对往复机械填料密封改进的探讨

1、往复机械填料密封的改进黄 斌荆门石化新维机械分公司 湖北荆门摘要： 针对往复机械中常用的填料密封在实际应用中存在的储多问题及不足，在充分分析往复机械运行特点的基础上，结合实际工作经验，提出了相应的解决办法。关键词： 往复机械、填料密封、维护改进前言目前石化行业往复式机械的活塞杆密封多是沿用普通的填料密封，填料密封存在着使用寿命短、泄漏现象较严重、影响工厂正常生产和工人身体健康等问题。并且该类密封难以形成标准化、系列化、以及通用化，这就给往复机械的运行和维护带了很大的麻烦。为了解决这一问题，必须摸索出一套针对往复机械填料密封的维修和改进方法，以便能够更好地改善往复机械的运行状况。虽然因为石化行业

2、生产的多样性，这类密封被使用在不同的工况下，但其仍然存在很多共性，即改进的出发点有许多相似之处。相同之处就在于，不论对高压油泵、水泵、化工介质泵，还是高压的柱塞密封，如果试图改善其填料密封状况，都必须解决以下两点：1）降低密封腔内的压力；2）解决活塞杆运动时的偏心问题。另外在此基础上，再采用合理的润滑方式、设置排液环和防尘圈，以及加装辅助密封环等辅助措施。经实践证明：只要把这几个问题综合考虑好，这类密封的问题就能迎刃而解。下面就上述几个问题进行更进一步的探讨。1 降低压力负荷问题往复机械活塞杆密封，最要害的问题是密封腔压力高、对填料的液力冲击较大，给密封环的使用带来了许多困难。因此，降低密封腔

3、的压力负荷和阻止液力对填料的冲击就是这类密封设计的首要问题。解决的办法是在密封的最前端设置一个强度较高的节流环让它一方面起到节流降压，控制泄漏量增加的作用，一方面又起到阻止周期性液力冲击，保护密封环的作用。节流环的设计可参考柱塞泵偏心圆环缝隙中的液体泄漏量近似计算公式：Q=d/12lP3（1+1.52）（m3/S）式中： d-节流环的内径（M）P-压力降（P=P1-P2） （Pa：N/M2）-节流环与柱塞之间的间隙（M）-介质的动力粘度（Pa.S）即N/ M2.S)-间隙的相对偏心度e-柱塞和节流环之间的偏心距(M)通过上式的计算，可以确定关键尺寸节流环与柱塞之间的间隙的大小。因为上式中只有Q

4、和P（其实是P2）是未知量，而Q可以根据间隙和实际工况预先确定一个值，这样P即可通过上式的计算得到。通过得到的P，我们就可以考察设计中选取的值是否合适，如不合适还可重新选取进行计算。直到满意为止。例如中石化荆门分公司丙烷车间泵-5先取为1.5mm，后经反复验证最终取0.8mm，取得满意效果。当然得到的P是一个近似值，但该公式说明了两个问题。1）压降P与间隙的立方成反比，当稍微减小，P就会显著增大。表明当较小时，节流环产生的压降就大，就能大大减轻节流环后面密封环的压力负荷，改善密封环的工作条件。2）泄漏量Q与间隙的立方成正比，要想使泄漏较小，在考虑活塞杆运行精度的前提下，就必须尽量地减小值。根据

5、上面的分析，可以看到设置节流环很有必要，并且在设计和加工制作时，应尽量控制间隙，不能让过大。在压力较高、对密封环要求较严格的场合，最好让节流环与柱塞配研制作，以便保证较小的配合间隙。另外，设计节流环时，最好在环内孔中加工一系列迷宫槽，使活塞杆与节流环之间形成一系列节流间隙和膨胀空间，使介质的压力能转化为热能，从而起到降低一定压力的作用。迷宫槽的形式很多，常用的有三角形和矩形，如图1所示。图1 节流环迷宫槽的形式示意图（a:三角形，b:矩形）在实际工作中，对石墨类材质的节流环一般采用矩形。2 保证活塞杆的正常运动受往复泵的固有结构的影响，活塞杆的运动往往不在一根理想的轴线上，运动时常常存在不同程

