淺談雙端面機械密封
1、前言
與單端面機械密封相比，雙端面機械密封密封性能好，適用于強腐蝕、高溫、帶懸浮顆粒及纖維介質(zhì)、氣體介質(zhì)、易燃易爆、易揮發(fā)低黏度介質(zhì)，高真空度工況的密封。我車間烷基苯裝置泵用機械密封為單端面機械密封。新建的硫磺裝置因為對MDEA等介質(zhì)高的密封要求，故采用雙端面機械密封。雙端面機械密封不僅僅是單端面機械密封的重復(fù)，在化工一些重點場合，可有效地防止危險、有毒、易燃、易爆物質(zhì)的泄漏，具有高性能保險作用。在密封高壓介質(zhì)時，可以合理的分配每個密封的兩端壓差，提高密封的工作壓力范圍。對一些自潤滑性差、易凝結(jié)、汽化介質(zhì)，通過在密封腔體注入密封液改善密封的工況，大大提高密封的效率和使用壽命。
2、密封原理
雙端面機械密封原理與單端面機械密封基本相同，都是靠垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面（摩擦副）在流體壓力和補償機構(gòu)彈力的作用以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。雙端面機械密封結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。
工作時，由流體壓力（介質(zhì)壓力）和彈性元件的彈力等引起的合力作用下，在密封環(huán)的端面上產(chǎn)生一個適當(dāng)?shù)谋葔海▔壕o力），使兩個接觸端面（動環(huán)、靜環(huán)端面）相互緊密貼合，并在兩端面間極小的間隙中維持一層極薄的液膜，從而達(dá)到密封的目的。雙端面機械密封有兩道端面密封，若一級密封失效，二級密封仍然可密封，防止泄露。一般雙端面密封都需要外供密封液系統(tǒng)，向密封腔內(nèi)引入封液進行堵封、潤滑和冷卻，且多為循環(huán)冷卻使用。密封液不僅可以沖洗摩擦副改善機械密封工作環(huán)境，還可以作為一級密封面是否失效的重要檢測手段。
3、結(jié)構(gòu)
與單端面機械密封相比，雙端面機械密封多一個摩擦副。兩摩擦副可分別由兩動環(huán)兩靜環(huán)組成也可由兩動環(huán)共用一靜環(huán)或者兩靜環(huán)共用一動環(huán)組成。雙端面機械密封有多種分類方法。
3.1根據(jù)密封液系統(tǒng)壓力可分為有壓雙封和無壓雙封。
有壓雙封密封液系統(tǒng)的壓力一般要比一級密封前的壓力高0.01--0.03MPa。這樣一級密封泄漏時，密封液會進入泵內(nèi)，確保了泵內(nèi)介質(zhì)不會泄漏到外界。由于密封液進入泵內(nèi)，密封液系統(tǒng)壓力、液位降低，可以實現(xiàn)密封的泄漏監(jiān)測和報警。
無壓雙封密封系統(tǒng)內(nèi)的壓力一般為常壓或微壓，低于一級密封前的密封腔壓力。當(dāng)一級密封泄漏時，泵內(nèi)介質(zhì)會進入密封液系統(tǒng)，導(dǎo)致密封液系統(tǒng)的壓力和液位升高，可以通過壓力開關(guān)或液位開關(guān)實現(xiàn)泄露監(jiān)測和報警。通過密封液系統(tǒng)來監(jiān)測雙端面機械密封失效與否，也是其區(qū)別于單端面機械密封最主要的形式之一。
3.2按摩擦副布置形式分為徑向式、面對面、背對背及串聯(lián)式四種，如圖3-1所示。
徑向雙端面機械密封包括有一對相互配合的動環(huán)和靜環(huán)，其主技術(shù)結(jié)構(gòu)特征在于，在動環(huán)和靜環(huán)配合端面上對應(yīng)開設(shè)有圓環(huán)凹槽形成徑向兩個配合摩擦副，在靜環(huán)上開設(shè)有泄流孔，從而形成徑向雙端面機械密封。其整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊，結(jié)構(gòu)空間小，安裝使用方便，特別適用于徑向安裝尺寸受限的場合使用。
面對面雙端面機械密封有靜環(huán)面對面和動環(huán)面對面兩種形式。靜環(huán)面對面是一整體動環(huán)，動環(huán)面對面一整體靜環(huán)。但是由于加工精度、機械密封失效后更換成本等問題面對面式雙封在流體泵用機械密封中使用較少，一般應(yīng)用于密封腔尺寸較小的場合。背靠背或串聯(lián)機械密封已經(jīng)完全可以覆蓋面對面機械密封的適用工況。輕烴、黏性、聚合流體、有害氣體采用干氣密封、非接觸設(shè)計可以采用面對面機械密封。面對面機械密封要求封液壓力大于介質(zhì)壓力，屬于有壓雙封，不然內(nèi)側(cè)機械密封動靜環(huán)受力不合理。面對面結(jié)構(gòu)多用于集裝式結(jié)構(gòu)，既可以做單端面，又可加封液做成雙端面。
