泵軸封裝置技術環保新動向|最新資料

目前，在世界范圍內，各國政府和民眾日益增強的環保意識促使實施更全面的環境法規，這對使用泵的各個工業部門產生了巨大的沖擊。在美國，聯邦凈化空氣法規1990年修正案要求環保局（EPA）對189種揮發性有機物和454種揮發性危害空氣污染物實施更具體的析出物限制。煉廠和化工廠的流程泵所輸送的許多液體都被認為是上述析出物的主要來源。泵泄漏的問題越來越引起人們的重視。改善有密封泵的軸封裝置是減少泵泄漏的重要途徑。

1.泵軸封技術概況

近年來,世界泵業在密封技術的研究和開發方面所取得的成就十分顯著，主要是在新密封技術、密封產品和密封系統三個方面有了很大的進展。

填料密封作為泵的傳統密封結構，由于其有一定量的泄漏和在高速下效果差等問題，使用領域日益縮小。但近年來隨著石棉繩的逐步淘汰，在填料密封技術方面也取得了一些新的進展。例如，壓縮填料密封目前在整個英國工業領域正顯示其強大的生命力。這類合成纖維、陶瓷以及聚四氟乙烯等材料制成的低磨擦的壓縮填料比石棉填料具有更好的化學適應性、耐磨能力、耐高溫以及更長的使用壽命，而且價格也不高。

目前，機械密封在泵用密封市場上占據的份額越來越大，各種新設計的機械密封對市場份額的增長起了很大作用。最為突出的是集裝式密封。這種密封易于安裝和維護，又安全可靠，但價格相當昂貴。另一種引人注目的機械密封是剖分式密封，這種密封不需拆卸泵就可以進行更換。再有就是熱流體動壓密封、備用密封以及不對稱成型金屬波紋管密封等新結構。此外，串聯式密封和雙端面機械密封結構與一種沖洗系統配合使用時，防止了危險物質的泄漏并允許輸送磨蝕性介質。預計今后機械密封的發展很可能集中在采用“上游式泵送密封”和“磁性流體密封”或者類似技術來提高密封系統功能的完整性。“上游式泵送密封”是一種利用各種密封面流槽將密封面低壓側（下游）的少量泄漏流體泵送回高壓側（上游）的新概念。而“磁性流體密封”是從航天工業項目中派生的新技術，具有無泄漏和不磨損的特點。

2.上游式泵送密封

“上游式泵送密封”是一種利用各種密封面流槽將密封面低壓側（下游）的少量泄漏流體泵送回高壓側（上游）的新概念。它是串聯密封和雙端面密封之間的一種混合結構。在結構和工作原理上，看上去像是一種在兩個端面之間具有一種低壓阻擋液的備用端面密封結構。在功能方面，它起雙端面密封的作用。主密封中的泵送機理是這樣的：密封中產生的壓力從低壓阻擋區到高壓介質端形成微弱的泵送能力。普通型端面主密封由一種小容量高壓“泵”—上游式泵送密封所取代。這種“泵”將少量的阻擋液沿著通常由機械密封密閉的通路推進，并且送入密封腔內。由于密封腔所處的壓力高于阻擋液，因此這種密封被看作是向上游進行泵送。上游式泵送密封可以適用于有毒和危險介質、磨料性介質和渣漿、潤滑性差的各種介質以及高PV值的場合。符號PV是密封制造商和用戶常用的表達式，用來表示在給定液體中端面材料組合的壓力—速度極限。高速泵通常屬于高PV值的使用條件，由于雙端面密封需要較高的緩沖液壓力，因而采用雙端面密封會使情況變得更壞。長期以來，高速泵工業一直受到高PV值的困擾。上游式泵送密封基本上是非接觸運行，因而完全消除了PV值的分量。由于不需要比密封腔壓力高的阻擋液壓力，上游式泵送密封為高速泵工業擺脫困境提供了一條有效的途徑。

上游式泵送密封的原理是動水壓力和靜水壓力相平衡。有卡環、彈簧和主密封環的密封端是靜止部件，與之相配的轉動密封環上有螺旋槽。槽型是一系列凹進的對數螺線。螺旋槽外圈未開槽的部分稱作密封壩。當施加壓力時，在密封面上產生的是靜水壓力，而且當配對密封環靜止或轉動時都會產生這種力。動水壓力只在轉動時才產生。轉動時螺旋槽起到決定性作用，它可以充當一個壓力形成裝置。當阻擋液進入螺旋槽中時，就被引到外徑處，在此處受到密封壩的阻力。壓力的增大使得撓性安裝的端面能夠竄動，從而調整密封間隙。一種“泵－節流閥”原理在起作用，形成了非接觸運行方式，同時使被抽送液體從低壓區進入高壓區。控制密封運行的力是軸向的。張開力是螺旋槽產生的壓力與端面兩側的壓力降之和，而閉合力是作用在端面后部的系統壓力與彈簧力之和。如果由于受到干擾而使密封間隙縮小，液膜內的力就會明顯增大。同樣，如果密封間隙增大，那么液膜內的力就會減小。在這兩種情況下，原來的間隙很快會重新恢復。與單純靜壓型密封不同的是，上游式泵送密封既有動壓又有靜壓，因此與轉速和壓力都有關。而靜壓型密封是通過壓力形成密封間隙，因而與轉速無關。

