王彬　程旼
（中（zhōng）國石油工程建設公司華東設計分公司）

摘　要：結合設計（jì）經（jīng）驗以及對API 682標準的研究（jiū），對泵用機械密封的選型要點進（jìn）行了分析，主（zhǔ）要包（bāo）括密封類型、密封形式、布置方式、衝洗（xǐ）方案等。進而對煉油裝置（zhì）中的高溫熱油泵、高溫熱水（shuǐ）泵以及（jí）強酸強堿泵機械密（mì）封及輔助係統的選型提出了合理化建議，對API 682中的（de）PLAN53B和PLAN23進行（háng）了改進（jìn），使之更好地（dì）為機械密（mì）封服務，有利於機械密封長期穩定運行。
由於機械密封具有密封性能好、工（gōng）作可靠、泄漏量小、功（gōng）率消耗少等特點，因而在國內外煉油化工生產的旋轉設備中得到了廣泛的（de）應用，已經成為泵、 壓縮機、反應釜、攪拌（bàn）器等工藝設備能否正常運轉的關鍵（jiàn）部件。
隨著環境保護和人類健康要求的提高，煉油裝置（zhì）中對泵用機械密（mì）封的要求也在不斷提高。據統計， 煉油（yóu）裝置中機泵故障的40% 以上是由於機（jī）械（xiè）密（mì）封發（fā）生泄漏而引（yǐn）起的。造成這一現象的原因，一是作為機泵中的動密封其本身所處的工作條件、起的作用所決定；二是許多國（guó）內設計單位以及工程（chéng）公（gōng）司認為機械密封及係統的選用是泵廠和密（mì）封廠的責任，往往對密封的類型、布置方（fāng）式、衝洗方案了解（jiě）不深，難以製定機械密（mì）封的選配方案，造成部分密封選型不當。 
在密封方案的選擇中，除了密封本（běn）身安全可靠的設計外，密封的工作環境對密封壽命的影響更加重（chóng）要， 往往是由於密封工作環境的變（biàn）化導致了密封的（de）失效。因此密封係統的選擇應更加受到重視。
本文結合自身設計經（jīng）驗以及通過與用戶交流所得到的現場使用經驗，對煉油裝置中幾種典型泵用機械密（mì）封及係統的（de）選型（xíng）進行了分析[1-8]。
01　泵用機械密封選型要點
美國石油協會API 682(Pumps-Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps)標準中對機械密封的類別(Categories)、類型(Types)、布置方式(Arrangements)、衝洗（xǐ）方案(Flush plans)等進行了分類，在工程應用中機械密封的選型（xíng）也應注重以上要點進行分析。
另外，機械（xiè）密封的 pV 值是選擇、使用和設計機械密封的重要參數，功耗、磨損與溫升都與該值有關。pV 值越高，機械密封的技術水平及難度（dù）係數越高。
1.1 機械密封類別(Categories)的選（xuǎn）擇
API 682 中（zhōng）規定了三種密封（fēng）類別，一類密封(Category 1)用於非API 610 尺寸密封腔，且密封（fēng）腔溫度為-40~260 °C，密封腔（qiāng）壓力≤ 2.2 MPa(A)的（de）場合，煉油行業（yè）大（dà）多采用API 610 標準的泵，因此不建議（yì）采用此類密封。
二類密封(Category 2)用於滿（mǎn）足API 610 尺寸（cùn）要求的密封腔，且密封腔溫（wēn）度為-40~400 °C，密封腔壓力≤ 4.2 MPa(A)的場合，此類密封在煉油廠中應用Z多，大多數烴類介質應用該類密封。
三類密封(Category 3)的溫度、壓力範圍與2 類相同（tóng），但對密封的認證試驗以及圖紙資料的要求更加嚴（yán）格（gé），另外（wài）三類密封需要采用多（duō）孔均勻衝洗係統（tǒng）以及節流襯套需采用浮動石墨襯圈的形（xíng）式。目前國內密封廠家不具備嚴格意義上的（de）三類密封生產能力（lì），因此僅建議在采用進口密封且應用（yòng）場合要求極高的（de）情況下選用。