6、度的偏心。这样，活塞杆的偏心运动将导致密封伯的偏磨，加剧密封的磨损，从而缩短密封的使用寿命。为了减轻活塞杆运动时的偏心，在维修改进上主要从两个方面加以考虑：1）一般在整套密封的前端设置一个对活塞杆起支承，导向作用的零件，使活塞杆基本能够被约束在一条轴线上运动，起这种作用的零件仍由前述的节流环承担。由于节流环具有降压、支承、防止液力冲击的三种作用，因此该环的材料选用应从强度、耐磨等方面考虑。2）密封零件应有良好的浮动性。以便及时弥补因活塞杆偏心运动而产生的密封间隙。这主要通过密封零件的结构、尺寸和材料选用上来达到其目的。3）活塞与缸体之间的配合情况，直接影响活塞杆的运动轨迹。严格按规范要求，定期

7、检查活塞托瓦与缸体之间配合间隙，及时更换超标配件，保证活塞杆的运动轨迹。3 填料密封环结构形式和材料的选择这两个问题非常重要，解决得好与否，直接影响到密封的实际效果。填料密封常用的材料有金属和非金属两大类：由于在实际工作中金属类材料使用较少，故这里只讨论非金属材料的应用。密封环常用字的非金属材料有橡胶、工程塑料、皮革、石棉、柔性石墨、碳纤维及其它填充、混编材料等。它们的特点是弹性高、浮动性优良、耐蚀性好，导热性、耐磨性视材料不同而差异较大。由于非金属材料具有在较低的密封力作用下，获得较大的弹塑性变形的特性，因此它对泄漏问题容易产生较强的填塞作用，这一特性的另一方面表明非非金属材料自身强度较低。

8、因此在使用它们作为往复泵的密封环时，个别特殊场合下，应采用加金属衬垫补强等方法来弥补其不足。非金属材料的结构形式较多，常用的有软填料和成型密封圈等。软填料结构简单，装拆方便，它主要通过压盖将其轴向压紧，使其产生径向变形，堵塞间隙而达到密封效果，其工作原理如图2所示。其缺点主要是填料磨损较快，要定期调整压盖紧力，以补偿因填料磨损而损失的预紧力，填料更换次数也较频繁。图2 软填料工作原理示意图成型密封圈是通过模压或车削加工制作成型。特点是结构比较紧凑、密封性能较好。成型密封圈按工作原理可分为挤压和唇型两类。挤压型密封圈受到安装沟醋槽的预压缩作用，摩擦表面上产生初始接触压力，得到预密封效果。受到介质

9、作用力后，产生自紧作用，摩擦面接触压力数值上升，增强密封效果，其工作原理如图3所示。这类密封圈的主要结构形式为O型、方型、D型等。图3 挤压型密封圈工作原理示意图图4 唇型密封圈工作原理示意图（a:p=v,b:p>v）唇型密封圈截面中有一个或一个以上的唇口，它主要通过介质压力产生比挤压型密封圈更强的自紧作用来进行密封，工作原理见图4。主要结构形式有V型、U型、Y型、L型等等。非金属材料密封圈，用途极为广泛，是往复泵活塞杆密封主要使用的材料。特别在高压柱塞泵上。以上我粗略地介绍了它们各种结构的特性，在具体改进和使用上还有很多问题，需要仔细研究，认真对待。根据以上分析，可知非金属材料自身强度

10、较低，作为高压往复泵的密封环应该采取补强措施，避免过早损坏。另外，密封的各种材料和结构形式均存在优缺点，任何一种材料和结构形式都很难作到完善无瑕，可以根据具体情况，使用两种或两种以上的材料和结构形式，将它们组合起来，互相取长补短，这样综合治理，弹性、强度兼备，常常会取得良好的密封效果。如荆门分公司酮苯车间泵-111、109等均采用了高压成型软填料结构即将软填料利用胎具加工成型后并加装支承环在现场应用中效果较好。4 设置排液环和防尘圈问题4.1设置排液环往复泵的活塞杆密封在使用过程中，其密封环与设备的另部件 之间存在有极小的间隙，液体在压差作用下，将逐步随着这些间隙漏出，这样有可能在密封的某一个

