摘要: 介绍了柱塞泵软填料密封的基本知识, 重点就如何改善填料密封的性能, 从填料箱的总体结构、填料材料和组合、柱塞以及导向套等几个方面进行了分析。应用实例表明, 国产填料完全可以替代进口填料。

　　关键词: 柱塞泵;软填料密封;密封性能

　　柱塞泵在原油生产和炼油化工生产中, 常被用作高压注水泵、原油输送泵、化工原料泵和添加剂进料泵等,成为不可缺少的动设备。软填料密封作为柱塞泵中的重要组件, 直接影响着泵的工作性能和生产的正常进行。

　　1 密封机理

　　图 1 所示为一典型结构的柱塞泵用软填料密封。填料是依靠压盖产生轴向压紧力, 产生变形而贴紧在轴(或柱塞)面上的。从微观来看, 轴表面上的微凸体使轴表面与填料只能部分贴合, 从而形成了无数微小的相当不规则的“迷宫”,造成流体的节流减压,依靠这种“迷宫效应”达到密封。柱塞作往复运动时,软填料同轴表面间的相对运动类似滑动轴承。为了避免干摩擦 , 延长填料密封的工作寿命,应保证填料与轴表面间有足够的润滑和冷却,往封液环入口中注入封液 ,可达此目的。所以, 软填料密封的机理可认为是“迷宫效应”与“轴承效应”的综合 。

　　2 辅助系统

　　为改善软填料密封的润滑和冷却条件 , 延长密封的工作寿命或防止泄漏 , 填料箱可以配置各种辅助系统 ,如急冷、注封液和冲洗等。

　　a.急冷

　　急冷可很容易地设置在大多数单段填塞型密封箱的后部, 见图 2(a)。但在某些特殊情况下, 必须安装辅助密封,既可保护泵的正常工作,又可封住受污染的冷却液。

　　急冷用来防止污染物进入泵内、介质向大气中泄漏、大气侧的结晶、杂质沉积或析盐。污染的急冷液用后应注意排放, 比如说受氨或硫化氢污染的水必须输送到一个密闭的排放系统中。

　　b.封液

　　封液系统常用于柱塞泵真空操作 , 泵送介质为有毒易燃、易爆、含固体颗粒或高温、高压的液体介质等场合,是一种较为常见的辅助系统 。封液系统既可安装在带辅助密封的填料箱上 , 也可配置在至少包括两段填塞型密封的填料箱上 , 如图 2 (b)所示。封液应同被密封介质有相容性 , 常用的封液有润滑油和水 ,而润滑油往往用于高压加工系统 , 以对填料提供附加润滑 。封液压力应比填料箱压力高出至少 0.1 ～ 0.2M Pa , 其中填料箱压力的计算可参考文献[ 2] 。

　　c.冲洗

　　冲洗是在主填料密封前面引入低压流体或高压流体,以防止介质中含有的结晶颗粒或杂质破坏主密封,如图 2(c)所示。

　　冲洗分为异步冲洗和同步冲洗 。异步冲洗是指从储液罐中出来的洁净相容液体 , 以高出泵入口压力约 0.1MPa 的压力经单向阀进入喉部衬套的环形空间。在柱塞泵的吸入冲程阶段 ,柱塞从填料箱中抽出的同时 ,通过单向阀的压降会将阀顶开而使洁净液体进入;在排出冲程开始时,压差反向使单向阀 关闭。同步冲洗是指将容积式泵缸同每一填料箱相连接,并在每一吸入冲程阶段,向填料箱注入流量一定的液体。

　　3 软填料密封的改善

　　影响软填料密封的密封性能或密封效果的因素很多,从软填料密封使用情况来看, 填料箱的总体结构、填料的材质和组合、柱塞及导向套等是影响填料密封的直接因素。

　　3.1 填料箱的总体结构[ 3]

　　填料箱的总体设计包括辅助系统的选用, 填料的加载方式以及填料密封段数的确定。

　　尽管软填料密封结构简单可靠, 但亦有许多不足之处 ,主要表现在 :(1)受力问题 ———填料的径向抱紧力分布与介质压力分布不一致 ,这就要求很大的抱紧力方能使填料达到必要的密封效果;(2)自动补偿问题———随着软填料的磨损, 填料与轴表面间的间隙将增大 ,导致泄漏量的增加;(3)散热性差 。散热问题可根据柱塞泵的工艺条件 ,通过选择合适的辅助措施来解决 ,如选择急冷、冲洗、封液或夹套冷却等 。对于受力问题, 目前在生产实际中应用较多的解决办法是将单段长密封改为多段短密封 , 或采用几种不同种类的填料组合使用 ,或/和设置硬度较高的隔环来间隔填料, 以使压力降沿轴向较均匀地分布。最新研究表明, 将传统的反向加载(同液压方向相比)改为同向加载 ,可使径向抱紧力的轴向分布与介质压力分布接近, 并可使最大压紧力降低, 从而大大延长了密封的工作寿命 ,如图 3(a)所示。对于自动补偿问题 ,可采用液压加载和弹簧加载来解决,如图 3(b)所示[ 3 ～ 5] 。但当填料磨损较大时 , 需要很大的压紧力 ,而上述加载补偿能力有限, 故在实际应用中少见。