3.磁性流體密封

“磁性流體密封”是一個來自美國航天局空間項目的典型派生技術，至今已有三十多年的歷史。最初的開發用于在外層空間失重的條件下推動火箭燃料，這種利用磁力來控制流體的技術已經被有關工程技術人員推廣應用到地面上。磁性流體主要由三個部分構成：載流體（通常為低蒸汽壓的碳氫化合物或者碳氟化合物）、表面活化劑（一種化學粘結劑）和磁性顆粒（極小的磁鐵礦球）。表面活化劑將磁性顆粒粘結到載流體中使之成為膠態懸浮體，從而產生相應的流體磁性。在過去三十年中，這種簡單的密封原理已應用在眾多的結構中，有無數的磁性流體密封在運行。它能夠對真空回轉裝置的軸進行密封。這類裝置遍及半導體和真空工業中，上述工業依靠磁性流體密封無泄漏、不磨損的特點來提供恒定的質量。計算機磁盤驅動器行業已經安裝了數百萬的磁性流體密封，用作驅動器電機和精密存儲裝置之間的隔離密封。這種密封的優勢就在于：較低的安裝成本和可靠的使用壽命。

磁性流體密封的主要部件包括一種磁性流體、一個磁鐵環、二個磁極片和一個可導磁的軸或軸套。由固定極片和轉動軸形成的磁回路根據極性將磁通量集中在極片下的徑向間隙內。當將一種磁性流體加到徑向間隙時，它就呈現“液態O形環”的形式，并且在軸的四周形成一個無泄漏的密封。所有磁性流體密封均具有下列固有的特性：無需外部動力；不產生接觸，無磨損；軸靜止或轉動時無泄漏；長而可靠的使用壽命；低的轉矩和最小的能耗。磁性流體密封還具有獨特的自行恢復的特點。當過高的壓力通過磁性密封時，密封區域內短時間的過高壓力會使一部分磁性流體瞬時從軸的四周排出，在超壓狀態期間，磁性流體保持封閉在密封體內，當干擾狀態結束后，仍以原壓力重新形成密封。

專門為泵設計的基于磁性流體密封技術的新型輔助集裝式密封,是目前泵制造廠和用戶可以替代磁力驅動泵和復雜雙重密封系統的一種經濟有效的密封方法，而且它易于在現有的泵上重新改裝。用這種經過充分驗證的技術密封的泵可以滿足最嚴格的析出物控制條例。磁性流體集裝式密封是一種輔助的二次密封，它與主機械密封相結合，形成一個揮發性有機物保護系統。由磁性結構和磁性流體形成的“液體O形環”防止了主密封蒸汽泄漏逸出，從而在泵軸周圍形成一個密閉式密封。

經過數年的生產運行之后，泵用戶一致認為磁性流體密封具有下列優點：對現有的泵可以進行簡單的重裝改進；靜態和動態兩種條件下的泄漏為零；較低的安裝和使用成本；儀器儀表簡單，便于監控；能夠在原位重新裝填和測定壓力；檢修要求低；無阻擋液或復雜的密封輔助系統；無磨損件，維護明顯減少。

基本的泵用集裝式密封的結構是按照整個泵工業的通用驗收要求設計的。通過裝有可選用的冷卻裝置（適用于高溫裝置）或者可選用的氣體凈化系統（保護密封元件免受環境腐蝕），集裝式密封可以應用于更廣泛的領域。這種密封技術還有獨特的準確監控主密封性能的能力，并且能在嚴重事故發生前預測故障或識別問題。由于二次磁性流體密封攔截了全部主密封的蒸汽泄漏，所以一個簡單的流量計就可準確地監控主密封，并且在泄漏過大時發出報警信號。正在研究的新進展包括裝在集裝盒內的一種整體高壓液體密封。這種密封在主機械密封嚴重失效時將充當一個安全裝置。另一項研究計劃是開發一種返回到泵吸入側的獨特方法，主密封逸出的蒸汽和微小液體泄漏量可以由二次集裝式密封封閉。這樣就可以取消火炬或其它排放裝置并且最終形成一個閉式的揮發性有機物回收系統。

磁性流體密封技術對于密封泵泄漏的析出物早已證明是100%有效的。隨著流程工業的設計人員和用戶對這種技術的逐漸認識和了解，這種密封技術的使用范圍將日益擴大。它很有可能成為未來工業界迎接環境密封挑戰的一種經濟有效的方式。

在國內，由于國人的環保意識不強，環保法規不夠健全，再加上執行力度也不夠，人們對泵泄漏的問題普遍重視不足。從而使國內泵制造廠對如何最大限度地減少泵（尤其是工業用泵）泄漏的研究投入很少。致使國產泵軸封裝置的研制、開發水平與國際先進水平相比有較大差距。隨著我國加入WTO，以及最近五年優先發展環保產業的戰略方針的提出，可以預見，大力改善泵的軸封裝置，減少泵的泄漏量將會成為今后我國工業用泵的一個發展趨勢。