羅峰
（中國神華煤製油化工有限公司北京工程分公司工程技術管理部）
導讀：在煤製油化工裝置中（zhōng），存在許（xǔ）多（duō）有毒、有害、易（yì）燃（rán）、易爆介質，如甲醇、乙烯、硫化（huà）氫（qīng）一（yī）氧化碳、輕烴（tīng）等。機（jī）泵輸送此類介（jiè）質對密封要求較高，按照現代的（de）管理要求，不允許泄露。
目前，使用技術一般有三（sān）類，采用無泄漏泵如屏蔽泵、磁力泵、隔膜泵等，對於必須使用離心泵時，采用雙重機械密封或（huò）幹氣密封（fēng）。基（jī）本上大部分適用（yòng）雙封的場合（hé）都可以使用幹氣密封，在技術上來講都是可行的。
那麽雙重密封與幹（gàn）氣（qì）密封（fēng），哪（nǎ）個更好，常常困擾許多使用（yòng）者。本文以神華某煤化工項目淨化裝置煤化工淨化裝置主洗泵為（wéi）例，對雙重（chóng）密封（fēng）和幹氣密封進行（háng）一下簡單的（de）對（duì）比，希望能為更多在此領域的用戶（hù）提供選擇的參考。
1.機械密封
機械密封原理
機械密（mì）封是指由至少一對垂直於旋轉軸線的端麵在（zài）流體壓力和補償機構彈力(或磁力)的作用下以及（jí）輔助（zhù）密封的配合下（xià）保持貼合並相對滑動而構成的防止流體泄漏的裝置。
機械密封主要有以下四類部件組成。主要密（mì）封件:1靜環、2動環；輔助密封件、6旋轉輔助密封圈、8靜止輔助密封圈；壓緊件、3彈簧；傳動件、4彈箕座及5鍵或固定螺釘，7防轉銷（xiāo）、9壓蓋。
機械密封中流體可能泄漏（lòu）的途徑有（yǒu）如圖1中的A.B，C，D四個通道。C.D泄漏通道分別（bié）是（shì）靜（jìng）止環與（yǔ）壓蓋、壓蓋與殼體之（zhī）間的密封，二者均屬靜密封（fēng）。B通道（dào）是旋轉環與軸之間（jiān）的密（mì）封，當端麵摩擦磨損後，它僅僅能追隨補償環沿軸向作微量的移動，實際上仍然（rán）是一個（gè）相對靜密封。因此，這些泄漏通道相對來說比較容（róng）易封堵。
靜（jìng）密封元件Z常用的有橡膠O形圈或聚（jù）四（sì）氟乙烯V形圈，而作為補（bǔ）償環的旋轉環或（huò）靜止環輔助密封，有時采用兼備彈性（xìng）元件功能（néng）的橡膠（jiāo）、聚四氟乙烯或金屬波紋管的結構.A通道則（zé）是旋轉環與靜（jìng）止環的端麵（miàn）彼此貼合作相對滑動的動密封，它是機（jī）械密封裝置中的主密封，也是（shì）決定機械密（mì）封性（xìng）能和壽命的關鍵（jiàn）。
如圖2所（suǒ）示機械密封工作（zuò）時，由密封流體的壓力和彈性元件的彈力（lì）等引起的軸向力使動環和靜環互相貼合並相對運動，由於兩個密封端麵的（de）緊密配合，使密封端麵之間的交界(}封界麵)形成一微小間隙，當有壓介質通過此間隙時，形成極薄的液膜（mó），產生阻力，阻止介質泄漏，同時液（yè）膜又使（shǐ）得端麵得以潤滑，獲得長期密（mì）封效果（guǒ）。
雙重機械密封
有毒有害介（jiè）質時為了取得更好的密封（fēng）效果，采用雙重密封（fēng），根據密封液（yè）係統壓力可分為（wéi）有壓雙封(雙端麵機械密封)和無壓雙封(串聯（lián）式機械密（mì）封（fēng）)。
有壓雙封密封液係統的壓力一般要比一級（jí）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，確保了泵內介質不會泄漏（lòu）到外界。由（yóu）於密封液進入泵內，密封（fēng）液係統壓力、液位降低，可以實現密封的泄漏監測和報警。
