CN105673579B - 具有多套机械密封的耐高压冲洗系统 - Google Patents

Abstract

一种具有多套机械密封的耐高压冲洗系统，由泵壳、叶轮和泵轴构成的离心泵，泵轴一端通过高压端机械密封伸出泵壳，并通过联轴器连接电机，泵轴连接联轴器的这端通过设置在轴承座上的轴承定位，泵轴的外部套有轴套，轴套通过轴套密封圈与泵轴固定连接，轴套在位于泵壳和轴承之间的外部通过由第一至第N个密封压盖首尾密封相连形成有第一至第N个缓冲液腔体，每一个密封压盖高压侧都设置一组与轴套密封连接的机械密封，每一个密封压盖的进液口通过一个进液管路连接一个内部装有缓冲液的蓄压器的出液口，每一个密封压盖的出液口通过一个出液管路连接蓄压器的进液口，靠近泵壳的密封压盖的底部与泵壳密封连接。本发明可以大幅度提高现在离心泵耐高压的能力。

Description

具有多套机械密封的耐高压冲洗系统

技术领域

本发明涉及一种离心泵的轴封冲洗系统。特别是涉及一种多级多套顺装机械密的串联而形成逐级压力递减的具有多套机械密封的耐高压冲洗系统。

背景技术

在离心泵和转子泵轴封系统的API682标准附录D中标准密封52、53冲洗方案系统内部循环流体的压力各有不同，如图1和图2所示是52冲洗方案的现有技术，两套面向背配置机械密封之间的液体是不带压力且可以循环流动的缓冲液。其中，

图1和图2是现有技术2CW-CW带有缓冲液的集装双接触式湿密封，是不带压力(与大气相通)且可以循环流动的缓冲液冲洗系统原理简图(图1)和内部结构细节示意图(图2)，它的作用主要是对介质端机械密封摩擦副进行冷却。2004版的API682标准里第115页‘A.4对密封选择程序表7-表9的说明’中第117页‘A.4.11方案52’内容：

方案52或布置2不加压双封系统用于不允许出现向大气侧泄漏的工况。方案52系统由双密封注入其中缓冲流体组成。在密封储罐内装有缓冲流体，密封罐的出口与排气装置相通，从而保持缓冲流体的压力接近大气压力。内侧密封泄漏的结果是介质泄漏到缓冲液中。实际上总会有一定的泄漏发生。

方案52在蒸汽压高于缓冲流体压力的非聚合洁净介质中使用时效果最好。这类介质在密封罐中会发生闪蒸，蒸汽逸出到排气装置。如果介质的蒸汽压力低于缓冲流体或密封储罐压力，泄漏出来的流体将保持液态并会污染缓冲流体。

如果内侧密封泄漏不能及时发现，则大量工艺流体将取代缓冲流体，使两个密封之间完全充满介质。在这种情况下，外侧密封泄漏会导致介质逸出大气。

方案52不宜用于脏的或易聚合介质。在这种情况下应考虑选用方案53。

图3和图4是53冲洗方案的3CW-FB配置，两套机械密封之间带有高于泵腔物料的压力并且可以循环流动的阻隔液的面向背集装双接触式湿密封冲洗系统原理简图(图3)和内部结构细节示意图(图4)，该系统有两个作用，一个作用是对介质端机械密封摩擦副进行冷却，另一个作用是一旦介质端机械密封泄漏，泄漏的方向一定是阻隔液泄漏到泵腔的物料里，绝不会是物料泄漏到阻隔液里继而泄漏到大气端机械密封之外的大气里去污染环境。2004版的API682标准里第115页‘A.4对密封选择程序表7-表9的说明’中第117页‘A.4.12方案53a、53b、53c’内容：

方案53或布置3加压双封系统用于不允许向大气侧泄漏的工况。方案53a系统由双封及注入其中的阻塞流体组成。阻塞流体在密封储罐内，该储罐的压力高于泵密封腔的压力约1.5巴(23psi)。内侧密封泄漏的结果是阻塞流体漏入介质中，在实际应用中，总会发生一定的泄漏。如果密封腔压力变化明显或大于500psig，利用差压调节器使外密封压力大于泵密封腔压力20-25psi，可减小外密封应力。

