摘要：雙端面機械密封是一種應用較為廣泛的密封形式，主要應用在工業生產中輸送易燃、易爆、有毒、有害等介質的設備上。以實際使用時出現的典型故障為例進行分析，闡述了在解決實際問題的過程中，密封輔助系統沖洗方案的選擇與隔離液壓力及循環效果等因素對密封壽命和安全性的影響。對密封端面進行了受力分析，并根據API682 標準對密封輔助系統布置方案Plan23+52 的應用參數進行了分析和優化。結果表明：除了密封本身設計缺陷以外，引起密封失效的主要原因多為忽視密封輔助系統的重要性，導致其無法為密封提供不間斷的冷卻潤滑流體，無法保證密封在良好的環境下運行。而經過優化后的密封輔助系統能保證雙斷面機械密封長時間連續平穩地運行。
關鍵詞：雙端面機械密封;密封輔助系統;沖洗方案;冷卻系統;液體潤滑
雙端面機械密封是一種機械密封的布置方式，其特點是兩套機械密封采取背對背、面對面或面對背的方式(圖1)安裝在密封腔體中，密封腔中引入阻塞流體，起到密封、潤滑和冷卻的作用，當內側密封發生泄漏時，阻塞液可防止或緩沖被密封介質泄漏到大氣。這種密封型式屬于美國國家石油協會發布的API 682《離心泵及轉子泵用軸密封系統》中規定的布置方式2 和方式3，每套密封腔內安裝兩套機械密封，且由外部提供沖洗液做為緩沖液或沖洗液。這種密封布置方式是在石化、煤化工等行業廣泛采用的一種安全性較好的機械密封方式。
1 分析
通常選擇雙端面機械密封的布置方式應出于以下考慮：①泵送介質為高危介質、有毒介質、有害介質等一旦泄漏會危害人體健康的介質;②泵送介質為高溫介質，或泵送溫度超過介質的燃點，一旦泄漏有燃燒危險或造成燙傷的介質;③泄漏會對環境產生極大影響的介質。
也就是說，為保證安全生產，危險工況多采用雙端面機械密封的密封型式。為配合這種密封型式，使其具有安全密封作用，機封生產廠家在提供機械密封的同時，也會提出密封的配套沖洗方案。在雙端面機械密封的設計和沖洗方案的選用上，通常有以下注意事項。
(1)選用帶有外部增壓設備的輔助系統，對阻塞液加壓，如API 682 推薦的Plan 53 或Plan 54;
( 2)阻塞液壓力高于被密封介質壓力0.1～0.4 MPa，過高可能導致阻塞液直接倒灌，進入被密封介質;
(3)在Plan 53 或Plan 54 方案中，總有一部分阻塞液會進入被密封流體，應選用經濟并且不會污染被密封介質的流體作為阻塞液，以免影響生產;
(4)在設計內側機封靜環時，采用一定限位裝置，如卡圈或限位環，防止靜環因背部受高壓，而被推出安裝槽;
(5)阻塞液一般靠機械密封自帶的泵效環或熱虹吸現象進行循環，輔助系統的設置應保證阻塞流體的順暢流動。
雙端面機械密封沖洗方案必須采用Plan52、Plan 53 或Plan 54 其中一種，通常，為達到更好的沖洗、冷卻和潤滑效果，還會將這兩種沖洗方案與Plan 21、Plan 23 或Plan 61 方案等配合使用。其中Plan 53 方案又分為Plan 53A、Plan 53B 及Plan 53C，再加上Plan 54，這些輔助沖洗方案各自使用的工況又有區別，有各自的使用注意事項，如Plan 53A 用于壓力不高的場合，Plan 53B 應用于溫度不高于150℃的場合，Plan 53C 應用于壓力波動的場合，Plan 23多用于高溫情況，Plan 61 用于為高溫或低溫機泵沖洗方案的輔助等等。
因此，密封供應商在供貨的過程中，不僅應提供機械密封產品，也應針對工況的不同，選擇適當的密封沖洗方案及正確的進行使用。否則，極易造成機械密封故障損壞，影響生產活動，造成不必要的損失。下面舉例說明。
2 舉例
2.1 單級懸臂式工藝冷凝泵
公司的一臺單級懸臂式工藝冷凝泵，2011年7 月投入使用以來，泵上配備的機械密封損壞頻繁，每半個月就需更換一次，嚴重影響生
產。該泵的使用工況如下。
介質：含有少量H2S、NH3 的蒸汽冷凝液
轉速：2980 r/min
流量：280 m3/h