無壓雙封密封係統內的壓力一般為常壓或微（wēi）壓，低於一級密封前的密封腔壓力。當一級密封泄漏時，泵內介質會進人密封（fēng）液係統，導致密（mì）封液係統的（de）壓力和液位升高，可以通過壓力開關或液位開（kāi）關實（shí）現泄露監測和報警。通（tōng）過密封液係（xì）統來監測雙端麵機械密（mì）封失效與否，也是其區別於（yú）單端麵機械密封Z主要的形式之一（yī）。
有壓（yā）雙封(雙端麵機械密封)原理（lǐ）與單端（duān）麵（miàn）機械（xiè）密封基本相同，都是靠垂直於旋轉軸線的端麵（摩擦副）在流（liú）體壓力和（hé）補償機（jī）構彈力（lì）的作用以及輔助密封的配合下保持貼合並相對（duì）滑動而構成的防止流體泄漏的裝置。雙端（duān）麵機械密封結構如圖3所示。
雙端麵機械密封（fēng）不僅僅（jǐn）是單端麵機械密封（fēng）的重複，在化工一些重點場合，可有效地防止（zhǐ）危險（xiǎn）、有毒（dú）、易燃、易爆（bào）物（wù）質的（de）泄漏，具有高性能保險作用。在密封高（gāo）壓介質時（shí），可以合理的分配每（měi）個密封的（de）兩（liǎng）端壓差，提高密封的工作壓力範圍（wéi）。對一些自潤滑（huá）性差、易凝（níng）結、汽化介質，通過在密封腔體注入密封液改善（shàn）密封的工況，大大提高密封的效率和使用（yòng）壽命。
工作時，由流體壓力(介質壓力)和彈性元件（jiàn）的（de）彈（dàn）力等引起的合力作用下，在密封環的端麵上產生一個適當的比壓（壓緊力（lì）），使兩個接觸端麵(動環、靜環端麵)相互緊密貼合，並在兩端麵（miàn）間極小的間隙中維持一層極薄的液膜，從而達到密封的目的。雙端麵（miàn）機械密封有（yǒu）兩道端麵密封，若一級密封失效，二級密封（fēng）仍然可密封，防止泄露。一（yī）般（bān）雙端麵密封都需要外供（gòng）密封液係統，向密封（fēng）腔（qiāng）內引入封液進（jìn）行堵封、潤滑和冷卻，且多為循環（huán）冷卻使（shǐ）用。密封液不僅可以衝洗摩擦副改善機械密封（fēng）工作環境，還可以（yǐ）作為一級密封麵是否失效的重要檢測手段。
與單端（duān）麵機械密封相比，雙端麵機械密封多一個摩（mó）擦副。可分為麵對麵、背對背兩種形式。
麵對麵（miàn）雙端麵機械密封有靜環麵對麵和動環麵對麵兩種形式（shì）。靜環麵對麵是一整（zhěng）體動（dòng）環，動環麵對麵一整（zhěng）體靜（jìng）環（huán）。但是由於加工（gōng）精度、機械（xiè）密封（fēng）失效後更換成（chéng）本等問題麵對麵（miàn）式（shì）雙封在流體（tǐ）泵用機械密封中使用較少，一般應用於密封腔尺寸較小的場合。背靠背（bèi）或串聯（lián）機械密封已經完全可以覆蓋麵對（duì）麵機械密封的適用工（gōng）況（kuàng）。輕烴、黏性、聚合流體、有害氣體采用幹氣密封、非（fēi）接觸設計（jì）可以采用（yòng）麵對麵機械密封。麵對麵機械密封要求（qiú）封液壓力大於介質壓力，屬於有壓雙封，不然內側機械密封動靜（jìng）環受力不（bú）合（hé）理。麵對麵結構多（duō）用於集裝式結構，既可以做單端（duān）麵，又（yòu）可加（jiā）封液做成雙端麵（miàn）。
