【關(guān)鍵詞】離心泵,密封,零泄漏,綜述

【論文摘要】本文摘要介紹離心泵用旋轉(zhuǎn)密封實(shí)現(xiàn)零泄漏的幾種方法的原理及應(yīng)用現(xiàn)狀。



1. 前言

泵的應(yīng)用十分廣泛，其旋轉(zhuǎn)軸用密封是泵中關(guān)鍵的部件。介質(zhì)的泄漏不但造成浪費(fèi)，而且污染環(huán)境，甚至危機(jī)設(shè)備運(yùn)行和人身安全。泵的密封性能是評價泵產(chǎn)品質(zhì)量的一個主要指標(biāo)。如何實(shí)現(xiàn)泵軸封的零泄漏，國內(nèi)外都進(jìn)行了大量的研究，近年來零泄漏技術(shù)迅速發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛。本文就幾種常見的零泄漏方法（或裝置）作簡要介紹。

2. 填料密封的無泄漏技術(shù)

通常的填料密封需要注入一定的沖洗水或潤滑液，填料壓蓋不能壓得太緊，應(yīng)達(dá)到滴水不成線的效果，才能保證填料的正常使用。也就說，傳統(tǒng)的填料是有一定的泄漏的。
一種新型的層狀剪切填料改變了人們的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。

［11］文美純。充液膨脹停車密封結(jié)構(gòu)。湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報1994

1995年美國赤士盾（CHESTRTON）公司推出一種新型的革新填料，一種層狀剪切式密封填料CMS2000問世。［1］
CSM2000型填料由純合成的KEVLAR纖維、高純的石墨、PTFE（聚四氟乙烯）、有機(jī)密封劑等材料混合組成，形成一種無規(guī)格限制的黑色膠狀物。
使用時，在填料函的前后端裝入編織環(huán)或石墨填料，中間用高壓注入槍注入CSM2000的膠狀物，直至充滿。
在軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動過程中，CMS2000填料中的KEVLAR纖維會纏繞在軸（或軸套）上并隨軸同步旋轉(zhuǎn)，形成一個“旋轉(zhuǎn)層”。在填料函內(nèi)壁附近，CMS2000填料粘附其上，形成一個“不動層”。這樣，泵軸的轉(zhuǎn)動使填料的處在中間的填料層作剪切運(yùn)動，這是因為填料間吸引力極小。其層間摩擦系數(shù)很小。
這種填料具有以下特點(diǎn)：
填料內(nèi)外層分別粘附在軸和填料函腔，泵送介質(zhì)必須擊穿填料才可能外漏，在填料的許用范圍內(nèi)達(dá)到*無泄漏的效果；
由于填料與軸無相對運(yùn)動，所以不磨損軸；
可進(jìn)行在線修復(fù)；
由于填料層間摩擦系數(shù)很小，比普通填料與軸的摩擦損耗小，因而耗電低。
安裝簡單；
不需要沖洗；
庫存低，適應(yīng)不同填料腔。
這種填料也存在一些不足而限制其適用范圍。它在高溫下，會分解放出氧化氫、二氧化碳、一氧化碳等有害氣體。另外，其使用壓力有限。
在CSM2000推出后，赤士盾公司又推出了在高溫下使用的新一代產(chǎn)品。表1給出了幾種產(chǎn)品的使用條件。
表1 赤士盾產(chǎn)品成分及性能
名稱 *代 第二代 第三代
成分 纖維 KEVLAR KEVLAR 特種合成纖維
填充物 石墨＋PTFE 高分子硅脂+PTFE 鱗片狀石墨+PTFE
密封劑 有機(jī)密封劑 有機(jī)密封劑 有機(jī)硅密封劑
溫度 －18℃～+200℃ －40～+204℃ －50～+750℃
壓力 0.7MPa 1.0MPa 1.5MPa
線速度 8m/s 10 m/s 18 m/s
PH 4～13 1～13 1～14
介質(zhì) 水 見[1] 除強(qiáng)酸外
KEVLAR纖維是主要用于防彈衣的一種合成的特種纖維，具有*的抗沖擊強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。
國內(nèi)使用CSM2000填料取得了較好的效益。如：深圳市自來水有限公司用于14SA－10B雙吸泵, 新疆澤普石化廠用于14SH-9雙吸泵, 獨(dú)山子石化總廠煉油廠用于14SH－9A雙吸泵，南京鋼鐵集團(tuán)有限公司用于12SH-6A雙吸泵，哈爾濱市自來水公司用于20SH-13雙吸泵，萊鋼用于12SH-6A、24SH-19雙吸泵，中原大化集團(tuán)有限責(zé)任公司用于污水泵中，韶關(guān)發(fā)電廠用于低壓加熱疏水泵125NW－65X2中。普遍反應(yīng)達(dá)到*無泄漏，并且耗電比原來減少，有的降低耗電達(dá)15～15％。
我國在層狀剪切式密封填料方面也進(jìn)行了一些研究。如儲昭振［2］ 采用1％～1.6％的纖維、14％～18％的石墨粉、16％～20％的聚四氟乙烯、18％～22％的云母粉、44％～48％的聚丙烯酸密封劑制成了半固態(tài)密封填料，具有同樣的原理，并取得了.