　　3.2 填料

　　密封填料是影响密封性能最直接和最主要的因素,具体体现在填料材质的选择和组合 ,以及填料的安装等方面.

　　a.密封材料及其组合

　　据现场调查 ,目前柱塞泵轴封常用材料主要有石棉填料 、石棉浸 PTFE 填料、PTFE 纤维成型填料 、碳纤维填料和柔性石墨(又称膨胀石墨)。上述填料均可单独使用 ,但是柔性石墨一般不单独使用,原因是强度低、不耐冲蚀、不耐挤压, 在介质压力作用下会成粉末状流动而使密封失效, 所以用于动密封场合时常同其他几种填料组合使用 。现场采用两种填料组合使用的较多, 如 PTFE 纤维与碳素纤维或柔性石墨组合。值得注意的是 ,同种组合下, 填料安放位置不同 , 则产生的密封效果会大不一样。此时填料安放的原则是 , 较硬或回弹性差的填料安放在箱底部和压盖处 ,若有封液环 ,环两侧也应安放硬环 ,较软填料放置在中部, 其间可用金属垫片(厚 1～ 3m m)作隔环, 以使沿每圈填料的压降均匀些。各项实验和现场应用研究表明, 组合式填料的优点越来越为人们所接受[ 5] ,特别是 PTFE 纤维成型填料同碳素纤维或柔性石墨的组合 。由于石棉对环境产生污染 ,为致癌物 ,并且单独使用时寿命很短 ,对轴的磨损较严重 ,所以石棉系列填料在西方国家正逐渐被淘汰。

　　b.填料的安装及调试

　　填料装填质量的好坏 ,对填料密封的平均工作寿命(M TBF)有着直接影响 ,有时甚至起着决定性的作用 。安装时主要应注意 :

　　(1)清洁填料箱及轴表面 ;

　　(2)填料外表面涂抹密封剂或与介质相容的润滑剂 ;

　　(3)填料切口应相互错开 ,第一 、二圈切口相错 180°,第三与第二圈相错 90°, 第四与第三圈相错 180°, 依此类推 ,并且应注意切口不能在轴下方 ;

　　(4)上紧压盖时应力求用力均匀 。详细过程可参考文献[ 2] 。

　　填料不要一次性压得过紧 ,开车后再逐渐紧固 ,使其泄漏量为零(对有毒 、易燃或易爆介质)或不大于15 滴/分(水或其他对环境无污染的介质).

　　2.3 柱塞(轴)

　　软填料密封的泄漏量除了同填料 、填料箱总体结构有关外 ,还同柱塞的表面质量(硬度 、粗糙度)、柱塞的结构及其振摆等因素有关 。一般要求柱塞表面粗糙度在 3.2μm 以下 , 表面硬度应不小于 H RC50 , 轴的允许偏心度最好不超过 0.03 ～ 0.08mm(大轴径取大值), 最大值不应超过 d /100mm , 避免填料密封当作轴承来用 。柱塞表面通常镀上一层耐磨 、耐腐蚀性好的保护层 , 铬化硼系列合金是较常用的涂层材料 ,另外还有硬铬和氧化铬等 。涂层既可用于普通碳钢 ,又可用于不锈钢坯体 ,如 1Cr18Ni9Ti 等 。对含固体颗粒或易结晶介质 , 柱塞表面可喷涂金属陶瓷(Cr2O3)或硬质合金(WC), 也可采用 38CrMoAl 作柱塞 ,并且表面经辉光离子氮化处理 ,来提高表面硬度。除镀铬之外 ,应用化学镀目前正被采用 ,以解决电火花镀层中产生气孔的问题。

　　柱塞的结构也是影响密封性能的一个因素。所调查的几十台柱塞泵全是卧式泵, 柱塞对填料和导向套均产生了不同程度的偏磨 , 有的还很严重。为减小摩擦,降低偏磨损 ,可采用空心柱塞,达到延长密封使用寿命的目的。