背對背式雙端（duān）麵（miàn）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。背對背式（shì）雙封分別有兩（liǎng）動環和兩靜環，一級密封為外流式。因其適（shì）用工況寬，應用（yòng）廣泛，狹義上的雙端麵機械密封專（zhuān）指背對（duì）背式雙端麵機械密（mì）封。背對背式雙封屬（shǔ）於有壓（yā）雙封，當一級密封失效後密封液（yè）係（xì）統的壓力和液位（wèi）都會降低。密封液循環的動力由內置泵效環提供。
圖6所示為無壓雙封(串聯（lián）機（jī）械密封)是兩（liǎng）組單端麵機械密封組成串聯雙（shuāng）端麵機械密封兩套密封延同一方向布置，密封腔壓力逐級降（jiàng）低，介質不至外漏。串聯雙端麵密封由於其結構緊湊（còu），可適（shì）用於（yú）軸徑尺（chǐ）寸不大，軸向尺寸小，隨轉速較大的中（zhōng）等載荷的場合。內端為平（píng）衡型（xíng）機械密封（fēng），外端為非（fēi）平衡型帶泵效（xiào）環機械密封。封液提供（gòng）密封麵的冷卻潤滑（huá），靠內（nèi）置泵效環循環。
2.幹（gàn）氣密封
2.1原理簡述（shù）
一（yī）般來講，典（diǎn）型的幹氣密封包含了靜環、動環組件(旋轉環)、副密封O形（xíng）圈、靜密封（fēng）、彈簧和彈簧座(腔體)等。靜環位（wèi）於不鏽鋼彈簧座內，用副密封O形（xíng）圈密封。彈簧在密封無負荷狀態下使靜環與固定在軸（zhóu）上的旋轉環——動環組件配合，如（rú）圖7所示。
在動環組件和靜環配（pèi）合表麵處的氣體徑向密封有其先進獨特的方法。配合表麵平麵（miàn）度和光潔度很高，動環組件配合表麵上有（yǒu）一係列（liè）的螺旋槽，如圖8所示。隨著轉動，氣體被向內泵送（sòng）到螺旋槽的（de）根部，根部以外的一段無槽區稱為密封壩。密（mì）封（fēng）壩對氣體流動產生阻力作用，增加氣體膜（mó）壓力。
配合（hé）表（biǎo）麵間的壓力使靜環表麵與動環組件脫離，保待一個很小的間隙，一（yī）般為3微米左右。當由氣體壓力和彈（dàn）簧力產生的閉合壓力與氣體膜的開啟壓力相等時，便建立了穩定的平衡間隙。在動力平衡條件下，作用在密封上的力如圖9所（suǒ）示。
閉合力Fc，是氣體壓力和彈簧力的總和。開啟力Fo是由端麵間的壓力分布對端麵麵積積分而形成的。在平（píng）衡條（tiáo）件下Fc=Fo，運行間（jiān）隙大約為（wéi）3微米。
如果由於某種幹擾使密封間隙減小，則端麵間的壓力就會升高，這時，開啟力Fo大於閉合力Fc，端麵（miàn）間隙自動加大，直至平衡為止。如圖10所示。
類似的，如果擾動使密封間隙（xì）增大（dà），端麵間的壓（yā）力就會降低，閉合（hé）力Fc大於開啟力Fo，端麵間隙自動減（jiǎn）小，密封會很快達到新的平（píng）衡狀態，見圖11。
這種機製將在靜環和動環組件之間產生一層穩定性相當高的（de）氣體薄膜，使得在一般的動力運行條件下端麵能保持分離、不接觸、不易磨損，延長了使用壽命。
離心泵輸送的介（jiè）質為液（yè）體。根據不同（tóng）工（gōng）況條件，可采用雙端麵幹（gàn）氣密封和串聯（lián）幹氣密封。
2.2雙端麵幹氣密封
雙端麵幹氣密封（fēng）可以用在絕大多數離心泵（bèng）的軸封上（shàng），它具有以下特點：用“氣體阻塞”替代傳統的“液體阻塞”原理，即用帶壓密封氣替代帶壓密封液，保（bǎo）證工（gōng）藝介質實（shí）現“零逸出”;整（zhěng）套密封非接觸運（yùn）行，其功率（lǜ）消耗僅為傳統雙端麵密封的5%，使用壽（shòu）命比傳統密封（fēng）長5倍以上；結構簡單的輔助係統，保證工藝介質不受（shòu）汙染及工藝介質不向大氣泄漏，徹底擺脫了傳統雙端麵機械密（mì）封對油（yóu）係統的（de）依賴。密封氣采用工業氮氣或工業儀表風，其壓力高於介質0.15-0.2MPa。
