机械密封及其管路系统的选用

表1不同类型泵的密封腔压力值Pm(供参考)

泵的类型	估算公式
后盖板带背叶片、耐磨环	Pm=Ps+0.25(Pd-Ps)，式中，Ps泵进口压力，Pd泵出口压力，下同。
后盖板带平衡孔	Pm=Ps+0.10(Pd-Ps)
带背叶片和平衡孔	Pm=Ps
后盖板有耐磨环，无平衡孔	Pm=Ps+1.8bar
开式叶轮，无后盖板和平衡孔	Pm=Ps+C(Pd-Ps)注：C=0.1(*大叶轮直径),C=0.3(*小叶轮直径)
后盖板无耐磨环，无平衡孔	Pm=Ps（大部分立式泵均如此）
双吸泵	Pm=Ps
多级泵	根据平衡管、平衡盘和平衡鼓的布置来分析，密封腔压力有时等于进口压力，有时是某一中间级出口压力，有时是泵的出口压力

(2) 流体温度T 指密封腔内的流体温度。
(3) 密封圆周速度V 指密封处轴的周向速度，按下式计算。

V=πnd/60

式中 d轴径，m；
n泵轴转速，r/min。


三、机械密封型式的确定

1. 推压型和非推压型密封

推压型密封：指辅助密封沿轴或轴套机械推压来补偿密封面磨损的机械密封，通常就是指弹簧压紧式密封。
非推压型密封：辅助密封固定在轴上的机械密封，通常为波纹管密封。

推压型密封和非推压型密封特点的比较见表2。

表2推压型密封和非推压型密封特点的比较

	推压型密封	非推压型密封
压缩单元	单弹簧或多弹簧	金属波纹管或橡胶波纹管
轴的辅助密封	动态	静态
商业用尺寸范围	13～508mm	18～305mm
温度范围	-268℃～232℃	-268℃～427℃
压力范围	20.69MPa	2.41MPa
特点	尺寸范围大 高压 适宜于特殊设计 适宜于采用特殊金属	零部件少 固有的平衡型结构 静环磨损后，动环能自由前移 高温
价格	一般较低	一般较高

2. 平衡型和非平衡型密封

密封腔中的压力作用在动环上形成了闭合力，端面间的液膜形成开启力。

载荷系数K>1，密封为非平衡型密封。一般非平衡型只能用于低压。当压力大于一定的限度，密封面间的液膜就会被挤出。在丧失液膜润滑及高负荷的作用下，密封端面会很快损坏。

非平衡型密封不能平衡液体对端面的作用，端面比压随流体压力的上升而上升。

载荷系数K<1，密封为平衡型密封。内装式密封轴上的台阶使密封端面延径向内移但不减少密封面的宽度。密封的开启力不变，但由于动环有较大的面积暴露在液体中，因此，闭合力被平衡了相当一部分。

外装式密封的平衡方法除作用力方向恰好相反外，其余与内装式密封相同。在这种情况下，要增加闭合力中的液压的份额，以抵销密封端面间液膜的开启力。

平衡型密封能部分平衡液体对端面的作用，端面比压随流体压力的上升而缓慢上升。

一般非平衡型只能用于低压，但对润滑性能差，低沸点，易汽化介质及高速工况，即使在低压下，也应选用平衡型密封。因为对于非平衡型密封，当密封腔压力上升时，会将密封端面间的液膜挤出，使密封面很快损坏。

平衡型密封能用于各种压力场合。API682中规定除无压双重密封的外侧密封允许采用非平衡型密封外， 其余都应是平衡型密封。

3. 单端面密封、无压双重密封和有压双重密封

单端面密封：只有一对摩擦副，结构简单，制造、拆装容易，一般只需设置冲洗系统，不需要外供封液系统。

有压双重密封(原称为双端面机械密封)：有两对摩擦副，结构复杂，需要外供封液系统，密封腔内通入比介质压力高0.5~1.5bar的隔离液，起封堵、润滑等作用，隔离液对内侧密封起到润滑作用。

无压双重密封(原称为串联密封)：有两对摩擦副，结构复杂，需要外供封液系统，密封腔内的缓冲液不加压，工艺介质对内侧密封起到润滑作用。

一般情况下，应优先选用单端面密封，因为单端面密封结构简单，使用方便，价格低。但在以下场合，优先选用双重机械密封。

(1) 有毒及有危险性介质。
(2) 高浓度的H2S。
(3) 易挥发的低温介质(如液化石油气等)。

随着社会对健康、**和环境保护的愈来愈重视，无压双重密封的使用量逐年上升，该种密封可广泛用于氯乙烯、一氧化碳、轻烃等有毒、易挥发、危险的介质。无压双重密封的内侧密封(**道密封)是主密封，相当于一个单端面内装式密封，其润滑由被密封的介质担当。密封腔内注满来至封液罐的液体，未加压。内侧密封一旦失效，导致密封腔的压力提高，即能由封液罐的压力表显示、记录或报警。同时外侧密封就能在维修前起到密封和容纳泄漏液体的作用。