1.2 密封類型選擇
A 型密封(Type A)采用多彈簧，止推環式補償結構（gòu），補償裝置為旋轉（zhuǎn）式，輔助（zhù）密封圈為彈性O 形圈;B 型密封(Type B)采用無止推環（huán），波（bō）紋管補償結構，補償裝置為旋轉式，輔（fǔ）助密封圈為彈性（xìng）O 形圈; C 型密（mì）封(Type C)采用無止推環，波紋管補償結構， 補償裝（zhuāng）置為靜止式，輔助（zhù）密封件為柔性石墨。
除以上3 種標準密封（fēng）形式之外，API 682 還規定了4 種替代密封，分別是（shì）靜止式A(B)型密封、單彈簧式（shì）A 型密封、旋轉式C 型密封。
1.2.1 靜止式與旋（xuán）轉式機械密封的選擇
在同一軸徑（jìng）下，采用靜止式密封的徑向尺寸要比采用旋轉式大一個等級，因此旋轉式密封具有徑向尺寸小、安裝方便的特點，一（yī）般情況下均采用旋轉式密封（fēng）。當密封端麵線（xiàn）速度不小於23 m/s 時（shí），彈簧及其他旋轉部（bù）件產生的離心力較大（dà），動平衡要求較高， 同時消耗攪拌功率，產生攪拌熱，此時應采用靜止式密（mì）封（fēng）。
1.2.2 單彈簧與（yǔ）多彈簧機械密封的選擇（zé）
單（dān）彈簧式機械密封結（jié）構簡單，一般用於較小軸徑的（de）情況。
多彈簧式機械密封適用於較大軸徑，其軸向尺寸小、軸向力均（jun1）勻，適用於高速機械密封。但多彈簧的彈簧絲徑小，因腐蝕（shí）或結晶顆（kē）粒積聚易引起彈簧失效或卡滯，此時應采用單彈簧式密封或采用合理的布置方（fāng）式避免（miǎn）彈（dàn）簧與介質接觸，當采（cǎi）用單彈簧式機械（xiè）密（mì）封時應采取一定措施使彈簧力（lì）分布更加均勻，進而避免因彈簧力分布不均而導致密封本體的失效。
1.2.3 彈（dàn）簧式與波紋管式機械密封的選擇
彈簧式機械密封（fēng）追隨（suí）性及補償能力好，且能適應高壓力場合，一般情況下應用較多。但（dàn）由於彈簧式密封受輔助密封圈耐溫限製（zhì），不能用於溫度較高的場合（hé），一般應低於（yú）200 °C。
波紋管式機械密封可分為橡膠（jiāo）波紋管、聚四氟乙烯波紋管和焊接金（jīn）屬波紋管三大類。前兩種波紋管由於彈力較小，均需加輔助彈簧，因而使用受到一定（dìng）限製;現場應用較多的為金屬波紋管，其具有較好的耐（nài）低、高溫性能，溫（wēn）度範圍可在（zài）-40~400 °C。
1.3 布置方式的選擇
布置1(Arrangement 1)每（měi）套（tào）集裝式密（mì）封（fēng）中有一對（duì）摩擦副，分為帶固定節流襯套(1CW-FX)和浮動（dòng）節流襯套(1CW-FL)兩（liǎng）種配置（zhì）。布置2(Arrangement 2)每套集裝式（shì）密封中有兩（liǎng）對摩（mó）擦副，且（qiě）緩衝流體壓力低於密封腔壓力，分為雙接觸式濕密封(2CW- CW)、接觸式濕內密封(2CW-CS)和非接觸式內密封(2NC-CS) 三種（zhǒng）配置。布置3(Arrangement 3) 每套（tào）集裝（zhuāng）式（shì）密封中（zhōng）有兩對摩擦副，且隔離液體壓力高於密封腔壓力，分為（wéi）麵對麵(3CW-FF/3NC-FF)、麵對背(3CW-FB/3NC-FB)和背對背(3CW-BB/3NC-BB) 六種（zhǒng）配置。