泵用雙端麵幹氣密封的不足之處是：需要一（yī）定壓力的氣源，氣源壓力至少高於介質壓力0.2MPa；有微量氣體進入（rù）工藝流程。
2.3串聯式幹（gàn）氣密（mì）封
泵用串聯式幹氣（qì）密封具有如下（xià）特點：幹氣密封與接觸式機械密封串聯（lián）使用（yòng），機械密封為主密封，幹氣密封為次密（mì）封（fēng）；幹氣密封與主密封間通（tōng）入氮氣，保證主密封具有一定背壓，極大地延長主密封的使用壽命;主密封泄漏的工藝介質隨密封氣排入火炬，保（bǎo）證工藝介質不向大氣泄漏，是一種環保型密封;主密封失效後，幹氣密封（fēng）短時間內起（qǐ）到主密封作用，防止工藝介質向大氣大量泄漏。該類密封使用壽命取決於機（jī）械密封的使用壽命，一般在2-3年左右。該密封主要（yào）用於易揮發介質的場（chǎng）合，如液態烴類介質；對密封氣壓力要求不高。
泵用串聯幹氣密封的不足之處是：該密封還不是完全意義上的（de）幹氣密（mì）封，其總體性能介於機械密封和幹氣密封之間。該密封適用（yòng）於易揮（huī）發介質的場合，使用範圍較窄。
3.選（xuǎn）型比較
神華煤化工項目淨化裝置煤化工淨化（huà）裝置主洗泵密封（fēng）選型（xíng）比較
3.1主洗泵工藝參數
介質：甲醇
入口壓力：0.447MPa(a)
出（chū）口壓力：7.05MPa(a)
流量：322m3/h
揚程：691.1m
入口溫度：-64℃
3.2雙重機械（xiè）密（mì）封選型
(1)甲醇為（wéi）有（yǒu）毒有（yǒu）害介質，不允許泄露到大（dà）氣中。
(2)此工況情況下，由於介質溫度（dù）較（jiào）低，密封在運轉中，會吸收大量熱（rè）量，導致密封麵外（wài）側極易結冰（bīng），致使密（mì）封麵磨損。
(3)工藝要求（qiú）介質不允許受到汙染。
基於此以上原因，推薦選用衝洗方（fāng）案為PLAN11+52+62
PLAN11：介質從泵的吐出口經過流量控（kòng）製孔板(如果必要的話)到密封，液體進入（rù）鄰近機械密封端麵的密封室衝洗端麵，液體經過密封返回泵中（zhōng），保持密封端（duān）麵產生的摩擦熱及時帶（dài）走，從而改善密封工作環境。
PLAN52：利用壓力小於工藝流體壓力但不（bú）低於大氣壓力的緩衝液（yè），注入密封室中。由於緩衝液壓力小於工藝流體壓力，少量工藝流體泄漏至緩衝（chōng）液中，即在外側密封室中，循環至密（mì）封係統或放（fàng）空（kōng）係統中進（jìn）行處理，從而避（bì）免工藝（yì）流體的直接排放大氣和環境的汙染。本泵使（shǐ）用工業白油作為緩衝液。如圖13。
PLAN62：采用外供急冷液衝洗密封麵大氣側。急冷液可使用蒸汽、氮氣或清潔水，本泵考慮介質的低溫性，使用0.2-0.7Bar低壓氮氣進行吹掃，防止外側密封運轉時吸收周圍熱量結冰（bīng），導致密封麵破損。如（rú）圖14。
如（rú）圖15該泵密（mì）封係統需配置（zhì）兩個緩（huǎn）衝罐，其上設有溫度、壓（yā）力、液位開關，並且外側密封需要配置（zhì）低壓（yā）氮氣吹掃。一旦主密（mì）封泄露時，外側密封（fēng）液（yè）位上升，壓力增高，使得壓（yā）力（lì）或者（zhě）液位進（jìn）行報警，從而判斷密封（fēng）泄（xiè）露進行檢修。