对一些有毒、含颗粒介质(或腐蚀性相当厉害的介质)，一般 可考虑以下方法：

(1) 采用合适的环境控制措施，如外冲洗＋带旋风分离器的管路冲洗系统。
(2) 采用有压双重密封。

有压双重密封隔离液的压力高于介质压力，因而泵送介质不会进入密封腔。内侧密封起到阻止隔离液进入泵腔的作用。因此当输送诸如粘性、磨蚀性及高温介质时，内侧密封由于没有暴露在介质中，因此可以不用昂贵的合金制作。外侧密封仅仅起到不使隔离液漏入大气的作用。

4. 内装式和外装式密封

内装式密封：指机械密封安装在密封腔内。
外装式密封：指机械密封安装在密封腔外。

由于内装式密封的受力情况好，比压随介质压力的增加而增加，其泄漏方向与离心力方向相反，因此一般情况均选用内装式机械密封。

API682中明确标准型的机械密封为内装式密封。

只有当介质腐蚀性极强时，且又不想考虑用有压双重密封时，才考虑选用外装式机械密封。

5. 旋转式和静止式机械密封

旋转式机械密封指补偿环随轴一起转动的机械密封。
静止式机械密封指补偿环不随轴一起转动的机械密封。

一般情况下均选用旋转式机械密封，但在轴径较大，转速较高(密封圆周速度25m/s)，由于弹簧及其它旋转元件产生的离心力较大，动平衡要求高，消耗的搅拌功率也大，应选用静止式机械密封。

此外如果介质受强烈搅动易结晶时，也推荐采用静止式机械密封。

6. 单弹簧和多弹簧机械密封

单弹簧机械密封，结构简单，弹簧可兼起传动作用，但端面比压不均匀，不适用于高速运转。
多弹簧机械密封，结构复杂，弹簧不能兼起传动作用，但端面比压均匀，适用于高速运转。
一般情况下，推荐选用多弹簧机械密封。 如 API682中明确推压型的标准密封为多弹簧结构。

四、密封管路系统的选择

单端面机械密封，无压双重密封的内侧密封的密封管路系统的选择见表3，节流衬套、辅助密封装置和双重密封的管路系统的选择见表4。

表3单端面机械密封，无压双重密封的主密封(内侧密封)的管路系统

API方案	说明
Plan 1	从泵的出口引出，至密封的内部循环。只推荐用于清洁液体，必需保证充足的循环量以维持密封面的条件。不推荐用于立式泵。
Plan 2	无冲洗液循环的封死的密封腔。不推荐用于立式泵。
Plan 11	从泵出口引出，经孔板至密封，冲洗密封端面后进入泵腔。 不推荐用于立式泵。
Plan 12	从泵出口引出，经过滤器和孔板至密封，冲洗密封端面后进入泵腔。 不推荐用于立式泵。
Plan 13	从密封腔引出，经过孔板至泵进口。
Plan 21	从泵出口引出，经孔板和冷却器至密封，冲洗密封端面后进入泵腔。
Plan 22	从泵出口引出，经过滤器、孔板和冷却器至密封，冲洗密封端面后进入泵腔。
Plan 23	循环液通过一泵送环从密封腔引出，经冷却器返回密封腔。
Plan 31	从泵出口引出，经旋液分离器，清洁液自上部流出，进入密封腔；含有颗粒的液体从下部流出，返回泵进口。
Plan 32	外供冲洗液注入密封腔，必须注意选用的冲洗液注入后不会引起汽化，也不会污染泵送的介质。
Plan 23	从泵出口引出，经旋液分离器，清洁液自上部流出，经冷却器进入密封腔；含有颗粒的液体从下部流出，返回泵进口。

表4节流衬套、辅助密封装置和双重密封的管路系统

Plan 51	密封腔底部封死，外部的容器提供封液。
Plan 52	通过外部储液器向无压双重密封提供缓冲液。正常运行时，由泵送环维持循环。储液器通常向一废气回收系统连续排放气体，其压力低于密封腔内液体的压力。
Plan 53	通过外部储液器向有压双重密封提供隔离液。正常运行时，由泵送环维持循环。储液器压力高于密封腔内液体的压力。
Plan 51	使用一有压的外部隔离液储液器或系统提供清洁的液体，循环通过外部压力系统或泵来完成。储液器压力大于被密封的介质压力。典型的使用例子是有压的双重密封。
Plan 61	密封压盖上设螺纹接头，出厂时堵上，供买方使用。典型的例子是由买方提供辅助密封装置的液体(如蒸汽、气体和水等)。 注：对于立式泵，除采用Plan 13外，其它的单端面密封、双重密封可以设置急冷型的辅助密封装置。
Plan 62	采用外供液体进行急冷，以防固体在大气侧积聚。典型的用法是配**用一个小间隙的节流衬套。 注：对于立式泵，除采用Plan 13外，其它的单端面密封、双重密封可以设置急冷型的辅助密封装置。
图中的符号说明

