泵送环（ 泵效环）及其在机械密封中的应用

在石油炼制和化工等工业中，有超过80%的输送液体介质旋转设备采用机械密封。机械密封的零逸出、高可靠性、长寿命、低磨损等是机械密封领域的研究发展方向。工作良好的机械密封辅助系统是保证机械密封长   寿命工作的必要条件。API682规定的辅助系统方案基本可以满足机械密封在大多数工况条件下正常运行，在API682规定的辅助系统方案中第   23和52/53号方案（ 如图1、图2示意），要求密封保护也2或隔离缓冲液能够循环流动以带走密封端面产生的热量，降低密封工作温度。促使密封液循环有以下三种方式：
（1）在系统管路中加小型管道循环泵来完成循环；
（2）利用热虹吸作用形成自然流动循环；
（3）在密封上增加具有泵送效应的旋转零件一一泵送环，来完成密封液循环。对于第（1）种循环方式，外加的小型循环泵涉及到耐压、耐温、密封、防爆等系列问题，成本投入较大，一般情况下较少采用。

图1 密封泵送环1

图2 密封泵送环2

        对于第（2）种循环方式，需要有一定温差才能形成循环，且循环速度较慢，在转速较高、发热较大的场合使用，效果不明显，一般用于低转速、发热较少场合。

第（3）种循环方式一一泵送环，其固定 在机械密封旋转件上，一同旋转， 作用是 将密封腔内的缓冲液体（隔离液体或泵腔内的自冲洗流体）驱动送出，经过冷却器储罐后送回管路，满足密封液循环的要求，与密封本身相比成本很低，除消耗极少的轴功率外，不涉及其它问题，经济实用，已经在机械密封上较广泛使用。

一、泵送环分类

常用的泵送环有离心式和螺旋式两种结构（见图3、图4）。离心式泵送环有开口槽式、斜孔式和半圆槽式等样式（见图5） ，斜孔式是为了增大密封液流量，减少流体阻力而设计的，对轴旋向有要求。螺旋式有内外螺旋配合式和只有外螺纹旋转等样式（见图6），后一种较常用，螺纹式泵送环有螺纹旋向要求，需要注意。

 图3 离心式泵送环

图4 螺旋式泵送环

图5 离心式泵送环样式    

图6 螺旋式泵送环样式

二、泵送环作用机理

离心式泵送环是在金属环的一侧加工出液槽(或孔)(见图5),利用泵送环高速旋转时产生的离心力将出液槽(或孔)内的密封液甩出,使泵送环外侧的密封液形成一定的压力,将泵送环外侧的密封液导流出去,同时泵送环内侧的密封液不断补充到出液槽(或孔)中,形成持续泵送效应,工作状况类似离心泵。离心式泵送环要求由离心力作用甩出的流体对着出口,引出口结构形式对循环压力影响较大,常用的办法是在对应的外腔体上面加工一槽,槽的轴向宽度包含离心环轴向宽度,同时环形槽并非是圆周的,在近出孔的后侧位置处隔断,以使流体强制流向出孔,这种设计的零件对间隙要求不高。离心式泵送环环外侧压头主要由试验得出。螺旋式泵送环是在旋转套的外表面加工出多头螺纹,与套在旋转套外面静止件的内表面配合使用(如果静止件的内表面加工出与泵送环反向的螺纹效果更好,但通常因空间狭小,加工困难,静止件的内表面不加工螺纹),当泵送环旋转时,螺纹将带动螺纹槽内介质旋转,由于惯性作用螺纹槽内介质与螺纹槽产生相对运动,促使密封液向一侧运动,使泵送环两侧产生压差,此压差可按照下列公式计算出:

Δp=Kρ[zl/(πd)][(V/2)-(Q/F)tgα]²sinα式中

K———压头系数;

ρ———介质密度;

z———螺纹头数;

l———螺旋体长度;

d———螺旋轴直径;

V———圆周速度;

F———过流面积;

Q———包括泄漏量在内的流量;