入口壓力：0.2 MPa，出口壓力：0.6 MPa
溫度：30℃
該泵所用機械密封結構為一套雙端面機械密封。密封失效發生后，廠家將泵及機封拆開檢查，經測量計算，該機械密封的彈簧比壓符合要求，但是機封的沖洗水卻采用常壓水做沖洗。機封損壞的主要現象有：主密封靜環端面出現裂紋、主密封側靜環防轉銷磨損嚴重。
針對常壓沖洗狀態，對機械密封葉輪側靜環進行受力分析，在不考慮液膜壓力的狀況下，靜環兩側受力分析如圖2 所示，得：
式中：Fm 為靜環背部流體壓力;F 液為密封腔內封液壓力，按照現場實際情況來說，封液壓力為常壓，取0.2 MPa;F 彈為彈簧力。
通過上面的計算，可以得出：靜環背側受力大于靜環正面，在沒有卡圈等限位裝置的情況下，靜環被背側壓力推出，動密封環浮動性減小。端面比壓加大，造成端面摩擦熱迅速增大;同時沖洗水壓力低于密封腔壓力，沖洗水無法循環，不能及時帶走摩擦熱量，密封端面出現熱裂紋。同時，靜環被背側壓力推出安裝槽，防轉銷與靜環背部劇烈撞擊，造成防轉銷端部的磨損。
通過以上分析，要求現場工作人員在供水管路上增加了截止閥，即將阻塞液壓力提高到0.4 MPa;并增加防止脫出的卡圈設置。解決上述的問題，機封的使用壽命提高到四個月以上。
從機封長久使用、節約成本的角度考慮，計劃對現場對機械密封沖洗系統進行整改，增加一個帶壓儲罐作為阻塞液液源，提供穩定的帶壓沖洗;并根據Plan 53 方案的要求，在密封上增加具有促進封液循環的泵效環。
該位號機械密封采用的背靠背安裝形式，內側為外裝式，外側為內裝式，因為共用一套彈簧，兩側的機械密封的彈簧比壓相同，因此，為了保證外側內裝式端面比壓合理，會造成內側的外裝式端面比壓過小。同時一套機械密封的運行不穩定時，這種不穩定狀態會通過彈簧傳遞給另外一套機械密封，很容易造成整套機械密封失效，所以建議采用兩套彈簧，分別供每一套機械密封使用。
2.2 低溫甲醇洗裝置CO2 吸收塔給料泵
公司的低溫甲醇洗裝置CO2 吸收塔給料泵，使用工況如下。
介質：甲醇
入口壓力：0.4 MPa
揚程：138 m
流量：1416 m3/h
溫度：96℃
該泵上的機械密封為串聯式雙端面機械密封，采用Plan 23+52 的沖洗方式，主密封沖洗液由泵內介質經喉部襯套節流后小部分甲醇在泵效環作用下經外部換熱器換熱后自閉循環，主密封和次級密封之間由外部提供的緩沖液進行潤滑和冷卻。該泵自開始運轉來，機封經常出現泄漏，半年內已兩次更換機封。
每次機封出現故障時，緩沖液液位上升很快，主密封出現泄漏，在排除檢修因素后，對設備運行情況也進行了檢查，振動、進出口壓力、溫度均正常，但主密封沖洗液冷卻器進出口管線溫度均較低，故判斷主密封沖洗液循環不暢是引起機封損壞的可能原因，在工藝人員對沖洗液管線進行排氣后，沖洗液建立正常循環，在隨后的運行中，機封一直運行比較正常。
類似的問題在機封使用中具有一定的普遍性，在運行過程中往往比較重視主設備的操作，而忽視或不知道輔助系統的注意事項，最終導致主設備不能穩定運行，比如沖洗液循環不流暢，無壓雙端面機封的緩沖液帶壓等。公司氣化分廠用于對燒嘴進行冷卻的調和水泵(沖洗方案Plan 23+61，介質溫度200℃)，在剛開始運行中，機封泄漏非常頻繁，根本無法保證裝置的長周期運行，檢查分析后發現，沖洗液管線上沒有安裝排氣閥，導致機封得不到很好的冷卻從而引起失效。
按照大多數機封生產廠家的規定，在對管路引入沖洗液前，必須首先確認管路中的氣體已經排除干凈，并且在輔助系統管路中應引入相應的排氣裝置，以避免氣泡阻塞流體循環，降低冷卻、潤滑效果。
3 結束語
結合以上例子來看，為保證一套雙端面機械密封正常運行，除了機械密封本身的設計參數應滿足工況需求外，機封輔助系統參數，包括沖洗方案、沖洗介質及沖洗壓力的選擇及正確使用，能否為機封提供良好的冷卻、潤滑、沖洗，是機封穩定運行至關重要的一個因素。
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