淺談雙端面機(jī)械密封
1、前言
與單端面機(jī)械密封相比，雙端面機(jī)械密封密封性能好，適用于強(qiáng)腐蝕、高溫、帶懸浮顆粒及纖維介質(zhì)、氣體介質(zhì)、易燃易爆、易揮發(fā)低黏度介質(zhì)，高真空度工況的密封。我車間烷基苯裝置泵用機(jī)械密封為單端面機(jī)械密封。新建的硫磺裝置因?yàn)閷?duì)MDEA等介質(zhì)高的密封要求，故采用雙端面機(jī)械密封。雙端面機(jī)械密封不僅僅是單端面機(jī)械密封的重復(fù)，在化工一些重點(diǎn)場合，可有效地防止危險(xiǎn)、有毒、易燃、易爆物質(zhì)的泄漏，具有高性能保險(xiǎn)作用。在密封高壓介質(zhì)時(shí)，可以合理的分配每個(gè)密封的兩端壓差，提高密封的工作壓力范圍。對(duì)一些自潤滑性差、易凝結(jié)、汽化介質(zhì)，通過在密封腔體注入密封液改善密封的工況，大大提高密封的效率和使用壽命。
2、密封原理
雙端面機(jī)械密封原理與單端面機(jī)械密封基本相同，都是靠垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面（摩擦副）在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力的作用以及輔助密封的配合下保持貼合并相對(duì)滑動(dòng)而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。
工作時(shí)，由流體壓力（介質(zhì)壓力）和彈性元件的彈力等引起的合力作用下，在密封環(huán)的端面上產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)谋葔海▔壕o力），使兩個(gè)接觸端面（動(dòng)環(huán)、靜環(huán)端面）相互緊密貼合，并在兩端面間極小的間隙中維持一層極薄的液膜，從而達(dá)到密封的目的。雙端面機(jī)械密封有兩道端面密封，若一級(jí)密封失效，二級(jí)密封仍然可密封，防止泄露。一般雙端面密封都需要外供密封液系統(tǒng)，向密封腔內(nèi)引入封液進(jìn)行堵封、潤滑和冷卻，且多為循環(huán)冷卻使用。密封液不僅可以沖洗摩擦副改善機(jī)械密封工作環(huán)境，還可以作為一級(jí)密封面是否失效的重要檢測手段。
3、結(jié)構(gòu)
與單端面機(jī)械密封相比，雙端面機(jī)械密封多一個(gè)摩擦副。兩摩擦副可分別由兩動(dòng)環(huán)兩靜環(huán)組成也可由兩動(dòng)環(huán)共用一靜環(huán)或者兩靜環(huán)共用一動(dòng)環(huán)組成。雙端面機(jī)械密封有多種分類方法。
3.1根據(jù)密封液系統(tǒng)壓力可分為有壓雙封和無壓雙封。
有壓雙封密封液系統(tǒng)的壓力一般要比一級(jí)密封前的壓力高0.01--0.03MPa。這樣一級(jí)密封泄漏時(shí)，密封液會(huì)進(jìn)入泵內(nèi)，確保了泵內(nèi)介質(zhì)不會(huì)泄漏到外界。由于密封液進(jìn)入泵內(nèi)，密封液系統(tǒng)壓力、液位降低，可以實(shí)現(xiàn)密封的泄漏監(jiān)測和報(bào)警。
無壓雙封密封系統(tǒng)內(nèi)的壓力一般為常壓或微壓，低于一級(jí)密封前的密封腔壓力。當(dāng)一級(jí)密封泄漏時(shí)，泵內(nèi)介質(zhì)會(huì)進(jìn)入密封液系統(tǒng)，導(dǎo)致密封液系統(tǒng)的壓力和液位升高，可以通過壓力開關(guān)或液位開關(guān)實(shí)現(xiàn)泄露監(jiān)測和報(bào)警。通過密封液系統(tǒng)來監(jiān)測雙端面機(jī)械密封失效與否，也是其區(qū)別于單端面機(jī)械密封最主要的形式之一。
