填料密封的若干问题及改进设计

填料密封的若干问题及改进设计

电潜螺杆泵采油系统在远高于地面温度和压力的环境下工作,运行过程中管柱的周期性振动剧烈,会产生较大的径向推力和轴向推力,大排量螺杆泵的推力则更大,因而其承载、卸载问题非常关键,会直接影响其使用寿命。目前采用独立成节的装置———支承节,来承担较大的轴、径向载荷以提高采油设备的使用寿命。对于支承节,其密封保护问题,又成为设计的关键。填料密封是一种较为原始的接触式密封,因其结构简单, 更换简便,装配及维修方便,成本低廉而广泛应用于石油工业、石油化学工业、造纸工业等。本文就是基于井下采油设备,对传统的填料密封方式进行了研究。

1镇料密衬的若干问题

在现代石油化工企业中,虽然旋转轴的机械密封所占比重越来越大,但传统结构型式的填料密封仍以结构简单、安装维修方便、价廉等优势占据其应有的位置。由于一般型式的填料只是对流体的流泄起节流作用,而不能将其阻止或封闭,所以传统填料密封存在泄漏率较高,工作周期短等缺点,使密封面处于一种不稳定的工作状态,难以进行有效的控制。

1.1组合式填料密封的应用

传统的单一类型的填料难以满足现代科技复杂工况对密封的要求。为使填料密封最大限度地发挥其有利特点,克服或弥补某些方面的不足,采用两种以上填料进行混合装配是行之有效的办法。我们做了大量的试验。结果表明,用碳纤维与柔性石墨混装的组合结构,密封效果甚好。当介质压力小于0.5mpa时,此结构可用七层填料环,其中1.4.7三层用碳纤备维填料,其余四层用柔性石墨填料。这种组合使两种填料优势互补,整体结构具有轴向受力较均匀,回弹性好,摩擦系数低,外层强度高,抗冲刷等许多优点,广泛适用于各种填料密封场合。这种结构安装时,如用在泵轴封处,轴套的外圆与填料环的间隙在0.2mm.左右为宜,压紧力不必很大,运转开始时允许有微量的泄漏。随着柔性石墨的膨胀,泄漏逐渐减小。如泄漏量大,可将螺栓稍紧,由于柔性石墨回弹性很高,轻度施压极为敏感,切不可太紧,避免烧轴。对于一些非轴封结构密封,可适当加大预紧力。

这种组合结构的填料密封,我们先后在铜氨液进料泵、承插式膨胀节结构改造、碱液循环泵轴封改造及管道连接部位的密封中应用,密封效果均较好,而且泵轴封的轴温完全正常。说明组合填料可以保证密封的可靠性和稳定性。

1.2高温填料密封

高温填料密封失效是企业常见的问题之一,我们在遇到此类问题时采用了如下解决办法

(1)填料选择要恰当

由于热冲击和持续高温之类的热负荷威力很大,再加上有些设备工况为高低温交替作用的疲劳载荷,填料选择必须考虑能耐高低温,回弹性好,又有一定强度的填料。我们在实践中应用较多的是含Ni、Cr丝柔性石墨盘根。如某厂硫酸车间高温蒸气阀泄漏,高温管路无推力补偿器泄漏,填料主体都采用了这种盘根,密封效果很好。

(2)及时调整紧固力

高温高压下密封材料升温很快,温度波动大,很容易导致泄漏。高温作用下非金属材料的蠕变松弛现象必须引起重视。一般说来,软填料兼有弹性和塑性材料的性质,在恒定载荷作用下,填料逐渐发生变形,则填料内部的应力状态不是恒定的,应力重新分布和蠕变变形而使填料的弹性变形部分逐渐减少导致应力松弛。应力减小的原因包括填料固有的松弛性质以及填料体积变化,即填料中浸渍物质和空气含量逐渐被挤出所引起的。高温作用下这种变形的绝大部分是在工作温度下最初24小时内发生的,尤其开始几个小时变形量最大。变形后螺栓作用力降低,因此,需要保证蠕变后螺栓紧固力仍大于所需的螺栓紧固力。另外,可在蠕变松弛的初期,即当有轻微泄漏时,立刻热紧,及时调整螺栓力。这样做要比盘根冷却后泄漏量较大时再紧螺母的密封效果好得多。还要注意的一个问题是,设计时螺栓长度要留有足够裕量,增大可调节范围,给再压缩盘根提供必要条件,充分体现可压缩性在密封中的应用。

2填料密封的密封机理分析

压紧式填料密封不是因为固体填料同旋转轴紧密贴合阻止内部流体泄出,而是通过填料与旋转轴之间的润滑油膜阻止流体外泄。这层油膜来自所用的填料,其内部组织较大的空隙内充满了润滑剂,或者在使用时填料外表面涂上一层稠厚的机械油,用来补充润滑膜。当已有的润滑膜使用一段时间逐渐消失后,就会产生泄漏。

