CN1085636A - 一种改进的机械端面密封装置 - Google Patents

Abstract

一种用于密封有毒或腐蚀性流体的、双体的、背 对背的机械端面密封装置，它有一个缓冲流体中间 腔，相对惰性气体供入其中作为缓冲流体。各密封体 的配合环上的螺旋泵槽的形状和尺寸使其能将缓冲 气体通过第一密封体从中间泵入工艺流体腔，和通过 第二密封体从中间腔泵到轴箱和密封区域外的环境 中，由此可避免工艺流体逸入中间缓冲腔和逸出到大 气中。

Description

总体上讲，本发明是涉及一种机械端面密封装置，特别是涉及到用于密封有毒的或腐蚀性流体的双端面机械密封装置。

机械端面密封装置很早就被用来密封轴箱与穿过该轴箱的相对转动轴之间的空间。这类密封装置通常包括一个主环，该环一般有一个平面的径向密封面，且安装并固定在轴箱内。该主环可以通过一个二次密封装置（如O型密封圈）安装在轴箱上。另外，该密封装置还包括一个配合环，安装在轴上且随之转动。与主环相同，配合环也有一个一般为平面的径向密封表面。配合环的径向密封表面与主环布置呈相对关系，且这两个径向表面受到偏置力作用呈密封接合。这种类型的密封装置在赛迪（J·Sedy）公布的美国专利No.4，212，475号中有所介绍，并已转让给作为本发明的同一受让人。

众所周知的结构已有很多，无论是应用一个单独的密封装置，或是在特殊的应用场合将多个机械端面密封装置一起使用。对于大多数的密封用途，包括泵、压缩机、搅拌机等类似设备。当密封对环境无害的流体时，使用单独的密封装置就足够了。但是，近来日趋严格的有关污染和有毒排放的要求形成了规章，呼吁有毒流体向环境的“零排放”。这样，在密封行业领域就提出需要有能解决有毒流体排放问题的密封装置。接近或满足零排放标准的一些可能的解决方案现已有人提出了。这些方案在密封设计上分为两大类，一种是“湿式”双体密封装置，另一种是磁力驱动泵形式。

“湿式”密封装置的一个例子可在颁给赛迪（J·Sedy）的美国专利No.4，290，611号中找到，它也转让给了本发明的共同受让人。该专利介绍了“双体密封”装置并给出图示（如图1所示），该装置是利用了两个沿传动轴背靠背地布置的机械端面密封装置。这两个密封装置在其之间形成一个空腔，空腔中有润滑缓冲流体连续循环，用于对密封环进行冷却。该缓冲流体（通常是油）的压力一般比所密封的工艺流体的压力高5～20磅/吋²（psi）（＝0.34～1.36大气压）。据介绍，这种密封装置最理想的是密封腐蚀性流体，因为采用了无腐蚀性的缓冲流体，而使密封装置的金属零件与工艺流体隔离了。

4，290，611号专利所述的密封装置在某些特定场合中使用效果良好，但它不能用在所密封的工艺流体是气体或虽是液体但不允许有被缓冲流体所污染的场合。一般来说，油是常用的缓冲流体，但许多工艺流体能与油起反应，或工艺流体内不希望遭到油的污染。

最近，磁力驱动泵已经被开发出来，它具有“零排放”的能力，但非常昂贵。对于这种类型的应用，轴只终止在轴箱壁处而不穿透轴箱，这样就取消了需使轴从中穿出的开口。泵送流体的叶轮封闭在轴箱的腔内，且与第一组磁体相连接。叶轮由布置在腔外的第二组磁体驱动。布置在外面的磁体在一台外部电机的作用下旋转，进而使封闭在轴箱腔内的与叶轮相连的磁体面旋转。由于轴箱是完全封闭的，且没有轴孔，所以在正常操作条件下不会发生流体透过轴箱而泄漏的情况。

同传统的机械端面密封装置相比，磁力驱动泵比较复杂和昂贵。传动叶轮的磁体需要有特殊的结构和特殊的轴承，以使磁体和联结叶轮的叶轮轴保持呈一条直线。另外，磁力驱动泵需要有冷却液流带走由于磁换和摩擦所产生的废热。