背對背式雙端面機械密封亦可做成集裝性，拆裝方便，檢修容易，因此使用較多。硫磺裝置雙端面機械密封為背對背式。背對背式雙封分別有兩動環(huán)和兩靜環(huán)，一級密封為外流式。因其適用工況寬，應(yīng)用廣泛，狹義上的雙端面機械密封專指背對背式雙端面機械密封。背對背式雙封屬于有壓雙封，當(dāng)一級密封失效后密封液系統(tǒng)的壓力和液位都會降低。密封液循環(huán)的動力由內(nèi)置泵效環(huán)提供。
串聯(lián)機械密封是兩組或兩組以上同向布置的單端面機械密封組成串聯(lián)機械密封，兩組單端面機械密封組成串聯(lián)雙端面機械密封。這種密封方式使密封腔的壓力逐級降低，介質(zhì)不至外漏。串聯(lián)雙端面密封由于其結(jié)構(gòu)緊湊，可適用于軸徑尺寸不大，軸向尺寸小，且轉(zhuǎn)速較大的中等載荷的場合。內(nèi)端為平衡型機械密封，外端為非平衡型帶泵效環(huán)機械密封。串聯(lián)式雙端面機械密封可做成有壓雙封，也可做成無壓雙封，以無壓雙封最常見。封液提供密封面的冷卻潤滑，靠內(nèi)置泵效環(huán)循環(huán)。
4、失效分析
轉(zhuǎn)動設(shè)備故障中，因機械密封泄漏而停機的約占維修設(shè)備總量的50%左右。雙端面機械密封失效機理與單端面機械密封失效機理基本相同，主要是密封面的失效。在機泵運行過程中，由于摩擦和攪拌產(chǎn)生的熱量會使密封面溫度升高，加之介質(zhì)的影響，就會出現(xiàn)密封面介質(zhì)的氣化、密封環(huán)變形、熱磨損，甚至出現(xiàn)熱裂。有的介質(zhì)在溫度變化時會加劇固化、聚合、結(jié)晶、結(jié)焦和腐蝕。種種非正常的工況將加劇或者短期內(nèi)直接導(dǎo)致密封失效。
有關(guān)機構(gòu)曾對泵類機械進行了數(shù)年調(diào)查，密封失效的原因及其占比例見表4-1。
表4-1 機械密封失效原因分析
密封失效原因 | 比例（%） |
操作問題（沖洗液中斷等） | 40
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機械方面問題（安裝誤差、間隙不當(dāng)、調(diào)整不當(dāng)） | 24
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流體回路高等錯誤（負(fù)壓不足、沖洗液不足、泵特性不適當(dāng)） | 19
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密封元件選擇不當(dāng)（材料或基本結(jié)構(gòu)錯誤） | 9
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其他原因 | 8
|
由上表可知，密封失效的主要原因為操作問題。分析故障時，要對其整個過程，包括拆卸前的泄露狀態(tài)、泄漏量、拆卸中的檢查、密封部件檢測等深入研究，找到故障發(fā)生的泄漏點和真實原因，進而采取相應(yīng)措施。
5、日常維護
從表一可以看出，密封失效的主要原因是操作的問題，因此做好日常維護工作，為其提供一個合理的工況，是密封運轉(zhuǎn)正常、良好的前提。做好日常維護應(yīng)保證以下幾點。
1）啟動前檢查輔助裝置是否正常，保證密封液系統(tǒng)液位、壓力在操作范圍之內(nèi)，各處密封良好。按轉(zhuǎn)動方向盤車通過雙端面機封泵效環(huán)將機封內(nèi)充滿液體。
2）不要使泵抽空避免密封端面發(fā)生干摩擦。
3）經(jīng)常檢查輔助裝置是否正常工作：
a、注意密封液液面的位置，油位降低要經(jīng)常補充，壓力降低要補氣保壓。
b、定期排放泄漏液。
c、經(jīng)常檢查冷卻水管、沖洗管等，杜絕發(fā)生堵塞，防止突然停水而使冷卻、沖洗效果不好，造成密封失效。
4）防止機器本身振動、發(fā)熱等對密封的影響。
a、注意異常聲響，振動可造成防轉(zhuǎn)銷等松開、脫出。
b、注意異常發(fā)熱，如：軸承發(fā)熱是否正常，并作合理調(diào)整。
6、結(jié)論
從密封機理上看，無論是雙端面機械密封還是單端面機械密封都是將較難控制、泄漏量大的軸密封轉(zhuǎn)變成比較容易控制的端面密封（摩擦副）、靜密封和偽靜密封。兩級端面密封給予雙端面機械密封安全可靠，對外無泄漏的特點。根據(jù)摩擦副布置形式以及密封液系統(tǒng)，雙端面機械密封在結(jié)構(gòu)上有多種形式，以滿足多種工況的要求。
雙端面機械密封失效的原因很多，也很復(fù)雜，可以通過采取相應(yīng)的措施來解決。雙端面機械密封泄露與工藝操作及安裝檢修有直接關(guān)系。在日常生產(chǎn)中應(yīng)規(guī)范操作，加強管理，對故障做總結(jié)分析，是保證和提高密封效率及壽命的必要措施。