旋转设备的密封选择

旋转设备的密封选择

在诸如离心泵和搅拌器等旋转设备中，流体密封的首要任务是在处理过程中保持输送的流体介质。除非在真空条件下，否则密封件很难阻止外界杂质的进入，这是由于设备内外的正压差所致。可以有效胜任这种动密封任务的旋转密封设备有两种，即简易的填料密封（一般包括五个柔韧材料圈）和较复杂的机械密封。另一种常见的用于转轴的密封装置为弹性体唇密封件，它可以有效保护轴承，但这种密封件的工作压力不能超过4巴（4 MPa），唇下温度不能超过200℃。

尽管填料密封发源于工业革命之前的传统密封装置，但过去100年来材料工艺、润滑剂系统和制造方法上的持续进步，还是使它始终处于OEM维修应用的前沿。

大约20年前，大多数填料都是石棉基材料制成的，后来随着其使用的急剧减少和机械密封应用的日益增加，传统的填料密封产品在一段时间内失去了市场。这激发了人们对使用膨胀石墨、石墨线、聚四氟乙烯和新型合成纤维制作低摩擦密封填料的高层次研究。

图1：维修店里可解决大多数离心泵、往复泵和阀门管式密封的几卷密封填料

研究目的在于以相当的价格提供比石棉填料具有更好化学兼容性、抗磨损性、温度特性和使用寿命的填料。几年后，在英国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，先进设计的新型填料在性能上已全面超越了石棉制品。

在详细讨论密封选择的有关内容之前，需要先了解一下填料密封和机械密封的缺陷和优势。

在对旋转部件进行密封时，填料密封和机械密封各有自身独特的优点。机械密封通常使用的是“安装即忘记（fit-and-forget）”设备，一直用到维修期。而填料密封管在流体渗透率过度时（如超过每几秒一滴）需要不时的进行调节，重新缠绕和压紧。

填料密封的调节过程需要受过专门训练的人员执行：开动设备，绷紧密封管，去掉润滑液膜。密封压盖随动件的调节不能使渗透率减少到所需水平时，就需要重新填装密封管。在这一阶段，设备可以停机维护之前，运转时通常会有轻微的过量渗漏。

机械密封的现场安装过程是一项冗长而复杂的任务，需要清洁的工作环境和精密调节。而且机械密封对失效少有或没有警示。这会导致严重的流体泄露、泵损坏、设备停机和置换或整修成本。定期维护时一般要卸掉整个部件对动环和/或静环进行置换，还有O形圈或波纹管等橡胶或聚合物组件。整个置换通常需要花费密封装置原始购价的50%，由于置换过程需要离开现场进行，所以需要重换一个替补密封装置在短期内保持设备运转。

相同情况下，填料密封的成本效率要远高于机械密封。通常认为两者的经费比例为1:10，虽然每种情况下有很大差别，小直径轴（如25毫米以下）上的机械密封价格和使用填料密封大致相当。

当轴直径超过100毫米时，就原始成本而言，填料密封的价值要远优于机械密封。特别是对于用在发电厂、冶金和采矿业中的高流量泵，填料密封的成本同大型的机械密封相比，几乎是可以忽略不计的。

运行参数

在工作压力和线速度上，高级机械密封比填料密封略具优势。不过高级石墨基填料密封管工作在25巴（25 MPa），或25米/秒条件下有效运转，特种机械密封可达到这一线速度，并在35巴的工作压力下运转，尽管在旋转密封中通常无此要求。

两种密封装置都可处理化学侵蚀性和磨损性的介质，也适用于经美国食物及药品管理局（FDA）和英国皇家水资源管理认证（WRAS）等机构认可的食品和饮用水。许多聚四氟乙烯和石墨线基填料密封管在pH值0~14之间具有良好的化学兼容性，特制的机械密封组件亦可承受这一范围内的化学作用。

例如，制作机械密封动环和静环的材料包括树脂结合石墨、掺杂聚四氟乙烯化合物以及化学兼容性和抗磨损性最高的陶瓷。密封件主体材料为相应的高性能合金。

在高磨损性的介质和泥浆中使用填料密封时，应使用“牺牲性的”轴套保护转轴免遭磨损和/或把冲洗液导入填料环系统以阻止磨料接触主密封环。冲洗液由壳体输入轴上的套环中，其压力应比系统压力高1巴（1 MPa）。冲洗液分布于填料环周围和下部以阻止磨粒的进入。

还可以使用类似的技术来防止毒性或有害介质的泄露。以高于系统内的压力，将无害隔离液通过套环导入，形成润滑液膜以阻止输送的介质泄露到环境中，但系统必须可以承受由隔离液造成的低度稀释。必要时，液体冷却剂也可以通过这种方式导入。