3.2按摩擦副布置形式分為徑向式、面對(duì)面、背對(duì)背及串聯(lián)式四種，如圖3-1所示。
徑向雙端面機(jī)械密封包括有一對(duì)相互配合的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)，其主技術(shù)結(jié)構(gòu)特征在于，在動(dòng)環(huán)和靜環(huán)配合端面上對(duì)應(yīng)開設(shè)有圓環(huán)凹槽形成徑向兩個(gè)配合摩擦副，在靜環(huán)上開設(shè)有泄流孔，從而形成徑向雙端面機(jī)械密封。其整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊，結(jié)構(gòu)空間小，安裝使用方便，特別適用于徑向安裝尺寸受限的場合使用。
面對(duì)面雙端面機(jī)械密封有靜環(huán)面對(duì)面和動(dòng)環(huán)面對(duì)面兩種形式。靜環(huán)面對(duì)面是一整體動(dòng)環(huán)，動(dòng)環(huán)面對(duì)面一整體靜環(huán)。但是由于加工精度、機(jī)械密封失效后更換成本等問題面對(duì)面式雙封在流體泵用機(jī)械密封中使用較少，一般應(yīng)用于密封腔尺寸較小的場合。背靠背或串聯(lián)機(jī)械密封已經(jīng)完全可以覆蓋面對(duì)面機(jī)械密封的適用工況。輕烴、黏性、聚合流體、有害氣體采用干氣密封、非接觸設(shè)計(jì)可以采用面對(duì)面機(jī)械密封。面對(duì)面機(jī)械密封要求封液壓力大于介質(zhì)壓力，屬于有壓雙封，不然內(nèi)側(cè)機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)受力不合理。面對(duì)面結(jié)構(gòu)多用于集裝式結(jié)構(gòu)，既可以做單端面，又可加封液做成雙端面。
背對(duì)背式雙端面機(jī)械密封亦可做成集裝性，拆裝方便，檢修容易，因此使用較多。硫磺裝置雙端面機(jī)械密封為背對(duì)背式。背對(duì)背式雙封分別有兩動(dòng)環(huán)和兩靜環(huán)，一級(jí)密封為外流式。因其適用工況寬，應(yīng)用廣泛，狹義上的雙端面機(jī)械密封專指背對(duì)背式雙端面機(jī)械密封。背對(duì)背式雙封屬于有壓雙封，當(dāng)一級(jí)密封失效后密封液系統(tǒng)的壓力和液位都會(huì)降低。密封液循環(huán)的動(dòng)力由內(nèi)置泵效環(huán)提供。
串聯(lián)機(jī)械密封是兩組或兩組以上同向布置的單端面機(jī)械密封組成串聯(lián)機(jī)械密封，兩組單端面機(jī)械密封組成串聯(lián)雙端面機(jī)械密封。這種密封方式使密封腔的壓力逐級(jí)降低，介質(zhì)不至外漏。串聯(lián)雙端面密封由于其結(jié)構(gòu)緊湊，可適用于軸徑尺寸不大，軸向尺寸小，且轉(zhuǎn)速較大的中等載荷的場合。內(nèi)端為平衡型機(jī)械密封，外端為非平衡型帶泵效環(huán)機(jī)械密封。串聯(lián)式雙端面機(jī)械密封可做成有壓雙封，也可做成無壓雙封，以無壓雙封最常見。封液提供密封面的冷卻潤滑，靠內(nèi)置泵效環(huán)循環(huán)。
4、失效分析
轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備故障中，因機(jī)械密封泄漏而停機(jī)的約占維修設(shè)備總量的50%左右。雙端面機(jī)械密封失效機(jī)理與單端面機(jī)械密封失效機(jī)理基本相同，主要是密封面的失效。在機(jī)泵運(yùn)行過程中，由于摩擦和攪拌產(chǎn)生的熱量會(huì)使密封面溫度升高，加之介質(zhì)的影響，就會(huì)出現(xiàn)密封面介質(zhì)的氣化、密封環(huán)變形、熱磨損，甚至出現(xiàn)熱裂。有的介質(zhì)在溫度變化時(shí)會(huì)加劇固化、聚合、結(jié)晶、結(jié)焦和腐蝕。種種非正常的工況將加劇或者短期內(nèi)直接導(dǎo)致密封失效。
有關(guān)機(jī)構(gòu)曾對(duì)泵類機(jī)械進(jìn)行了數(shù)年調(diào)查，密封失效的原因及其占比例見表4-1。
表4-1 機(jī)械密封失效原因分析
密封失效原因 | 比例（%） |
操作問題（沖洗液中斷等） | 40
|
機(jī)械方面問題（安裝誤差、間隙不當(dāng)、調(diào)整不當(dāng)） | 24
|
流體回路高等錯(cuò)誤（負(fù)壓不足、沖洗液不足、泵特性不適當(dāng)） | 19
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密封元件選擇不當(dāng)（材料或基本結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤） | 9
|
其他原因 | 8
|
由上表可知，密封失效的主要原因?yàn)椴僮鲉栴}。分析故障時(shí)，要對(duì)其整個(gè)過程，包括拆卸前的泄露狀態(tài)、泄漏量、拆卸中的檢查、密封部件檢測等深入研究，找到故障發(fā)生的泄漏點(diǎn)和真實(shí)原因，進(jìn)而采取相應(yīng)措施。
5、日常維護(hù)
從表一可以看出，密封失效的主要原因是操作的問題，因此做好日常維護(hù)工作，為其提供一個(gè)合理的工況，是密封運(yùn)轉(zhuǎn)正常、良好的前提。做好日常維護(hù)應(yīng)保證以下幾點(diǎn)。
1）啟動(dòng)前檢查輔助裝置是否正常，保證密封液系統(tǒng)液位、壓力在操作范圍之內(nèi)，各處密封良好。按轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤車通過雙端面機(jī)封泵效環(huán)將機(jī)封內(nèi)充滿液體。
2）不要使泵抽空避免密封端面發(fā)生干摩擦。
3）經(jīng)常檢查輔助裝置是否正常工作：
a、注意密封液液面的位置，油位降低要經(jīng)常補(bǔ)充，壓力降低要補(bǔ)氣保壓。
b、定期排放泄漏液。
c、經(jīng)常檢查冷卻水管、沖洗管等，杜絕發(fā)生堵塞，防止突然停水而使冷卻、沖洗效果不好，造成密封失效。
4）防止機(jī)器本身振動(dòng)、發(fā)熱等對(duì)密封的影響。
a、注意異常聲響，振動(dòng)可造成防轉(zhuǎn)銷等松開、脫出。
b、注意異常發(fā)熱，如：軸承發(fā)熱是否正常，并作合理調(diào)整。
6、結(jié)論
從密封機(jī)理上看，無論是雙端面機(jī)械密封還是單端面機(jī)械密封都是將較難控制、泄漏量大的軸密封轉(zhuǎn)變成比較容易控制的端面密封（摩擦副）、靜密封和偽靜密封。兩級(jí)端面密封給予雙端面機(jī)械密封安全可靠，對(duì)外無泄漏的特點(diǎn)。根據(jù)摩擦副布置形式以及密封液系統(tǒng)，雙端面機(jī)械密封在結(jié)構(gòu)上有多種形式，以滿足多種工況的要求。
雙端面機(jī)械密封失效的原因很多，也很復(fù)雜，可以通過采取相應(yīng)的措施來解決。雙端面機(jī)械密封泄露與工藝操作及安裝檢修有直接關(guān)系。在日常生產(chǎn)中應(yīng)規(guī)范操作，加強(qiáng)管理，對(duì)故障做總結(jié)分析，是保證和提高密封效率及壽命的必要措施。