x 39與50 x 45(圖10-20)。

耐腐蝕機械密封

在腐蝕性介質中，機械密封的零件受到介質的強烈侵蝕，摩擦面同時受到.腐蝕和磨損，這種現象稱為「磨蝕「，其腐蝕速度約為無摩擦時的10~50倍.某些結構材料具有優良的耐蝕性能，耐磨性能卻較差;而另一些結構材料雖具有良好的耐磨性，耐蝕性卻很差.因此，摩擦副應選擇既要耐腐蝕又要耐磨，輔助密封圈、彈擠和結構件也要有良好的耐蝕性能.

在設計耐腐蝕機械密封時，一般採取以下一些措施:

1.結構上的隔離措施

採用外裝式結構，經過適當的選擇，外裝式密封可以做到無金屬件與工藝介質接觸，小的零件如彈簧、銷子可不受工藝介質腐蝕.外裝式有普通型機械密封和波紋管型機械密封兩種，』以波紋管型密封結構較好(圖10-21).如密封件材質耐蝕能力許可，也可採用內裝式結構.實際上，引進裝置工藝泵的機械密封絕大部分為內裝式密封.輸送危險性大的介質，可選用雙端面密封結構，並引人隔離液保護.此外，也可採用彈簧帶有保護層的措施.例如，彈簧外加套塑料軟管或噴塗一層防腐層，圖10-22為彈簧加保護套的密封結構.

2.材質上選用耐腐蝕材科

優選耐蝕材質，這是最根本出路.石油化工引進裝置所用.的機械密封大部分從材質上解決了耐蝕問題，·所以在國外大的密封公司的樣本或手冊中都備有不同介質所對應的密封型號選定表.

3.對洩漏的腐蝕性或有毒的介質進行收集、安全排放或處理後排放.例如，有的帶回收液盤，有的裝排放管線，圖上標明排放至安全區域.

揚子石油化工公司引進裝置應角的機械密封大部分為耐腐蝕的密封，典型的如英國克蘭公司的59U、59B和10T型，日本比拉公司的BB8型和Eagle公司Y4D。型，西德布格曼公司TF型和Wernert公司橡膠波紋管(Concertina Walls)型密封.

國內用於耐腐蝕泵用機械密封有:151、152、153、154型.結構如圖10-23、10-24、10-25、10-26所示.

含有磨料介質和高粘度介質的機械密封

密封介質一般總有雜質，所以要經過處理，就是經過處理的介質也會在工藝過程中產生結晶、凝固和反應物析出，有時密封介質本身就是各種懸浮漿液，這些介質中的顆粒對密封起著磨料作用.

高粘度介質常指粘度大於0.7 Pa·s(700c P)的介質.

一、含有磨料介質的機械密封

實際生產中經常遇到液一固兩相或氣一固兩相介質的密封問題，而機械密封的大敵是含有固體顆粒的溶液.

磨料介質包含以下幾種情況:

1.處理物料是漿液;

2.在機體和管線內有雜質混人;

3.由於溫度變化有結晶析出或有凝固物產生;

4.在密封端面內有溶解物析出;

5.由於化學反應有固體物質產生;

6.由於電化學作用在密封端面內析出和附著金屬物質.

普通單端面機械密封遇到磨料介質時產生下列故璋:

1.密封端面早期磨損;

2.動環因間隙阻塞和密封圈摩擦力增大而不能動作;

3.密封圈不能起緩衝作用;

4.彈簧被雜質阻塞不能動作;

5.軸不能旋轉;

6.整個密封失效.

對含磨料介質的密封應採取以下措施: 1.加強衝洗冷卻措施，防止雜質在密封腔內淤塞，如單端面密封應加注液潤滑，雙端面密封則加阻封液或阻封液和輔助注液合用;

2.摩擦副材料選用硬對硬配合，常用硬質合金對硬質合金(或陶瓷);

3.盡童採用大彈簧，減少顆粒阻塞機會；

4.如用波紋管密封代替普通機械密封，建議用橡膠波紋管和焊接金屬經過噴塗或合成橡膠包夜的波紋管，因為一般金屬波紋管對處理砂漿液能力差，不太適用.

5.採用雜質過濾輔助裝置，象旋液分離器分離雜質效果較好，結構簡單(見第七章第三節雜質過濾裝置).

二、離粘度介質的機械密封

通常液體的比重在0.65以上就具有潤滑性質，足夠對大多數密封混合.液體的比重低於0.65則要求平衡型密封.

粘度如同比重一樣，是表示液體的潤滑性質，液體具有較高枯度常常具有較好的潤滑特性.液體粘度低於0.7Pa·S時用標準設計，不要進行什麼修改.

對於粘度為0.7~1.6Pa·S的液體，要求密封有可靠的驅動設計一重載荷承壓裝置，這是為了補償在粘稠環境下的在密封面上增加的剪切力.另外，還要加強周圍環境控制，對密封面進行適當潤滑.當摘送高粘度介質時，密封面之間無液膜存在，必須採用單端面密封帶外衝洗，單端面密封帶外潤滑或雙端面密封帶外封液.

揚子石油化工公司各引進裝置工藝介質在使用溫度下的粘度都沒有超過0.7 Pa·S，只有燃料油的粘度在0.1~0.4 Pa·s之間，其它介質的粘度很少超過0.1Pa·S.