泵送环及其在机械密封中的应用

1、2009化工设备与管道增刊二泵送环及其在机械密圭寸中的应用王慧（丹东克隆集团有限责任公司 ）?技术交流?672009化工设备与管道增刊二?技术交流?#2009化工设备与管道增刊二在石油炼制和化工 等工业中，有超过80%的输 送液体介质旋转设备采用机械密封。机械密封的零 逸出、高可靠性、长寿命、低磨损等是机械密封领域 的研究发展方向。工作良好的机械密封辅助系统是 保证机械密封长寿命 工作的必要条件。API 682规 定的辅助系统方案基本可以满足机械密封在大多数 工况条件下正 常运行,在API 682规定的辅助系统 方案中第23和52、53号方案（如图1、图2示意）, 要求密封保护液或隔离缓冲液能

2、够循环流动以带走 密圭寸端面产生的热 量，降低密圭寸工作温度。促 使密 封液循环有以下三种方式：（1）在系统管路中加小型管道循环泵来完成 循环；（2）利用热虹吸作用形成自然流动循环；（3）在密封上增加具有泵送效应的旋转零件泵送环，来完成密圭寸液循环。对于第（1）种循环方式，外加的小型循环泵涉 及到耐压、耐温、密封、防爆等系列问题，成本投入较 大，一般情况下较少采用。密封泵送环图1 密封泵送环1密封泵送环图2 密封泵送环2对于第（2）种循环方式，需要有一定温差才能 形成循环，且循环速度较慢，在转速较高、发热较大 的场合使用，效果不明显,一般用于低转速、发热较 少场合。第（3）种循环方式泵送环,其

3、固定在机械 密封旋转件上，一同旋转，作用是将密封腔内的缓冲 液体（隔离液体或泵腔 内的自冲洗流体）驱动送出， 经过冷却器储罐后送 回管路,满足密封液循环的要 求,与密封本身相比成本很低，除消耗极少的轴功率 外,不涉及其他问 题,经济实用，已经在机械密封上 较广泛使用。1 泵送环分类常用的泵送环有离心 式和 螺旋式 两种结构（见 图3、图4）。离心式泵送环有开口槽式、斜孔式和半圆槽式等样式（见图5）,斜孔式是为了增大密封液 流量，减少流体阻力而设计的，对轴旋向有要求。螺 旋式有内外 螺旋配合式和只有外螺纹旋转等样式 （见图6）,后一种较常用，螺纹式泵送环有 螺纹旋向要求，需要注意图3 离心式泵送

4、环图4 螺旋式泵送环根据密封腔内能利用的空间不同，而选用不同 结构的泵送环。当密封腔径向空间较大而轴向空间 较小时，选用离心式泵送环；当密圭寸腔轴向空间较大 而径向空间较小，则选用螺旋式泵送环；如果密封腔 有足够的空间，则两种泵送环可任意选用。泵送环 常选用与密封结构件 相同的材料，当与静止件间隙 较小时，可选用耐磨性更好的材料 ，但要考虑材料的 耐腐蚀性能。仁半圆槽式图6 螺旋式泵送环样式2 泵送环作用机理离心式泵送环是在金属环的一侧加工出液槽（或孔）（见图5）,利用泵送 环高速旋转时产 生的离 心力将出液槽（或孔）内的密封液甩出，使泵送环外 侧的密封液形成一定 的压力，将泵送环外侧的密封

5、液导流出去，同时泵送环内侧的密封液不断补充到 出液槽（或孔）中，形成持续泵送效应,工作状况类 似离心泵。离心式泵送环要求由离心力作用甩出的流体对着出口，引出口结构形式对循环压力影响较大，常用的办法是在对应的外 腔体上面加工一槽,槽的轴向 宽度包含离心环轴向 宽度，同时环形槽并非是圆周 的,在近出孔的后侧位置处隔断 ，以使流体强制流向 出孔，这种设计的零件对间隙要求不高。离心式泵送环环外侧压头主要由试验得出。螺旋式泵送环是在旋转套的外表面加工出多头螺纹,与套在旋转套 外面静止件的内表面配合使用 （如果静止件的内 表面加工出与泵 送环反向的螺纹 效果更好，但通常因空间狭小，加工困难,静止件的 内表

