浅析机械密封在热水工况中的应用

1．概述    

水是各种工艺流程中应用最为广泛的介质。冷水的密封选型通常没有困难，而热水却是一种很难密封的介质，如何为热水提供价廉物美又性能可靠的密封长期以来困扰着密封行业。热水的汽化压力较高，造成它在流经密封面时容易发生闪蒸或汽化，同时热水的润滑性能很差，这些特性使得标准的密封设计很难满足热水工况的要求。

2 . 热水工况用传统的机械密封方案热水工况采用的传统的机械密封绝对不能用热水直接冲洗密封面，热水必须首先经过冷却，将冲洗液温度降低至65～82℃以下。最常用的热水工况的密封冲洗方案有API Plan23和API Plan21。

其中c是将热水从密封腔 ( Stuffing Box ) 引出，经过一个换热器后再冲洗密封面。换热器使热水的温度在重新注入密封腔并冲洗密封面之前降低了。冲洗液循环的动力通常由一个内置的泵送环，也称泵效环（pump ring）来提供。

API Plan21是将泵送热水从泵出口引出，经过换热器降低温度，然后注入密封腔并冲洗密封面。

API Plan21总的来说不如API Plan23效率高，因为它需要冷却的是来自工艺管线的较高温度的热水，在同等工况下通常需要更大的换热器，其优点是冲洗液不需要泵送环提供动力。

此外可以用于热水工况密封的冲洗方案还有API Plan32。

这个方案API Plan32是采用一路外来的温度较低的清洁软水注入密封腔并冲洗密封面，它的冲洗管路简单可靠，但缺点是冲洗水消耗量很大且会稀释或冷却工艺管线的热水，许多用户难以接受。当然还可以采用在密封腔外增加冷却水夹套的方法来降低密封腔的热水温度。 

以上冲洗方案，均要求将密封腔中热水的温度降低到标准密封设计所能接受的水平，以使密封达到一个可以让人接受的使用寿命；并要求另外提供一路冷却水，这不但带来大量的冷水消耗，而且一旦在操作过程中冷水中断就会迅速导致密封失效。

同时，在这些冲洗方案的使用过程中还要面对换热器、夹套腔等处的结垢问题，这就降低了密封系统在实际操作过程中的可靠性。 

以下介绍两种适用于热水工况而又无需冷却水的密封方式 － “润滑槽”(Lube Groove)和“液体缓冲垫”(Hydropad)机械密封。

3．“润滑槽”(Lube Groove)密封在一个标准的机械密封中，两个密封端面之间存在一个很薄的液膜，在产生和形成稳定的液膜过程中，流体的物理特性处于临界状态。

在流体流经密封面时，压力降低、温度升高。压力降低是由于密封面内外缘的压力差造成的，温度的升高是由于液膜中流体受到剪力以及密封面之间的机械接触产生的摩擦热引起的。

液膜防止了密封端面之间过大的机械接触，从而减少密封端面在运行过程中的摩擦热和端面磨损。如果液膜在接近密封面的边缘处发生汽化，那么该密封副的大部分密封面都会失去密封液膜的支撑，造成密封迅速失效。

“润滑槽”就是在密封面上沿切线方向刻出窄槽，该槽不能贯通密封面的内外侧边缘。当流体流经密封面时，这些槽能改善流体在密封面上的压力分布。这有助于保持密封面间的液膜稳定并防止流体在液膜处汽化。

由于热水的汽化压力很高，容易在流经密封端面时引起快速汽化，因此控制密封接触面的压力是解决问题的关键。当密封面相互平行时，液膜中的压力降基本上呈线性分布，由密封端面外侧的密封腔压力逐步降至其内缘的大气压力。当液膜中的流体压力逐步降低至等于液体的汽化压力时，液膜就会发生汽化。

通过在密封面上开润滑槽，密封端面上就会形成一个相对的高压区域。该液膜的压力分布是从密封端面外缘 (OD)呈线性递减直到进入润滑槽。在经过润滑槽时流体压力保持不变，然后再从润滑槽处呈线性递减直到密封面内缘面(ID)。压力分布形式的改变，限制了液膜在“润滑槽”所覆盖的环形区域内的汽化。

以下为“润滑槽”密封在热水工况中的应用：    

最大密封尺寸：        5 英寸 （127毫米）

最大外缘线速度：     66英尺 / 秒  (20米 / 秒)

最高转速：           3000 rpm

最低转速：           750 rpm

最高密封腔压力*：    15 Bar 表压

最高密封腔温度：     175 ℃

密封副材质：石墨，碳化硅，硬质合金

注*：最低密封腔压力应保持在高于热水的汽化压力2 Bar以上。

在通常情况下，为便于加工，“润滑槽”一般刻在较软的密封面上。“润滑槽”的确切数量以及它的长度，深度是由密封端面的尺寸决定的。