布置1 主（zhǔ）要（yào）適用於常溫、無毒、無危害的介質; 布置2 主要適用（yòng）於輕烴類、易汽化介質，當介質有毒時不推薦選用（yòng）;布置（zhì）3 主要適（shì）用於高溫、有毒、有（yǒu）害的介（jiè）質以及不允許有介質泄漏（lòu）的場合。
1.4 衝洗方案的選擇
API 682 規定了25 種衝洗方案，在煉油行業常用的有PLAN11、21、23、32、52、53、54、72、75、76 等（děng）。
對於主密封溫度小於（yú）80 °C時可采用（yòng）PLAN11 自衝洗;溫度在（zài）80~300 °C之（zhī）間時可采用PLAN21 或PLAN23 ;溫度高於300 °C且有外衝洗條件的情況下建議采用PLAN32 ;當（dāng）介質含有固體顆粒時，無論溫度（dù）高低建議采用PLAN32。
在API 682 的密封衝洗（xǐ）方案（àn）選擇中推薦（jiàn）的是PLAN23，因為該衝（chōng）洗方案可以降低冷卻器負（fù）荷（hé），對密封腔介質起（qǐ）到比（bǐ）較好的冷卻效果，但是在介質比較髒或黏度較大時盡量（liàng）采（cǎi）用PLAN21，可保證衝（chōng）洗液（yè）能更好地在回路裏循環，防（fáng）止被堵塞。歡迎關注泵友圈微信公眾號。
在某些高溫且無外衝洗條件的場合（hé），可以用特殊設（shè）計的高溫波紋管密封來（lái）提高密封本身的耐溫性能，而（ér）用PLAN21 或23 代替PLAN32，以節省投資。
次（cì）級密封衝洗方案的選擇與介質的物理特性有很（hěn）大關係，PLAN53、PLAN54 、PLAN72+75 主要適（shì）用於介質有毒有害且不（bú）允許泄漏的場（chǎng）合，PLAN53B 受氣囊耐溫性的限（xiàn）製，不能（néng）應用於（yú）溫度特別（bié）高的場（chǎng）合(300 °C以下)，此時可用PLAN53A 代替; PLAN52、PLAN72+76 適合用輕烴（tīng）類易氣化的場（chǎng）合， 當PLAN52 用於非氣化（huà）場（chǎng）合（hé）時建議（yì）增加高液位報警， 以防止泄漏出的（de）介質充滿緩衝罐。
1.5 內裝與（yǔ）外裝機械密封的選擇
內裝式機械密封（fēng）端麵比壓隨介（jiè）質壓力增加而增加，介質泄（xiè）漏方向與離心力（lì）方向相反，密封性能好， 泄漏量小，因（yīn）此內裝式機械密封得到了（le）廣泛的（de）應用。外裝式機（jī）械密封受力較差，端麵比壓隨介質壓力（lì）增加而減小，會出現壓力波動時密封端麵突（tū）然打開的現象，且介質泄漏方向與離心力方向相同，因（yīn）而泄漏量大。
但外裝式機械密封彈性元（yuán）件與介質不接觸，在強腐蝕、含顆粒或易結晶介質中多采用外裝式，可（kě）以避免彈簧因腐蝕或卡滯而（ér）失效。外裝式機械密封應增加PLAN62 對密封背麵衝洗，可以在一定程度上對泄漏介質進行稀釋。
02　典型泵用機械密封選型分析
2.1 高溫熱油泵
對於煉油裝置中有一部分泵的介質溫度均（jun1）在200°C以上，有的甚至超過300 °C，此時若機械密封衝洗方（fāng）案的選擇（zé）為PLAN53B，應多加考慮（lǜ）PLAN53B 係統中蓄能器皮囊的耐溫（wēn）問題。通常情況下（xià），蓄能器皮囊若為普通橡膠材質，耐溫不超過120 °C，即使是氟橡（xiàng）膠（jiāo）耐溫也不超過200 °C。
API 682 中PLAN53B 係統的布置方式如（rú）圖1 所示，從圖（tú）中（zhōng）可以看出高溫的密封隔離液從密封腔直接經過蓄能（néng）器，然後再經過冷（lěng）卻器，Z後（hòu）再回到密封腔。此種布置方（fāng）式在隔離液溫度升高之後，可能會導致蓄能（néng）器內介質溫度升（shēng）高（gāo），致使皮囊失效。

