降低机械密封端面液膜汽化的措施
摘要: 通过对机械密封端面摩擦状态的分析, 确定了温度是机械密封液膜稳定性的一个重要可控参数。 因此在机械密封产品设计时,要尽可能的采取各种措施，降低液膜温度，保证端面液膜的稳定性，为机械密封的安全运行提供有力的保障。
关键词: 机械密封 液膜温度 措施
机械密封虽然不是领先的技术，但是机械密封的好坏却直接决定整机是否能安全运转。特别是针对易燃、易爆、易挥发、有毒、有害的工艺介质，机械密封的泄漏将严重影响和制约正常生产制序的进行，严重时还会发生重大的安全事故。随着工业的飞速发展，产品技术的提高和环保的要求，机械密封在石油、石化、发电、冶金、制药等行业的应用更加广泛。随之对机械密封的要求也更加的苛刻。本文作者针对造成机械密封失效80%～95%原因的端面泄漏进行分析，认为密封端面泄漏的主要原因是由于端面液膜遭到了破坏。本文作者从温度的角度，提出了提高密封端面液膜稳定性的措施。
1 机械密封的原理
机械密封是依靠弹性元件和工艺介质压力在相对运动的动环和静环的接触面上产生适当的压紧力（比压），使这两个光洁，平直的端面紧密地贴合在一起，利用两端面之间维持一层起平衡压力和润滑作用的极薄（0.5～1um）的流体液膜 ，来达到密封作用的轴向端面密封装置。
2 机械密封端面的摩擦状态
2.1 全液膜摩擦
相变半径RB ＜ 密封面内径R1 ：密封面间充满一层液膜，泄漏流体为液体。这种密封摩擦系数低，泄漏量大，工作稳定。
2.2 边界摩擦
相变半径RB = 密封面内径R1 ：密封面间充满一层液膜，泄漏流体在密封面内径处不断蒸发。这种密封摩擦系数低，泄漏量较小，工作稳定。是理想的工作状态。
2.3 混合摩擦
2.3.1 似液相摩擦
密封面内径R1 ＜ 相变半径RB ＜＜ 密封面外径R2 密封面间充满一层液体和蒸汽的流体膜。靠近密封介质侧为液体，靠近大气侧为气体，液体占大部分。这种密封摩擦系数较低，泄漏量较小，工作似稳定。
2.3.2 似汽相摩擦
密封面内径R1 ＜＜ 相变半径RB ＜密封面外径R2 密封面间充满一层液体和蒸汽的流
体膜。靠近密封介质侧为液体，靠近大气侧为气体，汽体占大部分。这种密封摩擦系数大，磨损大，泄漏量小，工作不稳定。
2.4 半干摩擦或干摩擦
密封面外径R2 ≤ 相变半径RB 密封面间充满一层气体流体膜。这种密封若不是按气相密封（干气密封）设计，就会出密封面干运转，磨损剧烈，工作极不稳定。
机械密封正常是工作在混合摩擦状态。摩擦系数低，泄漏量小，工作稳定的边界摩擦是我们所追求的理想工作状态。而磨损剧烈，工作极不稳定的半干摩擦或干摩擦应该是我们极力避免的工作状态。
3 温度和压力
图1可以直观地说明压力和温度与流体液膜的关系：
a． 随着压力的升高, 似液相区扩大,同时温度界限也增大。
b． 降低密封温度, 可使密封在稳定的液相区或似液相区工作。
压力和温度是延长机械密封寿命的两个极其重要的可控参数。而提高压力是为了提高工艺介质的汽化温度，因此控制温度是保证密封稳定运行的关键。
图1 端面流体膜相态图
t1 : 端面液膜的汽化温度
t2 : 端面液膜由似汽态转变
为汽态的温度
4 提高端面液膜稳定性的措施
4．1 提高整个系统的压力，来提高机械密封端面液膜的汽化温度，使机械密封能满足式1：
t1 ＝ t＋Δt 式1
式1中: t1—端面液膜的汽化温度/℃
t—液膜温度/℃
Δt— 温度裕度（一般取20℃以上）。/℃
4．2 在密封腔的外部加一循环的冷却水夹套,用冷却水降低工艺介质温度。
4．3 当密封的Ps·V值超过7MPa·m/s时就应该考虑增加密封冲洗系统。冲洗量可以参考表
1。为了防止石墨环产生冲蚀失效，还要在冲洗管路中增加孔板，孔板的大小及型式按《JBT_6634～1993机械密封系统用孔板》确定。
表1 一般泵用机械密封的冲洗量
密封轴径/mm 冲洗量 L/min 密封轴径 冲洗量 L/min ≤45 3 135～185 15 45～60 4 185～235 19 60～85 6 235～275 26 85～95 8 275～300 34 95～135 11
4．4 当密封介质为高温时，还要选用换热器系统或采用外冲洗来降低介质的温度。换热器的选取请参照《JBT_6634～1993机械密封系统用换热器》。换热面积按式2确定：
2
(式2)
式2中: F—换热器面积 m ； c—介质等压比热容 J/（Kg·℃）
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v—体积流量 m/h； ρ—介质密度 Kg/m Δt—介质温升 ℃ t均—换热器传动温差 ℃
k—换热器传热系数
4．5 采用如图2所示的多点冲洗，使密封面均匀受热。减少密封面变化，有利于液膜的稳定。
图 2
4．6 合理确定密封的端面比压，适当的减小密封面宽度，可以降低机械密封端面产生的摩擦热。密封面的宽度一般按0.022×轴径（轴套）+2.5mm计算后圆整。端面比压一般按表2选取。
表2 泵用机械密封推荐的端面比压值
密封型式 内装 外装
一般介质 0.3～0.6 MPa 低粘度介质 0.2～0.4 MPa 0.15～0.4 MPa 高粘度介质 0.4～0.7 MPa 5 结束语
温度只是影响机械密封液膜稳定性众多因素中的一个，还受密封结构、密封缝隙形状、速度和密封面粗糙度等因素的影响，这需要广大的密封工作者不
破坏机械密封端面液膜的因素