方案53b也是加压双封，它与方案53a不同的是利用气胆式蓄压器产生的压力来维持密封的循环。

方案53c也是加压双封，它是采用活塞式蓄压器使压力维持的密封腔压力之上。

与方案52相比，方案53更多的是用在脏的、具有磨蚀性或易聚合介质中。在这样的环境中，若选用方案52，可能会损害密封端面或给缓冲流体系统带来问题。方案53的两个缺点必须考虑：第一，实际使用时总会有一定的阻塞流体漏入介质中。通常，这种泄漏是微小的，其泄漏量可通过观察密封罐液位来监测。因此介质必须能容许阻塞流体对其产生少量的污染。第二，方案53系统依赖于密封罐的合适压力。如果密封罐压力下降，系统将开始出现类似于方案52或不加压双封的工作状况，无法实现完全密封。特别是随着时间的推移，内侧密封的泄漏方向将发生反向，阻塞流体被工艺流体污染，继而发生问题，包括可能出现的密封失效。

无论是选择单端面或是双端面机械密封，也无论是采用API682标准中的任何冲洗方案，离心泵的总压力都是由一套机械密封单独完成。无非有下面三种情况：

1、单端面机械密封：高压物料端与低压大气端只有唯一的一套机械密封来阻隔(API682中的布置1)，所以只有这套机械密封来承担整个离心泵的总压力差。

2、采用API682标准里52冲洗方案：由于两套机械密封(如图2，介质端机械密封和大气端机械密封)之间缓冲流体是无压的(与大气相通)，所以只有单套的介质端机械密封来承担整个离心泵的总压力差(API682中的布置2)。

3、采用API682标准里53冲洗方案：由于两套机械密封(如图4，介质端机械密封和大气端机械密封)之间阻隔流体的压力高于高压端泵腔物料的压力(API682中的布置3)，所以介质端机械密封所承受的是阻隔流体与高压端泵腔物料之间的压力差；由于阻隔流体的压力高于泵腔物料的压力，而且高压的阻隔流体与低压的大气之间仅仅有一套大气端机械密封来阻隔，所以这一套机械密封承担着比整个离心泵的总压力更大的压力差。

上述的这些问题始终制约着离心泵承受不住高压，因为在现有技术中机械密封是离心泵里所有部件最薄弱的环节，如果不改进机械密封的承压能力，泵壳做得再厚，其它零件的强度做得再高也是无济于事，一旦离心泵里的物料压力超过了单套机械密封的承压能力，该离心泵马上就泄漏，离心泵要是泄漏了就无法正常工作，甚至于造成停产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够大大提高离心泵承受压力的能力的具有多套机械密封的耐高压冲洗系统。

本发明所采用的技术方案是：一种具有多套机械密封的耐高压冲洗系统，包括有由泵壳、设置在泵壳内的叶轮和一端连接所述叶轮的泵轴构成的离心泵，所述泵轴的另一端通过设置在所述泵壳出轴孔上的高压端机械密封伸出泵壳，端头通过联轴器连接用于驱动叶轮旋转的电机，所述泵轴连接联轴器的这端通过设置在轴承座上的轴承定位，并且所述泵轴的外部套有轴套，所述轴套通过轴套密封圈与所述的泵轴固定连接，所述的轴套在位于所述泵壳和轴承之间的外部通过由第一至第N个密封压盖首尾密封相连形成有第一至第N个缓冲液腔体，每一个密封压盖高压侧的轴孔处都设置有一组与所述的轴套密封连接的机械密封，每一个密封压盖的进液口通过一个进液管路对应连接一个内部装有缓冲液的蓄压器的出液口，每一个密封压盖的出液口通过一个出液管路对应连接所述蓄压器的进液口，靠近泵壳的这个密封压盖的底部与所述泵壳密封连接。

