許 杰，趙 帆

(北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100176)

在化工行業(yè)中，產出或用到很多有毒、有害物質，它們一旦泄漏會存在易燃易爆風險，對生產造成巨大損失，同時，對現(xiàn)場操作工人的人身安全也帶來重大損害。因此，對于處理此類物質的化工設備要求具有較高密封性能，極低泄漏量。

化工設備中，密封型式總體分為靜密封和動密封[1]。其中，定義結合面間沒有相對運動或相對靜止的密封為靜密封，如各種存儲容器、靜設備和管道法蘭結合面間的密封，以及閥門的閥座、閥體或機器機殼結合面間的密封等；而結合面間有相對運動的密封則為動密封，例如旋轉軸或往復桿與機體之間的密封、泵、壓縮機等。兩者相比，動密封由于處理對象為轉動件，其保證密封性能的難度較大，復雜性遠遠高于靜密封，因此選型較為困難。

目前，在石化行業(yè)，動設備使用最廣泛的密封型式為機械密封和填料密封。下文針對機械密封和填料密封運行原理進行分析和對比，以便能根據(jù)設備使用工況更加準確的選擇相應的密封型式。

1 機械密封原理分析

機械密封由于制造、加工精度要求較高，一般多用于處理均相、潔凈物料，其主要靠一對或多對垂直于軸作相對滑動的端面，在流體壓力和補償機構彈力共同作用下使端面相互貼合，以達到轉動軸與設備本體間的密封效果。它的密封原理主要是依靠補償元件和密封介質壓力相互配合壓緊動、靜環(huán)密封端面從而防止介質發(fā)生泄漏的密封裝置[2]。機械密封劃分類別較多，按密封端面接觸狀態(tài)分為接觸式和非接觸式兩種，其中接觸式密封使用較廣，此文主要分析接觸式密封。

接觸式機械密封主要由靜環(huán)和動環(huán)(兩者形成端面摩擦副)，彈性件(如彈簧)、靜&動環(huán)輔助密封件(如0形圈)、傳動件、防轉件以及緊固件等構成[3]。其中，除主要起密封作用的元件外，傳動件、防轉件和緊固件主要起輔助連接、固定作用。接觸式密封中以單端面密封和雙端面密封使用最為廣泛，圖1為以雙端面為例的結構圖。雙端面密封相較單端面增加了一對摩擦副，一般用于密封等級較高的設備，其結構相對單端面密封復雜，但運行原理相同。當軸轉動時，兩組動環(huán)通過相互連接的彈性元件隨軸轉動，每組分別與靜環(huán)組成一對摩擦端面，兩者接觸并發(fā)生摩擦，形成密封端面。

雖然機械密封具有良好的密封性能和可靠性，但在實際運行中也存在泄漏失效的可能性，導致密封失效的主要原因有：(1)選型不合適；(2)設計、制造加工精度不達標；(3)裝配不合理；(4)設備運行頻繁啟停；(5)實際運行工況中轉軸徑向跳動較大；(6)或實際運行工況溫度、壓力升高等。機械密封失效，主要發(fā)生點在：(1)靜、動環(huán)接觸端面破壞，如出現(xiàn)局部磨損量大，或密封環(huán)損壞；(2)輔助密封元件與密封件之間產生間隙，如靜、動環(huán)座與靜、動環(huán)之間的O形密封圈發(fā)生脫離引起泄漏；(3)彈簧組件失效，導致彈性補償消失。

基于機械密封運行原理，除上述原因導致密封失效外，在常規(guī)運行中，還需保證密封端面的潤滑效應。常規(guī)使用過程中，端面密封存在工作介質自沖洗和潔凈工藝液沖洗[5]兩種。當工作介質為氣體時，必須添加潔凈工藝液沖洗，主要實現(xiàn)3項功能，(1)保證密封端面間形成一定的薄液膜，避免密封端面強行摩擦破壞，維持端面潤滑效應，延長使用壽命；(2)避免摩擦起熱升溫，降低端面溫度，以維持密封元件的正常工作；(3)端面間形成的液膜，阻止內部氣體外泄，達到較高密封效果。

