摘要：双端面机械密封是一种应用较为广泛的密封形式，主要应用在工业生产中输送易燃、易爆、有毒、有害等介质的设备上。以实际使用时出现的典型故障为例进行分析，阐述了在解决实际问题的过程中，密封辅助系统冲洗方案的选择与隔离液压力及循环效果等因素对密封寿命和安全性的影响。对密封端面进行了受力分析，并根据API682 标准对密封辅助系统布置方案Plan23+52 的应用参数进行了分析和优化。结果表明：除了密封本身设计缺陷以外，引起密封失效的主要原因多为忽视密封辅助系统的重要性，导致其无法为密封提供不间断的冷却润滑流体，无法保证密封在良好的环境下运行。而经过优化后的密封辅助系统能保证双断面机械密封长时间连续平稳地运行。
关键词：双端面机械密封;密封辅助系统;冲洗方案;冷却系统;液体润滑
双端面机械密封是一种机械密封的布置方式，其特点是两套机械密封采取背对背、面对面或面对背的方式(图1)安装在密封腔体中，密封腔中引入阻塞流体，起到密封、润滑和冷却的作用，当内侧密封发生泄漏时，阻塞液可防止或缓冲被密封介质泄漏到大气。这种密封型式属于美国国家石油协会发布的API 682《离心泵及转子泵用轴密封系统》中规定的布置方式2 和方式3，每套密封腔内安装两套机械密封，且由外部提供冲洗液做为缓冲液或冲洗液。这种密封布置方式是在石化、煤化工等行业广泛采用的一种安全性较好的机械密封方式。
1 分析
通常选择双端面机械密封的布置方式应出于以下考虑：①泵送介质为高危介质、有毒介质、有害介质等一旦泄漏会危害人体健康的介质;②泵送介质为高温介质，或泵送温度超过介质的燃点，一旦泄漏有燃烧危险或造成烫伤的介质;③泄漏会对环境产生极大影响的介质。
也就是说，为保证安全生产，危险工况多采用双端面机械密封的密封型式。为配合这种密封型式，使其具有安全密封作用，机封生产厂家在提供机械密封的同时，也会提出密封的配套冲洗方案。在双端面机械密封的设计和冲洗方案的选用上，通常有以下注意事项。
(1)选用带有外部增压设备的辅助系统，对阻塞液加压，如API 682 推荐的Plan 53 或Plan 54;
( 2)阻塞液压力高于被密封介质压力0.1～0.4 MPa，过高可能导致阻塞液直接倒灌，进入被密封介质;
(3)在Plan 53 或Plan 54 方案中，总有一部分阻塞液会进入被密封流体，应选用经济并且不会污染被密封介质的流体作为阻塞液，以免影响生产;
(4)在设计内侧机封静环时，采用一定限位装置，如卡圈或限位环，防止静环因背部受高压，而被推出安装槽;
(5)阻塞液一般靠机械密封自带的泵效环或热虹吸现象进行循环，辅助系统的设置应保证阻塞流体的顺畅流动。
双端面机械密封冲洗方案必须采用Plan52、Plan 53 或Plan 54 其中一种，通常，为达到更好的冲洗、冷却和润滑效果，还会将这两种冲洗方案与Plan 21、Plan 23 或Plan 61 方案等配合使用。其中Plan 53 方案又分为Plan 53A、Plan 53B 及Plan 53C，再加上Plan 54，这些辅助冲洗方案各自使用的工况又有区别，有各自的使用注意事项，如Plan 53A 用于压力不高的场合，Plan 53B 应用于温度不高于150℃的场合，Plan 53C 应用于压力波动的场合，Plan 23多用于高温情况，Plan 61 用于为高温或低温机泵冲洗方案的辅助等等。
因此，密封供应商在供货的过程中，不仅应提供机械密封产品，也应针对工况的不同，选择适当的密封冲洗方案及正确的进行使用。否则，极易造成机械密封故障损坏，影响生产活动，造成不必要的损失。下面举例说明。
2 举例
2.1 单级悬臂式工艺冷凝泵
公司的一台单级悬臂式工艺冷凝泵，2011年7 月投入使用以来，泵上配备的机械密封损坏频繁，每半个月就需更换一次，严重影响生
产。该泵的使用工况如下。
介质：含有少量H2S、NH3 的蒸汽冷凝液
转速：2980 r/min
流量：280 m3/h
入口压力：0.2 MPa，出口压力：0.6 MPa
温度：30℃
