将泵填料密封升级为机械密封

机械密封剖面图（图片均由 John Crane Inc. 提供）

所有工业部门的产品和流程的环境性能正日益受到严格的检查 - 可持续性、自然资源保护和减少环境污染直接影响设备的设计和选择。许多工业流程可以提高可持续性和能源效率、降低用水量，并最大限度地减少对环境的影响，同时保持或降低运营成本。在组件、流程和系统层面，应优先实施节水、节能及环保的工艺和技术。

这些流程包括关键任务旋转设备，特别是离心泵，它在大多数工业制造和流程运行中占设备的很大比例。离心泵的重要部件之一是旋转轴周围的密封，旋转轴穿过静止的压力泵壳或蜗壳。密封用于防止液体或气体泄漏到环境中。

密封系统对于保持泵的效率、可靠性、能耗、用水量和对环境排放的控制至关重要。这些因素可以大大地促进流程工厂实现总生命周期成本降低和可持续发展目标。为了实现这些目标，可以通过从传统压缩填料（密封）升级到机械密封技术来提高大多数离心泵应用中的密封性能。

密封离心泵时，目的是让旋转轴进入泵的湿端，但不允许大量加压流体泄漏。泵的排放压力将迫使流体回到叶轮背面，然后试图通过旋转的驱动轴流出。为了最大限度地减少这种泄漏，轴和泵壳体之间需要有一个密封件，可以承受泵送过程中的压力，并能承受轴旋转引起的摩擦。

压缩填料传统上用于密封离心泵，其历史可追溯到100多年前。压缩填料也称为压盖填料，是一种编织的绳状润滑材料，以环状形式填充在轴周围，在填料函内物理填充轴和泵壳体之间的间隙。

为了使压缩填料发挥作用，必须保持一定的泄漏以润滑和冷却填料材料。因此，填料圈允许与轴轴线平行的可调节、间隙较小的泄漏路径。但是，随着填料在使用过程中磨损、老化，浸入填料中的部分润滑剂会流失，从而减少填料圈的体积。将填料挤压在一起的压力也会降低，从而增加泄漏量。

定期调整填料压盖将使压力恢复到规定范围内，并控制过度泄漏。但越来越多的人发现，这种维护并不总是按要求的时间间隔进行或正确调整。由于使用压缩填料的离心泵数量减少，对填料维护的培训和了解也减少了。

因此，填料圈偏松或太紧是离心泵维护中一个普遍且日益严重的错误应用 - 对水的消耗和能耗都会造成严重的后果。

压得不够紧会导致泄漏过多。如果调整得当，填料泄漏量可达每分钟数加仑液体。这些液体可能由各种良性或腐蚀性化学成分组成，也可能是悬浮液或浆液中的颗粒，具体取决于被泵送的液体。

泵送液体中的悬浮液或浆液含量越重，填料可靠工作所需的水量就越多。通常，干净的外部冲洗液通过液封环输送到填料函中，使填料保持润滑、冷却并冲洗掉磨料和化学物质。

通常，部分泄漏会持续释放到大气（环境）中。如果填料圈压得不够紧，当使用外部冲洗时会相应增加大气排放，并可能对环境造成影响。

由于填料圈与轴接触的表面积较大，因此在采用压缩填料的离心泵中始终存在摩擦。填料圈过紧会限制泄漏流量，增加填料与轴之间的摩擦并产生过多的热量，从而降低填料的性能。增加的摩擦还会过早磨损旋转轴。

从能耗的角度来看，夹紧轴的填料的额外摩擦会产生更大的阻力，需要更多的驱动力来转动轴。阻力会产生额外的、显著的寄生能量消耗。这种摩擦引起的能量消耗对于评估压缩填料的能源效率至关重要。

这并不是影响压缩填料能耗的唯一因素。在检查与离心泵中使用压缩填料相关的全生命周期成本分析的能量消耗部分时，需要考虑其它因素。首先，通过管道输送到填料函的外部冲洗是加压水或其它液体，需要从源头输送到填料，这需要一台电力驱动的泵。其次，在采矿等更常使用压缩填料的应用中，通过填料冲洗来保持填料周围清洁环境的水需要稍后去除。去除这些水也需要能量，通常是通过煮沸。第三，还需要考虑泵的热浸 - 从泵的热金属传递到填料函内的液体的能量。

这些能量消耗通常不会直接测量。相反，在不同的运行工况下评估泵电机使用的电流和电压波动，以确定寄生影响消耗了多少功率，从而确定填料所引起的能量不足的情况。

压缩填料的替代方案是机械密封，它解决了压缩填料固有的许多可持续性和环境问题。机械密封对水和能源的需求较低，并大大减少了泄漏，使其在容纳挥发性或危险流体、水溶液和浆料悬浮液时更有效。而且，一旦安装，机械密封就不需要维护。

机械密封对水和能量的需求更低，泄漏也大大减少，使其能够更有效地容纳挥发性或危险液体、水溶液和浆料悬浮液。

机械密封由固定在泵壳体内的静止主元件和固定在轴上的旋转配合元件组成。这两个部件经过精密加工，由一个柔性负载元件压在一起，在磨损面相遇，同时两个元件之间的极端公差精度最大限度地减少了泄漏。磨损面由极薄的润滑膜支撑，通常厚度为 0.25 微米（9.8 微英寸）。

机械密封有各种类型、布置和材料可供选择，目前大多数离心泵都采用机械密封。

最大限度地减少水的消耗和泄漏

机械密封只需要向密封腔注入极少量的冲洗水。用于泵送含有磨料应用的压缩填料需要向填料函注入大量的水，相同应用的机械密封只需要一小部分水量。

机械密封在两个滑动密封面之间垂直于轴的轴线形成极其严格的泄漏路径。这几乎不会向大气中泄漏。

降低功耗

与压缩填料相比，驱动机械密封所需的功率减少了80%，这主要是因为由于静止元件和旋转元件之间的配合极其精确，密封面的摩擦能量损失较少。由于泵入密封的冲洗水需求减少，因此也降低了能耗。

双重机械密封

双重机械密封旨在确保最大的密封安全性，通常被定义为包含两对密封面的单个组件。在组件内的两对密封面之间形成空腔，该空腔填充有隔离液或缓冲液，该隔离液或缓冲液将泵送的液体与大气和环境隔离开来。

双重机械密封几乎可以完全控制密封工作环境和润滑密封面的流体膜，它们可以最大限度地消除离心泵中处理的流体的泄漏。

环境影响

为提高制造流程的可持续性而做出的努力，无论是通过减少水和能源的使用，还是通过消除有害液体和气体的排放，都可以通过减少对环境的影响为环境带来好处，并通过降低运营成本为制造商带来好处。

离心泵中的机械密封，尤其是双重机械密封，非常适合减少或消除挥发性或危险流体及其有害蒸汽泄漏到环境。它们应被指定为标准密封解决方案，尤其是当泵送的流体存在安全、健康或环境危害时。

作者简介

Mark Savage是John Crane Inc.（隶属于Smiths Group）的产品组经理。该公司设计和制造机械密封和系统、联轴器、过滤系统和预测数字监控技术。Savage负责泵、压缩机和旋转机械的金属波纹管密封的应用、设计和开发。他在密封行业工作了24年，并参与了轴密封及其支持系统的最佳实践的开发。