1-設備壁面；2-連接法蘭；3-動環(huán)；4-靜環(huán)；5-壓蓋；6-動環(huán)座組件；7-彈簧；8-彈簧座組件；9-軸套組件；10-軸；11-動環(huán)密封圈；12-靜環(huán)密封圈；13-導向環(huán)

2 填料密封原理分析

填料密封是指通過預緊或介質壓力的自緊作用使填料與轉動件及固定件之間產生壓緊力的動密封裝置。它的密封填料型式分為軟填料密封和硬填料密封，其中，軟填料密封在石化行業(yè)中應用較多。

填料密封原理不是因為固體填料同旋轉軸緊密貼合來阻止內部流體泄漏 , 而是通過填料與旋轉軸之間的潤滑油膜阻止流體外泄[5]。它造成密封泄露的原因主要有：(1)密封兩側存在壓力差(或濃度差)，或沿泄露方向有相對運動；(2)存在泄露通道，即流體流動阻力不是無窮大，消除(或減輕)其中任一因素均可阻止(或減少)泄露[6]。關于填料密封，一般泄露點主要有：(1)密封填料與固定件之間存在泄露點；(2)填料本身存在安裝、制造或破壞，導致泄露；(3)密封填料與運動件之間存在泄露。

根據(jù)填料密封的密封機理，業(yè)內學者普遍認為主要維持“軸承效應”和“迷宮效應”[6]來實現(xiàn)密封。"軸承效應"主要是在填料作軸向壓縮后，填料中潤滑劑被擠出，密封與運動件間維持一定的潤滑效果，此與滑動軸承作用類似?！懊詫m效應”主要基于運動件表面存在一定的凹凸不平，當運動件表面形成一定的油膜厚度后，密封與運動件接觸表面之間形成一道不規(guī)則迷宮，認為此對密封介質起一定的阻止作用，由此得名。但通過填料密封原理分析，“迷宮效應”并不是形成密封的必須，同時它還是填料與運動件之間易導致泄露的一點，若將“迷宮效應”弱化，反而能提升填料的密封性能。

基于上述，筆者認為維持填料密封的密封性能，除選擇合適的填料材料外，在填料中添加一定的潤滑脂或油，或添加潔凈液補充系統(tǒng)，時刻維持填料與運動接觸面間的潤滑效果，可有效避免運動件被磨損、劃傷，降低填料摩擦阻力，進而增長填料使用壽命。

3 .兩者性能對比

上述兩種密封型式運行原理不同，在使用過程中產生的效果不同，表1從泄漏量、使用壽命、對運動軸的磨損、使用過程中是否需要在線調整、功率消耗和結構設計、安裝、更換簡易程度，以及適用范圍進行對比，獲得各自適用場景，對不同設備的動密封選型者提供一定的借鑒依據(jù)。

表1 兩種密封型式的性能比較

4 結論

通過填料密封和機械密封的原理分析、性能對比，對不同化工設備動密封選型提出如下建議：

(1)當動設備內處理物料為易燃、易爆或帶有毒性較強的物質，泄漏量要求極低時，建議選取以機械密封為主的動密封型式。

(2)機械密封在高壓或一定負壓工況，且處理物料危害性較大，設備對密封性要求較高時選占有較大優(yōu)勢。

(3)當動設備允許少許泄漏量，且使用工況壓力低、設備環(huán)境惡劣(如含有粉塵)且轉速不高時，一般選填料密封較優(yōu)，其以結構簡單、檢修方便、造價較低等優(yōu)勢成為較多設計廠家選擇對象。

綜上，設備的動密封選型應全面考慮設備使用工況，并充分考慮處理物料性質，劃分密封等級要求，針對主要保證項進行選型。

此外，隨著多功能、復雜使用環(huán)境的新型設備的研發(fā)，設備密封的要求也越來越高。由此，針對多種工況，可選擇多種密封組合型式以適應設備的需求，例如機械密封與迷宮密封組合，填料密封與磁脂密封組合等，組合密封型式可規(guī)避單一密封弊端，做到揚長避短，以進一步提高密封等級，確保實現(xiàn)化工設備、裝置的安全運行。