上游泵送机械密封的理论分析与应用范围

上游泵送机械密封的理论分析与应用范围

1密封介质的泄漏由于新型液体运动和压力结合的非接触机械密封，上游泵送机械密封（也称为导向泵送机械密封）可以与普通接触机械密封相比，在密封介质中的零泄漏和零泄漏，从而完全消除环境中的污染，从而具有显著的技术优势，如延长寿命寿命，显著降低运营成本和显著的经济优势。本文从理论上分析了上游泵送机械密封的工作原理,综合了国内外有关的研究开发成果,结合产品研究和开发的经验,明确规定出上游泵送机械密封的应用范围,以期推动我国上游泵送机械密封理论研究和产品开发工作的发展,指导用户对该产品的正确使用和维护。2密封原理和分析2.1密封压力图1(a)为普遍采用的螺旋槽上游泵送机械密封端面结构。若动环外径侧为高压被密封液体(规定为上游侧或高压侧),内径侧为低压流体(可为气体亦可为液体,规定为下游侧或低压侧),当动环以图示方向旋转时,在螺旋槽粘性流体动压效应的作用下,动静环端面之间产生一层厚度极薄的流体膜(图1中h0),使动静环端面保持分离即非接触状态。在外径与内径压力差的作用下,高压被密封液体产生方向由外到内的压差流Qp,而螺旋槽的流体动压效应所产生的粘性剪切流Qs的方向由内径指向外径,与压差流Qp的方向相反,此为上游泵送概念的由来。流经密封端面间隙的总泄漏量Q为:Q=Qp-Qs(1)(1)Qp>Qs时,Q>0,高压侧密封流体向低压侧泄漏,则认为该上游泵送机械密封不具备密封能力,不在研究对象之列。(2)Qp=Qs时,Q=0,密封可以实现零泄漏;若低压侧无缓冲流体,则可以实现被密封流体的零泄漏,但不能保证被密封流体以汽态形式向外界逸出或排放。定义对应此状态下的密封为零泄漏上游泵送机械密封。(3)Qp<Qs时,Q<0,低压侧流体向高压侧泄漏;若低压侧有缓冲流体,则有少量缓冲流体从低压侧泵送至高压侧,不仅可以实现高压被密封流体的宏观零泄漏,而且可以达到被密封流体向外界的零逸出或零排放,故称对应此状态下的密封为零逸出上游泵送机械密封。2.2密封管线压力上游泵送机械密封的理论依据是流体动压润滑理论的基本方程——雷诺方程,分析方法有数值计算法和解析分析法。为了清楚说明上游泵送机械密封的工作原理及密封性能与各影响因素之间的关系,可以利用基于端面槽数无限多、槽宽和槽间距离无限窄理想模型的“无限窄槽理论”,得出端面槽区的流体膜压力分布。以内径开槽的对数螺旋线型上游泵送机械密封作为研究对象,其端面槽堰区的流体膜压力梯度为:dpdr=6μωrh20g1-6μ(1+γ)πh20h1rg2Q(2)g1=g1(α‚Η‚γ)=γΗ2(cotα)(1-Η)(1-Η3)(1+γΗ3)(γ+Η3)+Η3(cot2α)(1+γ)2g2=g2(α‚Η‚γ)=Η2(1+cot2α)(γ+Η3)(1+γΗ3)(γ+Η3)+Η3(cot2α)(1+γ)2dpdr=6μωrh20g1−6μ(1+γ)πh20h1rg2Q(2)g1=g1(α‚H‚γ)=γH2(cotα)(1−H)(1−H3)(1+γH3)(γ+H3)+H3(cot2α)(1+γ)2g2=g2(α‚H‚γ)=H2(1+cot2α)(γ+H3)(1+γH3)(γ+H3)+H3(cot2α)(1+γ)2式中g1——螺旋槽型函数g2——螺旋槽型函数μ——缓冲流体的动力粘度,Pa·sω——动环的旋转角速度,rad/sh0——端面流体膜厚,mγ——螺旋槽间堰宽与槽宽之比,γ=b2b1γ=b2b1α——螺旋线的螺旋角H——端面膜厚与堰区膜厚之比,Η=h0h1H=h0h1λ——端面内径与槽径之比,λ=rirgλ=rirgQ——上游泵送量,m3/s积分式(2),得端面螺旋槽堰区的膜压分布为:p=pi+3μωg1h20(r2-r2i)-6μ(1+γ)πh20h1g2×ln(rri)Q(3)式中pi——内径ri处的缓冲流体压力由式(3)可以得知,端面螺旋槽堰区的流体膜压由内径到槽径是逐渐增加的,且呈近似二次抛物线分布形式(因泵送量Q很小,其对膜压的影响可忽略不计)。则螺旋槽径rg处的压力:pg=pi+A+BQ(4)式中A=3μωg1h20(r2g-r2i)B=-6μ(1+γ)g2πh20h1ln(rgri)在密封坝区,流体膜的压力梯度为:dp′dr=-6μQ′πh301r(5)积分上式得密封坝区的压力分布为:p′=p0+6μQ′πh30ln(r0r)(6)式中p0——外径r0处密封流体压力则螺旋槽径rg处的压力为:p′g=p0+CQ′(7)式中C=6μπh30ln(r0rg)根据连续性条件:pg=p′g,Q=Q′,求解式(4)、(7),得螺旋槽径rg处的压力和密封的上游泵送量为:pg=Bp0-Cpi-ACB-C(8)Q=p0-pi-AB-C(9)螺旋槽径rg处的压力pg是决定密封性能的关键性参数:当pg<pf时,既不能实现零泄漏,亦不能实现零逸出,密封失效;当pg=pf时,实现宏观零泄漏密封功能,但不能保证实现密封介质的零逸出,若内径侧无缓冲流体,则对应此条件下的密封为零泄漏上游泵送机械密封;当pg>pf时,若低压侧有缓冲流体,则低压侧缓冲流体被泵送至高压侧,且端面间隙之间被一层缓冲流体膜分隔开来,彻底消除密封介质的泄漏和逸出,实现零逸出密封功能,对应此条件下的密封为零逸出上游泵送机械密封。