　　3.4 导向套

　　导向套起着定位和支承柱塞的作用,从而减小了对填料密封圈的侧压力,提高了密封效果。柱塞和导向套是一对重要的摩擦副,导向套材质的选择应与柱塞材质的选择一同作出, 以形成一个良好的工作组合。对导向套材质的要求是耐磨、耐腐蚀, 并具有一定的机械强度, 其硬度通常低于柱塞表面。例如, 对镀铬柱塞, 导向套的材料应首选青铜或铸铁,其次是铸钢。近年来也有采用填充金属的非金属材料作导向套的,如填充 PTFE 和浸金属碳石墨等材料 ,但由于非金属材料的强度低 ,所以还需在设计上作大量的改进,如加设金属套等。

　　4 应用实例

　　某石化企业所用注水泵原来采用进口柔性石墨和填充 PTFE 材料作密封填料, 后来改用国产石棉填料, 支承环采用纯 PTFE 垫片。实用经验表明 ,改用国产填料后密封使用寿命大大下降,最短时仅几个小时(见表 1)。后改石棉填料为石棉浸渍 PTFE 填料,效果仍无多大改观。由于密封泄漏过量,对柱塞泵的正常工作性能产生影响,加大了泵的流量脉动不均匀度,严重时诱发管线特别是出口管线的剧烈振动, 干扰了生产的正常进行。

　　经对填料和柱塞的磨损情况分析及尺寸复测,认为密封失效或寿命短的原因主要有 :(1)石棉或浸 PTFE 石棉填料的耐磨性差, 应力松弛较大, 使用过程中容易出现硬化现象, 对柱塞产生磨损, 同时回弹率又低, 从而使 密封寿命大 大缩短 。纯PTFE 材料强度低 , 自润滑性较差且不磨损, 不宜作支撑环; (2)柱塞镀层精度低 , 表面硬度偏低 ,易磨损 ;(3)密封的水封断流现象时有发生 ;(4)密封的安装质量差 , 填料内径偏小, 以及泵工况波动较大等是造成密封寿命短的原因 。改进措施包括 :(1)改石棉系填料为碳素纤维 (1 号、2 号泵)或 V型 PTFE 纤维填料 (3 号、4 号泵), 支撑环改用填充 PTFE (如填充铜粉、玻璃纤维或石墨等);(2)柱塞镀铬层厚度控制在 0.1 ～ 0.18mm 以内, 表面粗糙度不大于 3.2μm , 表面硬度不低于 H RC55 ;(3)在泵的进、出口管线中加设稳压罐和空气包;(4)加强填料密封的冷却管理, 并提高安装、维护工人的技术水平等。采取这些措施后 , 密封的寿命提高到了 5000 小时以上, 基本上满足了生产的要求(见表 1)实例表明, 只要密封箱总体结构设计正确, 填料选材及组合得当, 安装质量较高 , 维护及时, 国产密封件的使用寿命完全可以同进口密封件相媲美。

　　4 结束语

　　柱塞泵已经发展了三百多年, 为使其应用领域不断拓宽 , 就必须不断研制和开发新型填料以及新的设计方法。任何填料密封对某种特殊液体的适应性是受工作条件的影响和制约的。改善密封性能,延长密封使用寿命, 最关键之处是合理选用新填料及其组合方式, 其次是优化填料密封装置的结构,如填料箱总体结构设计, 柱塞的表面质量、对中性 , 隔环和支撑环的数量及其定位 , 导向套的材质及其同柱塞间间隙的选择等等。当然, 用户为求得寿命长且可靠性高的填料密封, 就应同填料制造厂紧密联系, 以确保密封设计及其应用的成功。

　　参 考 文 献

　　1 彭旭东等 .柱塞泵管路系统失效分析及防止措施 。 石油化工设备 , 1996 , 25 (2):27 ～ 30

　　2 顾永泉 .流体动密封 .石油大学出版社 , 1990

　　3 Denney D .F , .N ew Generation Soff-Packed Stuffing-boxSeals , World Pump , 1988 , N o .261 , 138 ～ 142

　　4 Nesbitt B .Stuffing box designs for reciprocating pumps ,World Pump , 1994 , No .328

　　5 杨书益等 .组合式密封填料的性能研究及应用 .流体工程 .1989 , (10):4 ～ 9

　　免责声明：以上内容来自网络，仅供参考，如果侵犯，请及时通知我们，本网站将在第一时间及时删除!

更多泥状填料信息欢迎访问法兰垫片公司奥赛罗密封，咨询电话：0311-87316999。奥赛罗密封长期诚招代理商。