所述N个缓冲液腔体中的压力由邻近轴承的压力最低的第N缓冲液腔体到临近泵壳的压力最高的第1缓冲液腔体为依次增加。

所述N个缓冲液腔体中每相邻两个缓冲液腔体之间的压差为：

P_邻＝P_物÷N

P_邻：相邻两个蓄压器之间的压力差，也是每一套机械密封所承受的压力差。

所述的每一个密封压盖高压侧的机械密封中的静环与动环构成一对摩擦副，其中，所述的静环与所对应的密封压盖固定连接，所述的动环与所述的轴套固定连接。

所述泵壳内的介质压力小于与泵壳相邻的第一缓冲液腔体内缓冲液的压力。

所述泵壳内的介质压力大于与泵壳相邻的第一缓冲液腔体内缓冲液的压力。

所述N为大于2的整数。

本发明的具有多套机械密封的耐高压冲洗系统，可以大幅度提高现在离心泵耐高压的能力。具有如下效果：

1、有效降低机械密封摩擦副的PV值(P是密封腔压力，V是机械密封动、静环之间的相对线速度，PV值是两者的乘积，其值越高使用寿命就越低，是衡量机械密封使用寿命的重要指标)。

2、API682中52和53冲洗方案中的蓄压器等元件都是国际标准的基本配置，所以不用改变任何现有技术装备，仅仅按照本发明调整蓄压器的压力就能让现有离心泵的耐压承载力提高一倍。

3、从理论上讲，只要泵轴足够长，也就是说有足够的空间能够布置足够多数量的机械密封，那么，无论物料的压力有多高，我们只要增加机械密封的数量就可以满足化工工艺高压物料的要求。

4、可以把轴承箱作为某一密封腔(如图5)，不但使得轴承箱一腔两用，而且还能有效地缩短支撑点与受力点的距离。

5、所采用的蓄压器是标准件，所以便于实现。

6、结构简单，占用空间小，便于操作，生产成本低。

7、有了本发明，从此轴封的冲洗系统就多了一个以前从没有过的降低压力差的功能。

8、有了本发明就有了设计、制造高压离心泵的手段，同时也有了人为通过降低PV值来提高机械密封使用寿命的有效手段。

9、应用本发明可以在提高离心泵的耐高压能力和延长机械密封使用寿命的同时只要在高压物料的介质端进行变化能够达到API682标准里的布置2和布置3的目的。

10、只要在高压物料的介质端进行变化就能做到API682标准里的每一种定位。

附图说明

图1是现有技术52标准冲洗方案结构示意图；

图2是现有技术52标准冲洗方案的内部结构

图3是现有技术53标准冲洗方案结构示意图；

图4是现有技术53标准冲洗方案的内部结构示意图；

图5是本发明的耐高压冲洗方案结构示意图；

图6：是本发明的耐高压冲洗方案的内部结构示意图。

图中

A：高压物料端处的压力位置 B：大气低压端处的压力位置

1：泵轴 2：轴套

31～3N：第一密封压盖～第N密封压盖 4：高压端机械密封

5：机械密封 6：叶轮

7：泵壳 8：轴承座

9：联轴器 10：电机

11：轴承 121～12N：第一缓冲液腔体～第N缓冲液腔体

13：出液管路 14：进液管路

15：蓄压器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的具有多套机械密封的耐高压冲洗系统做出详细说明。

如图5、图6所示，本发明的具有多套机械密封的耐高压冲洗系统，包括有由泵壳7、设置在泵壳7内的叶轮6和一端连接所述叶轮6的泵轴1构成的离心泵，所述泵轴1的另一端通过设置在所述泵壳7出轴孔上的高压端机械密封4伸出泵壳7，端头通过联轴器9连接用于驱动叶轮6旋转的电机10，所述泵轴1连接联轴器9的这端通过设置在轴承座8上的轴承11定位，并且所述泵轴1的外部套有轴套2，所述轴套2通过轴套密封圈3与所述的泵轴1固定连接，所述的轴套2在位于所述泵壳7和轴承11之间的外周通过由第一至第N个密封压盖31、32、…、3N首尾密封相连形成有第一至第N个缓冲液腔体121、122、…12N，所述N为大于2的整数。每一个密封压盖高压侧的轴孔处都设置有一组与所述的轴套2密封连接的机械密封5，每一个密封压盖的进液口通过一个进液管路14对应连接一个内部装有缓冲液的蓄压器15的出液口，每一个密封压盖的出液口通过一个出液管路13对应连接所述蓄压器15的进液口，靠近泵壳7的这个密封压盖31的底部与所述泵壳7密封连接。