五、API 682标准要点介绍

美国石油协会 1994年10月颁布的API 682《离心泵、转子泵用的轴封系统》(Shaft Sealing Systems forCentrifugal and Rotary Pumps)对离心泵和转子泵用的机械密封提出了*低限度的要求。其适用范围为：温度-40～260℃；压力0～34.5bar，轴径30～120mm。编制该标准的目的如下：

(1) 在满足*机构对泄漏量规定的条件下，要求机械密封连续运转周期*少3年。
(2) 精简密封种类，提供一套选择方案*少的密封选型程序，以保证选用密封的可靠，并降低库存及维修费用。

API682标准的要点如下：

(1)所有的标准型机械密封均应为集装式设计。但钩式轴套型集装式结构，API682不看作是集装式密封，集装式密封应无需挪动电机就能装拆。
(2) 标准型机械密封型式有三种。

Type A，滑动式多弹簧密封，其配对密封面为烧结碳化硅对上等浸渍石墨，O型圈为氟橡胶(当运行温度或化学相容性不允许使用氟橡胶时，应用FFKM合成橡胶)，弹簧为哈氏合金C，其余部件(如轴套、压盖、限位器等)为316不锈钢。压盖内需设置一个上等石墨制成的节流衬环。
Type B，低温旋转型波纹管密封，其配对密封面为烧结碳化硅对上等浸渍石墨，O型圈为氟橡胶((当运行温度或化学相容性不允许使用氟橡胶时，应用FFKM合成橡胶)，波纹管为哈氏合金C，其余部件(如轴套、压盖等)为316不锈钢。压盖内需设置一个上等石墨制成的节流衬环。
Type C，高温静止型波纹管密封，其配对密封面为烧结碳化硅对上等浸渍石墨，O型圈为柔性石墨，波纹管为Inconel718(一种高等级的Ni-Cr合金)，其余部件(如轴套、压盖等)为316不锈钢。压盖内需设置一个上等石墨制成的节流衬环和一个青铜制成的防结焦档圈。

(3) 密封配置有三种：配置1， 单端面密封；配置2， 无压双重密封；配置3， 有压双重密封。
(4) 加大密封腔径向尺寸。
(5) 对影响密封性能和寿命的尺寸和配合要求如下：

a. 密封压盖和密封室应准确对中。
b. 轴和轴套的间隙配**用G7/h6。
注：G7/h6配合，依据直径的不同，其名义间隙为25~75μm。
c. 密封室的端面跳动量每20mm不应超过10μm。

(6) 采用浮动小间隙喉部节流衬套。
(7) 对液化气体，密封腔压力与液化气*大汽化压力的差值应不小于3.5Bar或不小于*大汽化压力的10％。
(8) API 682规定储液箱的*小储液量为20升。
(9) 严格的试验

API682对密封试验提出了很高的要求，试验分两种：型式试验(认定试验)和出厂试验。

认定试验的要求如下： 新密封需对50、100mm两个尺寸的每一种密封型式(Type A, B,C)的每一种密封配置在适当的试验台上进行认证试验。指定的5种试验液体为水、丙烷、20％的NaOH溶液、热和冷的矿物油。包括一系列的动力、静态、交变试验。每一尺寸的密封至少需进行100小时的试验。认定试验不规定试验通过或失败的要求。如果试验后其磨损量很小且仍能维持试验前的泄漏量指标，即为通过。

做认定试验费时费钱，有些厂家的密封按照API682进行设计，但没有进行过认定试验。这种密封不能称为API682密封。严格的试验能保证密封的质量，试验是机械密封连续运转周期至少为3年的可靠保证。

六、API 610中有关机械密封的内容介绍

在API 610(第八版)标准中指明，除另有规定外，应当装设机械密封，且应当按API682装设机械密封。如果机械密封不遵循API682，那么应符合API610的2.7.3.1~2.7.3.23(这些条款大多取自API682)。其要点是：

(1) 机械密封应为集装式密封，钩式轴套型的集装式结构不看作是集装式密封。
(2) 采用API682的密封箱尺寸。
API610(第七版)的密封箱尺寸设计取自原填料密封，其径向尺寸小，如密封室内径与密封旋转件外径的间隙有时仅为1.3mm；因此其腔内的液体量少，密封传热差，因此密封面的温度就高，导致密封在一些临界使用状况工作不稳定。API682对密封箱尺寸作了详细的规定，其径向尺寸加大了，密封室内径与密封旋转件外径的间隙*小为3mm，传热效果好。
(3) 采用API682的双重密封(dual seal)概念。
(4) 采用浮动小间隙喉部节流衬套。
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