α———螺旋升角。

将高压侧的密封液通过出口流道引出到外部管路,经过换热器或储罐后回流到密封腔形成循环。螺旋泵送环对流道的出口要求不高,但也需要有利于密封液流出。螺旋泵送环与外侧静止件内表面的配合间隙以运行中泵送环与静止套不摩擦接触即可,间隙大了将降低泵送压头。由于整体循环过程中,密封液循环压力与压盖出口方向、角度以及管路流程阻力、密封液的黏稠度等关系较大,详细计算很复杂,实际使用中,以检测压盖、换热器的密封液进出管路温度差值等来判定泵送环的工作状况。

三、泵送环在机械密封中应用

泵送环常用在API方案23、52、53中驱动密封液循环,下面分别做一下介绍。

1、API方案23

API方案23是密封液被泵送环驱动,从密封腔出来经过换热器冷却后,再回到密封腔的循环过程。此方案中密封是单端面机械密封,本方案是高压热水泵首选辅助系统方案,这里的密封液即是泵送的流程介质。在正常情况下,密封液无泄漏,只在密封腔与冷却器之间循环,带走密封运转产生的热量和泵体热传导到密封腔的热量,降低密封腔的温度。因有泵喉部衬套的节流作用,密封液很少与流程介质更新,如果密封液存在结焦、结晶、变质等物理或化学变化,则不适用于本方案。由于泵送环的驱动压头有限,不适合使用流阻较大的换热器,管路的流程阻力也不能太大。API方案23常用离心式泵送环,示意图见图7。

图7 API方案23的应用

2、API方案52

API方案52是外部储液罐为布置方式II(每套集装密封有两对密封面,且两对密封面之间的压力低于被密封的介质)的外侧密封提供缓冲液,缓冲液由泵送环驱动循环,储液罐通过阀门、孔板等与装置排气系统连通,及时将前级密封泄漏的介质蒸汽排出,并保证缓冲液压力低于介质压力。本方案使用的储罐通常为压力罐,罐中有蛇管冷却缓冲液。正常情况下,该方案可以保证流程介质不被泄漏到大气中。通过检测储液罐缓冲液的液位或压力变化,可以得知前级密封是否有大量泄漏,从而知晓主密封的工作情况。API方案52常用于烯烃类化工介质泵上。常用结构示意见图8,集装密封的主要性能取决于前级密封,可配合API方案11、21等一起使用。

图8 API方案52的应用

3、API方案53

API方案53是用高于介质压力的隔离液储罐为布置方式III(每套集装密封有两对密封面,且两对密封面之间的压力高于被密封的介质)的前级密封和外侧密封提供液体循环,隔离液的循环由泵送环驱动。API方案53细分为53A、53B、53C三种结构。(1)53A的隔离液直接由氮气加压,用于压力低于2MPa的工况,储液罐为压力罐;(2)53B的隔离液由氮气通过气囊蓄能器间接加压,隔离液由换热器冷却,用于压力高于2MPa的工况,储液罐为换热器;(3)53C的隔离液由介质通过增压罐升压后间接加压,用于介质压力有较大波动工况,储液罐为增压罐。在实际应用中通过检测储液罐内隔离液的液位或压力变化和观察外侧密封的泄漏情况来分析前级密封的工作状况。应用API方案53的密封系统,正常工作前级密封的泄漏方向是介质,即隔离液漏向介质,所以可以保证介质的零逸出,有利于环保要求,常用于有毒、易燃、易爆、强腐蚀等的介质密封。API方案53B的应用示意图见图9。

图9 API方案53B的应用

四、结束语

随着串联或双端面机械密封的广泛应用,缓冲液或隔离液的循环状况在不同程度上决定着机械密封的使用寿命，要求泵送环在较小的空间尺寸内能够提供更大的循环动力。泵送环不仅可以驱动密封液的循环，还可以利用其产生压力的特性，反向利用在密封的前端，降低机械密封的工作压力，改善工况以提高机械密封的使用寿命。