有鉴于此,在传统填料密封中,内部流体可能通过下列途径泄漏: ①流体穿过填料本身的缝隙而出现渗漏; ②流体通过填料与箱壁之间的缝隙而泄漏; ③流体通过填料与转轴之间的缝隙而泄漏。填料置于填料箱中,通过压盖将填料压紧在轴上,填料依靠压盖轴向压紧,产生径向变形,填满间隙,填料在变形时,依靠径向变形产生的径向力紧贴转轴与填料箱内壁表面,实现密封。这就是悦,在填料密封可能出现的3 个泄漏途径中,填料本身的渗漏可以通过压实填料的方法来消除;箱壁内表面与填料之间的泄漏,因为无相对运动且填料被压实而与填料箱内壁表面紧密贴合,达到了止漏目的;只有填料与转轴之间,因有相对运动,并存在微小间隙,所以常造成泄漏。

针对密封机理,填料密封如何保证持久稳定的起密封作用,有两种常见的观点,即“轴承效应”和“迷宫效应”。

填料装人密封腔后,经压盖对它作轴向压缩,使它产生径向力保持与轴紧密接触,建立起密封状态。与此同时,填料中浸渍的润滑剂被挤出,在接触面之间形成液膜,呈“边界润滑”状态,类似滑动轴承,故称为“轴承效应”。因此按照“轴承效应”的观点,要求填料密封必须像轴承—样,应得到良好的润滑。

关于“迷宫效应”,意思是说，“填料压紧后,未接触的凹部形成小沟槽,有较厚的液膜,当轴与填料有相对运动时,接触部分与非接触部分组成一道道不规则的迷宫,起阻止液流泄漏的作用”,并认为良好的密封在于维持“迷宫效应”。不少作者都支持这一观点,但是对于“迷宫效应”的解释,我们认为值得商榷。众所周知, 迷宫密封的工作原理(以密封气体为例) :由于在转轴的周围依次排列着许多环形密封齿,当气体经过每一个密封齿时,气流经间隙高速进入环形空腔后,突然膨胀而产生强烈的漩涡,使气流的大部分能量转化为热量而散失掉,使焓值

恢复到接近于间隙前的值,这时气体压力逐级下降,从而达到密封的效果。而填料密封中微观不平度构成的所谓“迷宫”,并没有这种降压作用。实际上,恰恰相反,它是造成多空间隙泄漏或动力泄漏的基本条件。所以,如果按维持或加强“迷宫效应”的观点改进填料密封性能,将得出相反的效果。

3填料密封结构改进设计

填料密封因具有结构简单、装拆维修方便及成本低廉的特点而得到广泛应用。填料密封既是动密封,又是静密封,所用填料为油浸石棉盘根软填料,其不足之处在于密封性能较差、轴和轴套磨损大、损失功耗大以及使用寿命短等。文中通过对现有填料密封结构进行分析,对其进行了改进设计。

在分析了传统填料密封结构、工作原理及其缺陷后,要想改善和提高填料密封的密封效果,在填料密封结构设计时要考虑解决3个问题: ①尽量使径向压紧力均匀且与泄漏压力规律一致,使轴套承压面受压均匀,从而使轴套磨损小而且均匀。②使填料密封结构中的填料具有补偿能力、足够的润滑性和弹性。③密封的填料沿轴向抱紧力应均匀分布。因此,新型填料密封结构应该是一种能够自动根据被密封介质压力的变化而改变密封力的填料密封结构。

工作时首先通过轴封腔套螺栓给填料一个预紧力,此力是通过轴封腔套反向施加在填料上的,填料因变形而产生径向力。由于整个填料块在受力过程中是双向受力,在轴上必存在一点,在该点外侧压盖产生的轴向力与内侧轴封腔套产生的轴向力相等。

填料因变形而产生的径向力正好由密封腔的内端向外端逐渐递减,在靠内侧,实际上填料对轴表面产生的径向压力在轴向刚好同介质压力分布趋势一致,这就从本质上实现了加大密封力的要求。由于在轴封腔套的连接螺栓上加了弹簧,可以实现填料对轴的密封力可随密封介质压力的变化而变化,维护了填料的弹性,从而达到了填料具有良好密封性能和延长使用寿命的目的。

此新结构还有两个特点,一是轴封箱与轴封腔套底端端面之间有一伸缩间隙C ,此伸缩间隙除了满足填料的伸缩外还具有迷宫效应和起到均匀分布介质压力的作用。其次是轴封腔套底端内孔设计有螺旋槽,与轴的外表面之间构成螺旋槽密封。

4结语

2005 年4 月,该密封结构在LD80 型水泵上使用,在泄漏量为60 滴/ min 的情况下,与传统密封结构相比预紧力明显减小,经一段时期的运转泄漏量基本无变化,且填料磨损趋于均匀。该密封结构克服了传统密封的缺点,把螺旋密封与填料密封进行了有机结合,具有一定的推广使用前景。

参考文献

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