所述N个缓冲液腔体121、122、…12N中的压力由邻近轴承11的压力最低的第N缓冲液腔体12N到临近泵壳7的压力最高的第1缓冲液腔体121为依次增加。所述N个缓冲液腔体121、122、…12N中每相邻两个缓冲液腔体之间的压差为：P_邻＝P_物÷N，其中

P_邻：相邻两个蓄压器之间的压力差，也是每一套机械密封所承受的压力差。

所述的每一个密封压盖高压侧的机械密封5中的静环与动环构成一对摩擦副，其中，所述的静环与所对应的密封压盖固定连接，所述的动环与所述的轴套2固定连接。

所述泵壳7内的介质压力小于与泵壳7相邻的第一缓冲液腔体121内缓冲液的压力，此时该缓冲液就变成阻隔液。或者是，所述泵壳7内的介质压力大于与泵壳7相邻的第一缓冲液腔体121内缓冲液的压力。

本发明的具有多套机械密封的耐高压冲洗系统，能够使位于泵壳内和邻近轴承的两套面向背配置机械密封之间的流体即不同于API682标准里冲洗52方案的无压力，也不同于API682标准里冲洗53方案带有大于物料的压力。而是在两套面向背配置机械密封之间串接有多套面向背配置的机械密封，形成多个封闭腔，把多套面向背配置机械密封之间的压力调节成介于两者之间的平均值，如果安装的是双端面机械密封，就使得机械密封的两个摩擦副各自承担总压力的一半压力，让机械密封的两个摩擦副各自分担总的压力差，达到降低机械密封负载的目的。

本发明的具有多套机械密封的耐高压冲洗系统，每个缓冲液腔体121～N都配置一个蓄压器15，让沿着高压物料端向着低压大气端的方向，每个独立的缓冲液腔体内121～N的缓冲液流体的压力依次递减，使得每套机械密封5都能承担它们各自的压力降。就可以将离心泵总的压力降分解成若干局部的压力降，也就是说这些局部的压力降之和就是该离心泵的总压力降。

只要泵轴足够长，也就是说有足够的空间能够布置足够多数量的机械密封，那么，无论物料的压力有多高，只要增加机械密封的数量就可以满足化工工艺高压物料的要求。

于是就有：N(机械密封的数量)≥P(物料压力Mpa)/10(每套机械密封应该承受的极限压力Mpa)。

通过上式就可以计算出应该安装机械密封的数量，从而可以预留出必要的安装空间。

为了保证机械密封的使用寿命不要让每套机械密封实际都承载极限压力，所以设计时应该考虑必要的保险系数。

如何根据物料压力配置机械密封的数量，由本发明就可以得出下面的公式：

P_物＝(P_出+P_入)÷2

P_出：离心泵的出口压力(Mpa)。

P_入：离心泵的入口压力(Mpa)。

P_物：离心泵所输送物料的密封腔压力(Mpa)。

如果离心泵的入口压力大于3Mpa，密封腔的物料压力就可以用上式估算，不然就需要安装一块压力表对机械密封腔的压力值进行实际测量，这种方法更为可靠。

应该配置机械密封的数量是：

N＝P_物(Mpa)÷10(Mpa)×k(套)