 

圖1 標準PLAN53B係（xì）統圖

圖2 中對標準的（de）PLAN53B 係統進行了改進，將密封冷卻（què）器放到了蓄能器的前端，使從密封腔出（chū）來後的隔（gé）離液先經過了冷卻，使其溫度下降到蓄能器皮囊耐溫值以下，確保蓄能器皮囊在允許的條件下安全可靠地使用，進而保證密封係統能（néng）夠正常運行。對於溫度（dù）特別高的場合， 應以極端溫度來選擇合適的（de）冷卻器，以保證係（xì）統在較好的環境下可靠運行。

圖2 改進後PLAN53B係統圖

2.2 高溫熱（rè）水泵
高溫（wēn）熱水泵一般為介（jiè）質溫（wēn）度高於100 °C，在密封突然失效泄漏之後（hòu）會噴出大量蒸汽，對人體造成傷害。主要為鍋爐給水泵、循環水泵、凝結水泵等。
為了不因選用串聯密封而增加成本，又能使高（gāo）溫熱水泵安全可靠運行，建（jiàn）議選用單端麵機械密封， 衝洗方案可以選（xuǎn）擇PLAN23+62。PLAN62 所通急冷液直接從23 冷卻器後引旁路連接（jiē）至密封急冷口，具體流程見圖3 所示。可以看出，通過此種布置（zhì）方（fāng）式， PLAN62 不（bú）需要額外的配管將循環水引入密封急冷口，又能起到在密封失效時降低介質溫度，從而避免對人員的傷害，對係統加以保護（hù）。

圖3 改進後的PLAN23+62係統（tǒng）圖

2.3 強酸強堿泵（bèng）
強酸強堿介（jiè）質具（jù）有較強（qiáng）的腐蝕性，且易結晶， 為了防止介質對密封彈性元件的腐蝕，應使彈性元件與（yǔ）介質隔離，采用外裝結構，第3 種布置方式(背靠背或麵（miàn）對麵)。O 形圈材料選用耐腐蝕的氟橡膠或全氟橡膠。動靜環選用硬對硬(碳化鎢或碳化矽)配置。
強酸強堿泵現場大多采用單（dān）端麵密封，因而密封背麵大多出現結晶結垢，對設備（bèi）造成腐蝕等現象。為（wéi）了避免（miǎn）該現象發生，使現場更（gèng）加清潔，可直接選用PLAN54(見圖4)。煉（liàn）油裝置中大多數酸泵或堿泵（bèng）的入（rù）口壓力較低，基本為常壓，因此PLAN54 的衝洗源可直（zhí）接（jiē）用循環水。該方案雖然選用了雙端麵密封， 但從經濟角度考慮僅（jǐn）增加了一對（duì）摩擦副，沒（méi）有另外增加輔（fǔ）助係統，既節約了投資成本又滿足了現（xiàn）場要求。

圖4 強酸強堿（jiǎn）泵用PLAN54係統（tǒng）圖

03　結束語（yǔ）
機械密封結構形式（shì）、材料及輔助係統的合理（lǐ）選擇對泵的長周期穩定（dìng）運行至關重要（yào），煉油裝置中泵的工況錯綜複雜，運行參數千變萬化，要想對（duì）每（měi）一台泵都選擇到Z合理的密封方案，需要具有較（jiào）豐富的工程經驗以及（jí）對標準更加深（shēn）刻透徹的理解。本文僅對幾種典型泵的密封方案進行了選型（xíng）分析，並對API 682 做了適當改進，使之更加合理，延長機封使用壽命。
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來源：《化工設備與管道》2015年第4期