3. 磁流體密封

磁流體密封是70年代發(fā)展起來的新型密封技術(shù)。磁流體密封在密封氣體和真空中比較成熟，在真空密封方面應(yīng)用比較普遍。在泵中也得到了一些應(yīng)用。
磁流體密封的關(guān)鍵是磁流體，它由磁性的納米顆粒，經(jīng)過特殊處理均勻分散到水、油等液體中形成的固液混相的膠體液體［3］［4］。它是一種具有超順磁特性的液態(tài)物質(zhì)。懸浮的顆粒一般為Fe3O4或CrO2的磁性物，其顆粒越小越接近球形，就越有利于磁粉微粒作布朗運(yùn)動。磁流體是不會凝聚沉淀的，因為在流體中，各顆粒間同性斥和范氏吸力（分子靜電吸力）強(qiáng)。
密封原理為：永磁體在密封間隙中產(chǎn)生強(qiáng)大磁場，緊緊將磁流體吸住，從而封住泄漏通道達(dá)到密封的目的。它具有（1）密封能力不依靠密封表面的壓緊力，所以，在密封表面之間存在相對運(yùn)動的情況下，它的摩擦力較小，僅表現(xiàn)為鐵磁流體內(nèi)部的剪切應(yīng)力，因而摩擦功耗、發(fā)熱問題可以不考慮。并且不存在表面的磨損現(xiàn)象。（2）這種密封可以*的零泄漏密封。只要磁鐵體密封膜不，它是不存在泄漏。
磁流體密封的結(jié)構(gòu)比較簡單，它由磁鐵、磁極、軸、殼體及填入間隙間的磁流體組成。每級密封的承壓能力可達(dá)0.5×105~0.7×105Pa。
磁流體密封具有以下優(yōu)點(diǎn)：
壽命長、無泄漏。
摩擦損失小，對軸（或軸套）無磨損。
當(dāng)被瞬時高壓擊穿后，如果壓力恢復(fù)許可范圍，可以自修復(fù)。
壓力較高時，可采用多級密封。
河北機(jī)電學(xué)院、華北石油管理局*機(jī)械廠分別將磁流體應(yīng)用于氨水泵和砂泵均取得滿意的效果。
但是，磁流體用于泵的密封時還不十分理想。如泵送介質(zhì)可能與磁流體的液相載體發(fā)生互溶和親和，從而導(dǎo)致磁流體變質(zhì)、流失，致使密封失效。
另外，磁流體的密封能力較低，只能密封大約30～35kPa，實(shí)際上一個大氣壓就需要多道密封級。

4. 無泄漏的干氣密封

干氣密封是一種新型的非接觸式機(jī)械密封，它的出現(xiàn)是密封技術(shù)的一次革命。這種密封采用“氣封液”或“氣封氣”的新概念代替了傳統(tǒng)的“液封氣”或“液封液”的舊觀念。
在70年代末，國外就開始采用。干氣密封zui初是為了經(jīng)濟(jì)高速離心壓縮機(jī)軸封而研制的，由于其優(yōu)良的性能和極長的使用壽命，在90年代初期逐漸應(yīng)用與離心泵上，并取得了良好效果。