11、部位出现积液，液体积存后产生过高的压力使密封环造成背压破坏。填料密封环的损坏后工作介质就会顺着活塞杆泄漏到大气中去，造成泄漏明显化。为了防止密封环的背压破坏和工作介质顺着活塞杆泄漏到大气中去，造成污染环境、浪费物料的现象发生，很有必要在密封的后部设置排液环，有意识地将积液从此处排出并直接回流到往复泵的入口管道中去。这样一方面解决了上述两个问题，另外对密封件的润滑也起到了积极的作用。4.2设置防尘圈往复机械的活塞杆有一部分始终暴露在空气或另一相介质中，很容易被空气中的灰尘、杂质、或另一相介质所粘污。当活塞杆每往复运动一次时，这些杂质就有机会进入密封工作面，甚至进入缸体，造成不应有的磨损。因此有必

12、要采取有效的防尘措施。往复机械的防尘措施要靠金属或非金属唇型防尘圈来实现。非金属唇型防尘圈的主要结构形式为J型（也可是双V型；让它一个唇防尘，一个唇起密封作用），如图5所示材料多采用填充四氟和橡胶。 图5 非金属J 型防尘圈它主要通过唇口刮擦活塞杆，去除污物。但唇口的刮污能力不如金属防尘圈，它适用于刮除粘着力较小的污物。由于非金属材料一般弹性较好，故唇口对活塞杆的浮动贴合性也较好。金属唇形防尘圈的结构形式主要有J型、锥型等，材料多采用铸铁、青铜、轴承合金等。它的唇口刮污能力较强，但由于材料的弹性低，唇口对活塞杆的浮动贴合较差，因此安装时应采取浮动安装结构，以改善它的贴合性（如图6所示）。 图6

13、 金属唇型防尘圈的浮动安装结构5 密封件的润滑密封与润滑常常就是矛盾着的双方（不包括自润滑性材料的零件），尤其是往复机械设备的密封，要求形成稳定的连续液膜，才能起到良好的润滑作用。但这样，对密封效果不利，会使泄漏量增加。那么应当如何解决呢？润滑是克服磨擦、缓解磨损的有效手段，因此在实际应用上必须使密封件的润滑状况得到改善。在一般泵的改进上，主要是通过导出逐级泄压后积存的液体介质来实现液膜的形成（可见排液环的重要性），并使之对控制密封零件的温升起到较好的作用。通过实际使用，证明达到了改进目的。采取这种方法，最大优点是省去了附加润滑装置，靠介质进行自身润滑，这在润滑性较好的介质中使用效果尤佳。6

14、结论通过讨论。结论如下：1）节流环由于对降压、支承、防止液力冲击起着相当好的作用，因此是整套密封不可缺少的一个重要零件。检修该零件时，应当重视配合间隙，越是压力高的泵，配合精度应越高，越需要采取配研。一般要求按接触面积达80%均布。2）注意密封件的浮动性、补偿性、以便克服活塞杆偏心带来的偏磨，以及能及时填塞偏心出现的较大泄漏通道。3）密封环结构形式和材料应当根据工况正确选择。单一的结构形式和材料由于局限性很大，往往不能满足要求，；应当采取几种结构形式和材料的组合，互相扬长避短，以便提高密封效果。4）从避免密封环免遭背压破坏，泄漏不致明显化，依靠液体介质自身润滑和冷却的角度考虑，设置排液环很有必要。它的位置应在密封腔长度的2/33/4处（起始位置）。5）为防止污物和物料中硬粒子进入密封腔。应当设置防尘圈。防尘圈的材料可根据污物、硬粒子的性质正确选择，以免防尘圈过快失效，一般防尘圈应装配在压盖上。6）