6、面不加工螺纹），当泵送环旋转时，螺纹将带动 螺纹槽内介质旋转，由于惯性作用螺纹槽内介质与 螺纹槽产生相对运动，促使密封液向一侧运动，使泵 送环两侧产生压差，此压差可按照下列公式计算出 ：2p = K p Z /（ nd） （V/2） - （ Q/ F） tg a sin a式中 K压头系数；p介质密度；z螺纹头数；l螺旋体长度；d螺旋轴直径；V圆周速度；F过流面积；Q包括泄漏量在内的流量 ；a螺旋升角。将高压侧的密封液通过出口流道引出到外部管路,经过换热器或储罐后回流到密封腔形成循环。 螺旋泵送环对流道的 出口要求不高，但也需要有利 于密圭寸液流出。螺旋泵送环与外侧静止件内表面的配合间隙以 运

7、行中泵送环与静止 套不摩擦接触即可，间隙大了 将降低泵送压头。由于整体循环过程中,密封液循环压力与压盖 出口方向、角度以及管路流程阻力、密封液的黏稠度等关系较大，详细计算很复杂,实际使用中，以检测 压盖、换热器的密封 液进出管路温度差值等来判定泵送环的工作状况3 泵送环在机械密 封中应用泵送环常用在 API方案23、52、53中驱动 密封 液循环，下面分别做一下介绍。3. 1 API 方案 23API方案23是密封液被泵送 环驱动，从密封腔 出来经过换热器冷却后，再回到密封腔的循环过程。 此方案中密封是单端 面机械密封，本方案是高压热 水泵首选辅助系统方 案,这里的密封液即是泵送的 流程介质。

8、在正常情况下，密封液无泄漏，只在密封 腔与冷却器之间循环，带走密封运转产生的热量和 泵体热传导到密封腔的热量，降低密封腔的温度。因有泵喉部衬套的节流作用，密封液很少与流 程介质更新，如果密封液存在结焦、结晶、变质等物 理或化学变化，则不适用于本方案。由于泵送环的驱动压头有限，不适合使用流阻 较大的换热器，管路的流程阻力也不能太大。API方案23常用离心式泵送环，示意图见图7。辅功姿统图7 API方案23的应用3. 2 API 方案 52API方案52是外部储液罐为布 置方式II(每套 集装密封有两对密封 面,且两对密封面之间的压力 低于被密封的 介质)的外侧密封提供缓冲液,缓冲 液由泵送环驱动

9、循环，储液罐通过阀门、孔板等与装 置排气系统连通，及时将前级密封泄漏的介质蒸汽 排出，并保证缓冲液压力低于介质压力本方案使用的储罐通常为压力罐,罐中有蛇管 冷却缓冲液。正常情况下，该方案可 以保证流程介质不被泄 漏到大气中。通过检测储液罐缓冲液的液位或压力 变化，可以得知前级密封是否有大量泄漏，从而知晓主密封的工作情况。API方案52常用于烯烃类化工介质泵上。常 用结构示意见图8,集装密封的主要性能取决于前 级密封，可配合API方案11 21等一起使用。图8 API方案52的应用3. 3 API 方案 53API方案53是用高于介质压力的隔离液储罐 为布置方式 山(每套集装密封有两对密封面,且

10、两 对密圭寸面之间的压力 高于被密圭寸的介质)的前级密 封和外侧密封提供液 体循环,隔离液的循环由泵送 环驱动。API方案53细分为53A、53B、53C三种结构。(1) 53A的隔离液直接由氮气加压，用于压力 低于2 MPa的工况，储液罐为压力罐；(2) 53B的隔离液由氮气通过气囊蓄 能器间接 加压，隔离液由换热器冷却，用于压力高于2 MPa的 工况,储液罐为换热器；(3) 53C的隔离液由介质通过增压罐升压后间接加压，用于介质压力有较大波动工况，储液罐为增 压罐。在实际应用中通过检测储液罐内隔离液的液位 或压力变化和观察外侧密封的泄漏情况来分析前级 密封的工作状况。应用API方案53的密封系统，正常工作前级密 封的泄漏方向是介质，即隔离液漏向介质，所以可以 保证介质的零逸出，有利于环保要求,常用于有毒、 易燃、易爆、强腐蚀等的介质密封。API方案53B的应用示意图见图 9。气囊蓄能器换热器封油入口外侧密封泵送环前级密封封油出口图9 API方案53B的应用4 结束语随着串联或双端面机械密封的广泛应用，缓冲 液或隔离液的循环状况在不同程度上决定着机械密 封的使用寿命，要求泵送环在较小的空间尺寸内能 够提供更大的循环动力。泵送环 不仅 可以驱 动密封液的 循环，还可以利 用其产生压力的特性，反向利用在密封的前端，降低