干氣密封裝置是一種非接觸式密封，它的一個密封環(huán)上（金屬環(huán)）帶有很淺的大約0.0025～0.01mm的螺旋槽。當(dāng)設(shè)備的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，外源密封氣在螺旋槽被壓縮，然后膨脹并越過密封面，產(chǎn)生稍稍打開的密封面間隙，建立100％的穩(wěn)定氣膜。
通常情況下，泵用干氣密封可分為三種結(jié)構(gòu)，即機(jī)械密封＋干氣密封；迷宮密封＋干氣密封＋干氣密封；干氣密封＋干氣密封。
如圖，這是一種機(jī)械密封＋干氣密封的組合密封。*道密封密封介質(zhì)為液體，第二道密封為干氣密封。在兩道密封之間充入惰性氣體作為隔塞氣。*道密封泄漏的微量隨著外部引入的惰性氣體引自。


干氣密封的幾個優(yōu)點(diǎn)：［6］
密封使用壽命長；
密封功率消耗小，僅為接觸式機(jī)械密封的5％左右；
可以實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的零泄漏；
密封輔助系統(tǒng)簡單、可靠、使用中不需要維護(hù)。
海南富島化工有限公司的高壓氨泵、氨水泵、氨升壓泵采用了約翰克蘭的干氣密封。中石化股份公司九江公司化肥廠在離心式高壓氨泵中采用了四川日機(jī)密封件有限公司的泵用干氣密封。
國外的約翰·克蘭有限公司（）、伊格爾工業(yè)株式會社（http://www.ekk.co.jp）等生產(chǎn)的干氣密封在我國一些要求高泵中得到使用。
我國的四川日機(jī)密封件有限公司（）、丹東克隆集團(tuán)有限公司（）、遼寧裕通石化機(jī)械儀表有限公司（ ）等也先后開始生產(chǎn)這種介質(zhì)無泄漏的泵用干氣密封。

5. 動力密封

動力密封與上述密封相比，它是廉價，可以由泵廠自己加工的一種普遍的無泄漏的密封型式。常見的動力密封有螺旋密封、副葉輪密封。
5.1. 螺旋密封
螺旋密封是一種非接觸式的流體動密封，它是近幾十年發(fā)展起來的一種新型旋轉(zhuǎn)軸密封結(jié)構(gòu)。
螺旋密封在軸（或軸套）或密封腔固定內(nèi)壁加工螺旋槽，也有同時在軸（或軸套）和密封腔固定內(nèi)壁加工旋向相反的螺旋槽。
在螺旋密封的間隙內(nèi)充滿粘性液體。當(dāng)泵運(yùn)行時，螺旋側(cè)壁對流體施加推進(jìn)力，進(jìn)行能量交換，使軸的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換成粘性流體的壓力能，獲得一個泵送壓頭。有的資料叫“趕水作用”。從而阻止介質(zhì)的泄漏。
這種密封具有

它是一種非接觸式密封，所以不磨損軸（或軸套）。
密封消耗功率低。
密封的徑向尺寸小。
可以實(shí)現(xiàn)零泄漏。
這種密封在單級離心泵、多級泵、油渣泵應(yīng)用較多。張元華［7］在IS、IH泵中應(yīng)用螺旋密封取得了成功。
5.2. 副葉輪密封