3对数螺旋线型至今已开发出的上游泵送机械密封的端面结构各种各样:流体动压槽线可以是螺旋线、圆弧、直线等,但从流动效率和稳定性考虑,对数螺旋线型最为理想;开槽方式分单列螺旋槽和双列螺旋槽两大类。3.1机械原理单列螺旋槽包括内径开槽、外径开槽、中间开槽等三种型式。内径开槽型见图2(a),是在螺旋槽气膜密封的基础上开发出来的,最早应用于工程实际;外径开槽型与内径开槽型基本相同,只是开槽的位置不同,故上游泵送方向由外径指向内径,如图2(b)所示,其泵送能力和流体膜刚度优于内径开槽型;中间开槽型如图2(c)所示,是一种具有双密封坝的新型结构,理论分析和试验结果表明,该结果具有更高的流体膜刚度即稳定性、防固体颗粒能力强,且具有双向泵送特性,是一种值得开发应用的上游送机械密封结构。3.2布坝—双列螺旋槽型双列螺旋槽主要有八字型槽、人字型槽、Y型槽、分段型槽等结构型式。八字型槽是在端面内、外径两侧开螺旋槽,中间有一密封坝将两列槽分开,见图3(a),内侧槽的泵送方向是由内径指向外径,而外侧槽的泵送方向由外径指向内径,但由于内侧槽的径向高度大于外侧槽,故两列槽的总的泵送效果是由内径指向外径;人字型槽与八字型槽基本相同,只是两列槽在中间相交,见图3(b)。另外,该结构可以有两个密封坝;Y型槽是内侧槽与外侧槽相交后继续向外径延伸,形状像Y型,见图3(c)。分段型槽则是开设的两列槽的倾斜方向相同,见图3(d),其泵送效果一致,均由内径指向外径。总体而言,双列螺旋槽型的稳定性优于单列槽。需指出的是,图3中的双列螺旋槽型结构的泵送方向亦可以由外径指向内径,只是外侧槽的径向高度必须大于内侧槽。4泵送机械密封的工业应用4.1机械密封的使用零泄漏上游泵送机械密封的装配结构与普通的单端面接触式机械密封相同,唯一的区别只是在密封端面上开设流体动压槽,在各类非接触式机械密封中结构最为简单,不需要其它复杂的辅助系统(但仍可采用自冲洗辅助措施),可在以下条件中得以应用:(1)输送饱和蒸汽压高于环境大气压的各种介质旋转流体机械类轴封。这类介质的特点是不易产生汽化,即使泄漏也是以液体形式出现,而不会发生挥发性泄漏,如各种油品、水等,因此,在条件允许的情况下可以采用无需缓冲流体辅助系统的零泄漏上游泵送机械密封。(2)停车密封。可以与螺旋密封、叶轮密封等一起作为组合密封使用,用于密封高粘度、高含固体颗粒的介质如泥浆、重油等。在工作状态下螺旋密封、叶轮密封起主要的密封作用,零泄漏上游泵送机械密封起辅助密封的作用,在停车状态下零泄漏上游泵送机械密封起停车密封的作用。(3)备用密封。当主密封开始泄漏时,作为备用密封的零泄漏上游泵送机械密封可以及时地阻止介质向大气泄漏,直至主密封的泄漏达到报警限为止。(4)轴承密封。在某些条件下如高速齿轮箱轴承密封等亦可采用零泄漏上游泵送机械密封。4.2双端面机械密封的优势零逸出上游泵送机械密封需要增设缓冲液辅助系统(亦可仍采用自冲洗措施),可用于密封某些高污染性、高危险性介质等。(1)用作输送饱和蒸汽压低于环境大气压的各种介质旋转流体机械类轴封。如炼油石化企业中的液态烃、轻烃、液氨等类介质的特点是易汽化,普通接触式机械密封一般处于汽液两相混合摩擦状态,产生大量的汽相泄漏,对环境污染严重,且工作稳定性能不佳,使用寿命较短,采用零逸出上游泵送机械密封可以有效地解决此类密封问题。(2)可替代普通的双端面机械密封。双端面接触式机械密封常用于密封化学、石油化工、农药等行业中具有剧毒、昂贵、高污染性工艺流体,需用复杂的封液循环保障系统,以提供压力高于密封介质压力的封液,能耗大、可靠性差,使用寿命有限。图4所示为推荐的一种零逸出上游泵送机械密封装置,该装置由内外两套密封组成:内侧为零逸出上游泵送机械密封,外侧为零泄漏上游泵送机械密封(在某些情况下可采用水封或油封等),中间通入压力低于密封介质的缓冲液。该密封装置的能耗量不足双端面密封的1/5,使用寿命大大延长,密封工作压力可以更高,而且取消了复杂的封油系统,使密封装置的可靠性明显提高,运行费用显著下降。随着研究开发工作的不断深入及工业应用经验的日益积累,零泄漏和零逸出上游泵送机械密封的应用范围将不断拓宽。5零泄漏密封带孔口密封的设计要点(1)理论分析结果表明,利