3.3幹氣密封選型
甲醇為碳氫化合物，在低溫下極易氣化，並且如采（cǎi）用接觸式密封產生的摩擦熱會加劇（jù）密封麵間液（yè）膜不穩定狀態，因此推薦采用雙端麵幹（gàn）氣密封。
本泵選用雙端（duān）麵幹（gàn）氣（qì）密封（fēng）。衝洗方（fāng）案PLAN74
PLAN74：由外部提供隔離氣——氮（dàn）氣，通常氮氣壓力應高於主密封（fēng）腔介（jiè）質壓力（lì），標準規定隔離氣應（yīng）高1.75-2bara(25psi-30psi)，隔離氣由（yóu）有過濾器，調壓筏，流量計，單向閥，壓力表和壓力開關組成的控製板提供，隔（gé）離氣的泄露方向一是通過主（zhǔ）密封麵（miàn）向主密封腔泄露，另一是通過外側非接觸幹氣密封向大氣側正常泄露，同樣實現介質的零泄露。
需配過濾（lǜ）器、調壓閥、流量指示劑、壓力表、壓力開關（guān）等，還需配給0.8MPa(a)的穩（wěn）定潔淨氮氣。
4 主（zhǔ）洗泵選（xuǎn）用串聯機械密封與（yǔ）幹（gàn）氣密封（fēng）的比較
(1)密封效果：串聯機械機（jī）械密封與幹氣密（mì）封均（jun1）可做到介質絕（jué）不泄露；
(2)使用壽命：串聯機械（xiè）密封使用壽命為1年；幹氣密（mì）封使用壽命為3年；
(3)操作簡便性：串聯機械（xiè）密封需加緩（huǎn）衝液及（jí）配置氮氣吹掃；幹氣密封需采用氮氣加壓係統，兩者基本相當；
(4)一次投入價格：串聯機械（xiè）密封（fēng）價格相當於幹氣密封（fēng）價格的60%；輔（fǔ）助係統（tǒng）價格相當（dāng）；
(5)外部條件依賴性：串（chuàn）聯密（mì）封對公（gōng）用工程條（tiáo）件要求不高，幹氣密封需要壓力（lì）穩定、潔淨的氮氣源；
(6)易損壞度：串聯式機械密封為接觸式密封，由於介質溫（wēn）度較低，密封產生的摩擦熱會加劇密封麵間液膜不穩定狀態，長期運轉能力明顯弱於幹氣密封；幹氣密封必須達到一定轉速才能形成氣膜，開啟密封麵，在（zài）泵啟動（dòng）停車時密封麵容易（yì）磨損，如（rú）頻繁啟停泵則極（jí）易損壞；
(7)檢修複雜（zá）性（xìng）：串聯式（shì）機械（xiè）密封與幹氣密封均為集裝式密封，整體更換，對用戶來講區別不大；
(8)維護成本：串聯式（shì）機械（xiè）密封價格低但壽命短（duǎn），如以三年為計算期（qī），理想狀（zhuàng）態下幹氣密封更換（huàn）費用為串聯密封的55%。
4.結論
通過淨化裝置主洗泵（bèng）幹氣密封與串聯式機（jī）械密封選型（xíng）的（de）綜合比較，兩者均沒有的優勢。幹氣密封在公用工程條件穩定（dìng），裝置（zhì）運行穩定的場合，具有維護成本低、使用（yòng）壽命長、穩定可靠地優勢（shì），因此、在能（néng）夠穩定運行的裝置，可優先考慮使用幹氣密封。在新建（jiàn）、改建項目，由於裝置在開工初期工（gōng）藝操作穩定性較差，公用工程條件的穩定性也不好保（bǎo）證，雙重機械密封則具有投資低、對公用工程依賴性低、更換成本較低（dī）等優勢，因此在新建、改建項目（mù）建議（yì）優先考（kǎo）慮（lǜ）串聯（lián）式機械密封。
在目前技術條件下，泵用雙重機（jī）械密封（fēng）與幹氣密封各（gè）有（yǒu）優勢，進行選型時（shí）還需從投資能力、外部條件、裝置穩定性、工（gōng）藝要求等方麵綜合考慮。