该泵所用机械密封结构为一套双端面机械密封。密封失效发生后，厂家将泵及机封拆开检查，经测量计算，该机械密封的弹簧比压符合要求，但是机封的冲洗水却采用常压水做冲洗。机封损坏的主要现象有：主密封静环端面出现裂纹、主密封侧静环防转销磨损严重。
针对常压冲洗状态，对机械密封叶轮侧静环进行受力分析，在不考虑液膜压力的状况下，静环两侧受力分析如图2 所示，得：
式中：Fm 为静环背部流体压力;F 液为密封腔内封液压力，按照现场实际情况来说，封液压力为常压，取0.2 MPa;F 弹为弹簧力。
通过上面的计算，可以得出：静环背侧受力大于静环正面，在没有卡圈等限位装置的情况下，静环被背侧压力推出，动密封环浮动性减小。端面比压加大，造成端面摩擦热迅速增大;同时冲洗水压力低于密封腔压力，冲洗水无法循环，不能及时带走摩擦热量，密封端面出现热裂纹。同时，静环被背侧压力推出安装槽，防转销与静环背部剧烈撞击，造成防转销端部的磨损。
通过以上分析，要求现场工作人员在供水管路上增加了截止阀，即将阻塞液压力提高到0.4 MPa;并增加防止脱出的卡圈设置。解决上述的问题，机封的使用寿命提高到四个月以上。
从机封长久使用、节约成本的角度考虑，计划对现场对机械密封冲洗系统进行整改，增加一个带压储罐作为阻塞液液源，提供稳定的带压冲洗;并根据Plan 53 方案的要求，在密封上增加具有促进封液循环的泵效环。
该位号机械密封采用的背靠背安装形式，内侧为外装式，外侧为内装式，因为共用一套弹簧，两侧的机械密封的弹簧比压相同，因此，为了保证外侧内装式端面比压合理，会造成内侧的外装式端面比压过小。同时一套机械密封的运行不稳定时，这种不稳定状态会通过弹簧传递给另外一套机械密封，很容易造成整套机械密封失效，所以建议采用两套弹簧，分别供每一套机械密封使用。
2.2 低温甲醇洗装置CO2 吸收塔给料泵
公司的低温甲醇洗装置CO2 吸收塔给料泵，使用工况如下。
介质：甲醇
入口压力：0.4 MPa
扬程：138 m
流量：1416 m3/h
温度：96℃
该泵上的机械密封为串联式双端面机械密封，采用Plan 23+52 的冲洗方式，主密封冲洗液由泵内介质经喉部衬套节流后小部分甲醇在泵效环作用下经外部换热器换热后自闭循环，主密封和次级密封之间由外部提供的缓冲液进行润滑和冷却。该泵自开始运转来，机封经常出现泄漏，半年内已两次更换机封。
每次机封出现故障时，缓冲液液位上升很快，主密封出现泄漏，在排除检修因素后，对设备运行情况也进行了检查，振动、进出口压力、温度均正常，但主密封冲洗液冷却器进出口管线温度均较低，故判断主密封冲洗液循环不畅是引起机封损坏的可能原因，在工艺人员对冲洗液管线进行排气后，冲洗液建立正常循环，在随后的运行中，机封一直运行比较正常。
类似的问题在机封使用中具有一定的普遍性，在运行过程中往往比较重视主设备的操作，而忽视或不知道辅助系统的注意事项，最终导致主设备不能稳定运行，比如冲洗液循环不流畅，无压双端面机封的缓冲液带压等。公司气化分厂用于对烧嘴进行冷却的调和水泵(冲洗方案Plan 23+61，介质温度200℃)，在刚开始运行中，机封泄漏非常频繁，根本无法保证装置的长周期运行，检查分析后发现，冲洗液管线上没有安装排气阀，导致机封得不到很好的冷却从而引起失效。
按照大多数机封生产厂家的规定，在对管路引入冲洗液前，必须首先确认管路中的气体已经排除干净，并且在辅助系统管路中应引入相应的排气装置，以避免气泡阻塞流体循环，降低冷却、润滑效果。
3 结束语
结合以上例子来看，为保证一套双端面机械密封正常运行，除了机械密封本身的设计参数应满足工况需求外，机封辅助系统参数，包括冲洗方案、冲洗介质及冲洗压力的选择及正确使用，能否为机封提供良好的冷却、润滑、冲洗，是机封稳定运行至关重要的一个因素。
参考文献：
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[2]海因茨·K·米勒，伯纳德·S·纳乌. 流体密封技术——原理与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2002.
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