温度限制

填料密封和机械密封的工作温度范围几乎完全由它们的制作材料决定。机械密封的限制因素在于其中的弹性体和聚合物基部件，如O形圈或波纹管。高性能弹性体的工作温度一般在150℃~250℃之间，全氟弹性体可以达到315℃，而聚四氟乙烯的安全工作温度上限为260℃。由聚四氟乙烯纤维和弹性体包芯纱编织成的填料具有相似的工作温度范围。

新型的填料由添加了高级润滑剂的各种合成和天然材料制成（见表3）。纯聚四氟乙烯和同时含有石墨纤维和聚四氟乙烯的填料，其工作温度范围受聚四氟乙烯材料所限，这两种类型的填料密封管工作温度下限可至零下100℃。在这样的低温下，机械密封的弹簧需由进口合金制成才能有效工作。

由膨胀石墨丝编织成的填料的综合性能可能是最好的。其在非氧化环境下工作温度范围为零下200℃至850℃（氧化条件下为450℃），此类制品线速度为25 m/s，工作压力为25巴，化学介质pH值范围为0~14，不过需要避免使用强氧化剂。

对于一般应用，取代了石棉和天然纤维制品的各类填料具有很高的可靠性和最高的经济价值。此类填料通常由玻璃纤维和其他合成丝制成，其工作温度范围大约在零下40℃至350℃，具有各种轴线速度、工作压力和化学兼容性，可适应多种用途。

传统的天然丝制填料（如棉、麻或苎麻）在旋转应用中以使用寿命长、对转轴磨损低而闻名，它们在用于矿物油或水类介质的密封时工作温度大致为100℃，压力为20巴。（令人惊奇的是，苎麻这种热带荨麻植物制成的丝线具有很高的强度和韧性，用它制成的填料密封管可以在往复式设备的超高压力下工作：250bar，特定条件下可以达到700bar）。正如所料，天然丝的化学兼容性大大受到其可容pH范围的限制。

机械密封在离心泵中扮演着重要角色，但大型机
械密封件原始成本和整修成本较高。

不良动力条件

当动力条件比较恶劣时，填料密封的性能要优于机械密封。这里我们指的是由于磨损的转轴/轴承或支撑不足引起的旋转偏心。机械密封需要非常精确地安装（在工厂中采用模块化设计，在现场采用其它型式），如此，动环和静环可以很好地匹配，有效工作。偏心或离心力会对密封设备产生相当大的负荷，使之对转轴起到轴承一样的作用——一种不能在任何时期都起作用的功能。

特别设计的填料可以吸收离心力。此类填料通常具有耐高温的弹性体芯，受压后可以很快恢复，这样可使编织密封面与快速移动的偏心轴保持紧密接触。

另外一类可在不良动力条件下非常有效的填料是“注入”类型。纤维/填料（如芳纶纤维、石墨或聚四氟乙烯）和润滑剂的均匀混和物通过阀门，压注到传统填料两个端环间的密封盖中。然后以常用的方法调节密封盖随动件压紧填料，形成密封。

由于这类“散装”材料可以轻易地填满任何空隙，因此它们可以克服转轴磨损和不规则形状的壳体所带来的密封问题。另外密封套管可以通过加压注入快速进行重新填充，不必拆掉外盖，大大节约了维修和设备停机时间。
尽管有这么多优点，注入型填料密封的使用还是呈下降趋势。因为要确定何时何地使用它们才能取得最好效果比较困难，对于这一点听取产品制造商的专家技术建议非常重要。

结论：“最佳效益”和“总拥有成本”是现在所有商业、工业和公共服务部门采用的标准。对旋转设备密封方式和密封产品的选择也可按此标准进行评估。

选择密封设备需考虑的基本因素比较简单，一般包括资金成本、安装时间、运行成本、使用寿命预期以及整修或置换问题。不过由于流体密封与它们所保护的处理过程相比，成本是相对较低的，因此还应该把其它因素考虑在内，如意外停机、泄露所造成的卫生、安全和环境问题以及流体损失的成本。

在其它因素相同的情况下，如果重点是保持设备运转直至下一次预定停机，同时允许低水平的介质泄露和稀释，那么填料密封就是最可靠和最经济的选择。同时长型填料还可用于阀门和往复式设备中，这增加了它们的储存价值。

如果旋转设备的动力条件良好，不允许有介质泄露或稀释，那么机械密封就是比较现实的选择：只需偶合面保持润滑（大多数机械密封的要求）以及所有遭磨损的部件在工作期内都能得到很好置换即可。