副葉輪密封，同螺旋密封一樣，也是一種無接觸式動力流體密封。特別是在介質(zhì)中存在固體顆粒時，其將固體顆粒甩離軸（或）軸套、保護(hù)軸（或軸套）不受磨損的*功能在雜質(zhì)泵、化工料漿泵中應(yīng)用十分廣泛。
如圖是磷酸料漿泵中常見的副葉輪密封＋飛鐵密封結(jié)構(gòu)簡圖。
副葉輪密封裝置包括副葉輪、副葉輪室。副葉輪密封一般較少單獨(dú)使用。在臥式泵中，常常與葉輪背葉片、停機(jī)密封一起使用。
副葉輪密封是利用副葉輪的高速轉(zhuǎn)動帶動液體旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生離心力，在軸頸處產(chǎn)生一個微負(fù)壓區(qū)，達(dá)到*不泄漏的效果。
實(shí)踐上，副葉輪密封的降壓能力十分有限，因為在它的前端光面將進(jìn)行升壓，有時為降低副葉片的光面降壓作用，在副葉片室設(shè)置一固定葉片。盡管如此，要產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)達(dá)到零泄漏，在葉輪背面還需要設(shè)置背葉片。背葉片將泵壓水室的壓力降低大約70％，剩余的10～30％由副葉輪降壓。
通常副葉輪密封是按泵進(jìn)口壓力為揚(yáng)程的20％時設(shè)計的。進(jìn)口壓力過高可能會使副葉輪密封無法達(dá)到微負(fù)壓密封。有的生產(chǎn)廠采用串聯(lián)副葉輪。
副葉輪密封一般配合停機(jī)密封一起使用。但單獨(dú)使用副葉輪密封的泵也得到發(fā)展。其中一個典型的例子是應(yīng)用在無密封自控自吸泵中。
無密封自控自吸泵是一種立式泵，在軸封處有一個或多個串聯(lián)的副葉輪，泵在吸上啟動過程和正常運(yùn)轉(zhuǎn)中達(dá)到零泄漏。在泵停機(jī)過程中，副葉輪轉(zhuǎn)速逐漸降低直至停止的過渡過程中，泵的出口逆止閥阻止出口管內(nèi)流體回流，泵的軸封處場合只有少量泄漏，該泵利用一個回流管將停機(jī)過程中泄漏的介質(zhì)引自泵的進(jìn)液池。
5.3. 停機(jī)密封
螺旋密封和副葉輪密封等動力密封，只有在泵旋轉(zhuǎn)時動力密封才起到作用。所以，一般在后設(shè)置停機(jī)密封。有時，動力密封只是作為降低壓力的輔助密封。本文介紹的是達(dá)到零泄漏的微負(fù)壓動力流體密封。
微負(fù)壓的螺旋密封和副葉輪密封都可以在正常運(yùn)行時達(dá)到零泄漏，但是在停機(jī)過程它們的密封能力逐漸降低直至不起作用。所以，在其后需要設(shè)置停機(jī)密封。
停機(jī)密封常見的型式有（1）填料密封；（2）唇型油封；（3）離心子錐形填料密封：（4）飛鐵密封［8］［9］；（5）液力解脫式車密封［10］。
填料密封不是理想的停機(jī)密封，但它簡單，價格低。所以在雜質(zhì)泵中普遍采用。
資料［11］認(rèn)為理想的停機(jī)密封應(yīng)當(dāng)（1）泵啟動時及時脫開；（2）停機(jī)時及時而迅速的接觸，實(shí)現(xiàn)密封。
飛鐵密封（參見上圖）一般是一種簡易的機(jī)械密封，靜止時由于彈簧力的作用使機(jī)械密封的動靜環(huán)接觸而密封。在泵運(yùn)行時，由于離心力的作用，飛鐵通過杠桿作用推動推力盤，使機(jī)械密封的動靜環(huán)脫開。停機(jī)時，離心力失去作用，彈簧力又將動靜環(huán)貼緊而密封介質(zhì)。
由于泵的啟動、停機(jī)過渡過程的原因，飛鐵密封在啟動和停機(jī)的瞬間存在微量泄漏。
貴州赤水天化集團(tuán)有限公司在熔融尿素泵應(yīng)用副葉輪密封+飛鐵密封，開封化肥廠在化工泵中使用副葉輪密封＋飛鐵密封泵也取得了較好的效果。

6. 特殊結(jié)構(gòu)的泵實(shí)現(xiàn)零泄漏

如圖所示的泵，它將泵的吸入口改為側(cè)向吸入。這樣泵密封處的壓力大大降低。當(dāng)泵吸上安裝時，介質(zhì)在軸封處呈負(fù)壓狀態(tài)。密封作用是阻止空氣進(jìn)入泵腔，而不是密封介質(zhì)的泄漏。
這種泵在化工行業(yè)已普遍采用。生產(chǎn)廠家較多。
但該泵使用時應(yīng)當(dāng)注意：
當(dāng)泵灌注安裝或進(jìn)液罐有壓力時，軸封仍然有泄漏。
泵停機(jī)倒灌時，軸封可能承受較大的壓力。可以安裝逆止閥來解決。
當(dāng)軸封失效時，泵會產(chǎn)生落水現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)
［1］赤士盾公司
［2］儲昭振. 水泵密封填料. 技術(shù)與市場，2002
［3］裴寧、梁志華。磁流體密封原理與應(yīng)用。真空，2001（1）
［4］莊人杰。磁流體的開發(fā)應(yīng)用。粉末冶金技術(shù)，1989.（4）
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