K：保险系数，取值范围:0.5＜k＜1，一般取0.7

N：应该配置机械密封的数量，取大于计算值的正整数。例如：计算值无论是2.1或者是2.9都取3。

用下面的公式可以计算出应该配置蓄压器的数量：

m＝N－1

m：蓄压器应该配置的数量，也是缓冲液循环系统的数量和机械密封压盖的数量。

用下面的公式可以计算出每个蓄压器应该设定的压力：

P_xi＝P_邻×i＝(P_物÷N)×i

其中：P_邻＝P_物÷N

P_邻：相邻两个蓄压器之间的压力差；也是每一套机械密封所承受的压力差(Mpa)。

i：任意一个蓄压器、任意一套机械密封、任意一个密封压盖、任意一个缓冲液流向的序号。

P_xi：序号为i的那个蓄压器应该设定的压力(Mpa)。

如果是两套机械密封(即一套双端面机械密封)，只有一个蓄压器，按照本发明技术，这个蓄压器应该设定的压力(忽略大气压力)：

P_X2＝P_物(Mpa)÷2

P_X2：蓄压器应该设定的压力(Mpa)；也是这两套机械密封各自所承受的压力差(Mpa)。

应用本发明且机械密封的数量大于三套时，就可以把最靠近物料一侧的蓄压器的压力调整到大于密封腔物料的压力，该蓄压器里面的流体就变为阻隔液，其泄漏方向只能是往物料里面漏，就可以完成API682标准里布置3的目的。其它蓄压器的压力仍然按照本发明方法进行设定，就可以把压力差逐级降低，从而就能减少每级机械密封的压力负载，即能有效延长机械密封的使用寿命，也能完成API682标准里布置3的任务。

如果把每一套机械密封所承载的压力降设为常数，那么增加机械密封级数(增加机械密封和蓄压器的数量)，就能提高离心泵的耐高压能力。

如果把物料与大气之间的压力差设为常数，那么增加机械密封级数(增加机械密封和蓄压器的数量)，就能人为通过降低机械密封摩擦副的PV值来有效延长机械密封的使用寿命。

Claims (6)

1.一种具有多套机械密封的耐高压冲洗系统，包括有由泵壳（7）、设置在泵壳（7）内的叶轮（6）和一端连接所述叶轮（6）的泵轴（1）构成的离心泵，所述泵轴（1）的另一端通过设置在所述泵壳（7）出轴孔上的高压端机械密封（4）伸出泵壳（7），端头通过联轴器（9）连接用于驱动叶轮（6）旋转的电机（10），所述泵轴（1）连接联轴器（9）的这端通过设置在轴承座（8）上的轴承（11）定位，并且所述泵轴（1）的外部套有轴套（2），所述轴套（2）通过轴套密封圈（3）与所述的泵轴（1）固定连接，其特征在于，所述的轴套（2）在位于所述泵壳（7）和轴承（11）之间的外部通过由第一至第N个密封压盖（31、32、…、3N）首尾密封相连形成有第一至第N个缓冲液腔体（121、122、…12N），每一个密封压盖高压侧的轴孔处都设置有一组与所述的轴套（2）密封连接的机械密封（5），每一个密封压盖的进液口通过一个进液管路（14）对应连接一个内部装有缓冲液的蓄压器（15）的出液口，每一个密封压盖的出液口通过一个出液管路（13）对应连接所述蓄压器（15）的进液口，靠近泵壳（7）的这个密封压盖（31）的底部与所述泵壳（7）密封连接，所述N个缓冲液腔体（121、122、…12N）中的压力由邻近轴承（11）的压力最低的第N缓冲液腔体（12N）到临近泵壳（7）的压力最高的第1缓冲液腔体（121）为依次增加。

2.根据权利要求1所述的具有多套机械密封的耐高压冲洗系统，其特征在于，所述N个缓冲液腔体（121、122、…12N）中每相邻两个缓冲液腔体之间的压差为：

P_邻＝P_物÷N

P_邻：相邻两个蓄压器之间的压力差，也是每一套机械密封所承受的压力差。

3.根据权利要求1所述的具有多套机械密封的耐高压冲洗系统，其特征在于，所述的每一个密封压盖高压侧的机械密封（5）中的静环与动环构成一对摩擦副，其中，所述的静环与所对应的密封压盖固定连接，所述的动环与所述的轴套（2）固定连接。

4.根据权利要求1所述的具有多套机械密封的耐高压冲洗系统，其特征在于，所述泵壳（7）内的介质压力小于与泵壳（7）相邻的第一缓冲液腔体（121）内缓冲液的压力。

5.根据权利要求1所述的具有多套机械密封的耐高压冲洗系统，其特征在于，所述泵壳（7）内的介质压力大于与泵壳（7）相邻的第一缓冲液腔体（121）内缓冲液的压力。

6.根据权利要求1所述的具有多套机械密封的耐高压冲洗系统，其特征在于，所述N为大于2的整数。