工业所需要的是一种价格低廉、结构简单、且具有“零排放”能力、和为满足日益规范化的环境对有毒流体排放的条例规定的密封装置，以供一般情况下使用。

相应地，本发明提供一种用于对在轴箱内处于压力下的工艺流体沿伸出该轴箱壁的旋转轴的泄漏进行密封的装置。该密封装置一般包括：一个第一旋转的机械端面密封体，其包括一个对与轴箱的联结处进行密封的固定密封环和一个对与轴的联结处进行密封的转动密封环，各密封环均有一个环形的、一般为径向的密封面，同另一个密封环的相应面呈相对转动、相互配合的密封关系;一个第二旋转的机械端面密封体，其包括一个对与轴箱联结处进行密封的固定密封环和一个对与轴联结处进行密封的转动密封环，各密封环均有一个环形的、一般为径向的密封面，同另一个密封环的相应面呈相对转动、相互配合的密封关系;第一和第二旋转的机械端面密封体沿着轴在轴向上相距一段距离，且与轴箱一起在其间构成一个中间腔，各密封体均有使其一个密封环而另一个施压偏置的装置，以保持各密封环的环形密封面呈相对转动的密封关系;第一端面密封体的相对转动的密封环有一个密封面的环形圆周暴露于轴箱内所密封的工艺流体中，而密封面的另一个环形圆周暴露于中间腔，第二端面密封体的相对转动的密封环有一个密封面的环形圆周暴露于中间腔，而密封面的另一个环形圆周暴露在轴箱外的外界环境中，中间腔与盛有带压工艺流体的轴箱内部的联通只有通过第一旋转机械端面密封体的相对旋转、相互配合的密封面，中间腔与轴箱外的外界环境的联通只有通过第二旋转机械端面密封体的相对旋转、相互配合的密封面，中间腔包括有连接相对惰性气体源的装置，该惰性气体的压力要超过第一旋转机械端面密封环的环形密封面圆周处工艺流体的压力。

在本发明的一个实施例中，第一旋转的机械端面密封体的一个密封环的径向面上包括有一组螺旋槽，螺旋槽从暴露于中间腔内相对惰性气体中的圆周处（它可以是密封环的外圆周直径）开始，向着暴露在轴箱内工艺流体中的圆周（它可以是内圆周直径）部分地延伸，并且在该面上形成一个环形坝。靠近暴露在轴箱内工艺流体中的圆周，或者是外圆周。两个密封体的主环的最佳形式是随轴一起转动。缓冲气体最好是氮气。

图1是采用本发明优选实施例的轴箱和轴的纵截面图;

图2是本发明优选实施例的一个密封环的端面视图;和

图3是本发明优选实施例的另一个密封环的端面视图。

图1示出了一个总体上以10表示的、结构上与本发明的优选实施例相一致的密封装置。该密封装置的设计是要密封轴箱12内的有毒流体，以便确实实现所密封的有毒工艺流体的“零排放”，绝对没有工艺流体逸出到轴箱外的外界环境中。轴箱包括有一个轴孔14，能使轴16穿过轴箱12。轴箱12可包括一个填料函，例如过去曾充填填料用的，填料被紧压靠在轴上以减少通过轴箱和轴之间界面的泄漏至最低程度。此外，轴箱12还将含有工艺流体的内腔18与通常由大气构成的轴箱外的外界环境20隔开。

本优选实施例的密封装置布置在靠近轴箱12且大体上位于轴箱12所构成的填料函内。密封装置包括双体的、背朝背的、轴向间隔旋转的、螺旋槽式的机械端面密封体，每个密封体均有相向的环状部件，用来分别固定在轴箱12和轴16上。该密封装置在许多方面上均与上述美国专利4，212，475号的类型相似。

密封装置一般包括有由22表示的、靠近工艺流体腔18且为轴箱12之壁所包围的第一密封体和靠近密封装置和轴箱之外的外界环境20的第二密封体24。第一和第二密封体22和24在其间构成了一个中间腔26。环绕中间腔26的是一衬套组件28，该衬套组件28与带凸缘的轴密封盖30一起构成中间腔26的另一端。轴16包括环绕于轴的轴套组件32，其是一个基础装置，密封环安装在该基础装置上面且密封体22、24围绕其布置。

第一密封体22包括一对由一个转动密封环36和一个固定密封环40组成的圆形密封环。转动密封环36有一个径向延伸的面38，且在外圆周上有一个径向延伸的台肩37。转动密封环36与固定密封环40相对布置，固定密封环40有一个与转动密封环36的面38相对比的径向延伸的面42。固定密封环40在此也称为配合环40，转动密封环36在此也称为主环36。正如下面将要介绍的，这种关系不是实现本发明唯一可能的密封环的结构。优选实施例中所示的主环36是固定在轴16上且随之转动的。主环36相对于轴套32是密封的，但是其形状和尺寸使其相对于轴套32和轴16至少在一定程度上有轴向运动的自由度。

如图1所示，主环36相对于轴套组件32在旋转方向上是固定的，以便随之转动。但是，在其它实施例（未示出）中，主环相对于轴箱固定，而配合环随轴转动也是可能的。在该实施例中，或许需要本领域内熟练的技术人员对该装置进行适当的安排和改进，就可完成这种替代设计。

配合环40有一个与主环36的面38呈面对面关系的面42。当它们靠在一起时，面38和42形成对接，提供了密封体22的密封功能。该界面不需要与面38和42同等大小，如图1所示，主环36的面38只覆盖了配合环40的面42的一部分。

面38和42之间的界面为环形圆盘状，轴16从各环的中心孔穿过。如图2所示，配合环40上包含有许多螺旋槽44，占据了环40的面42的一部分，由外径圆周向其内径圆周延伸。槽44在图1中也以虚线示出，但为了便于表示，槽的深度被夸大了。据上述美国专利4，212，475号所描述的，槽的深度在50到大约400微吋（1.27～10.16μm）的量级范围。在本优选实施例中槽深约300微吋（7.62μm）。

请参阅图2，槽44在圆周方向上均匀相间且为许多径向延伸的棱台45所隔开。密封面42内径处未开槽的表面构成了密封坝46，当轴16不转动时，它与相对的主密封环36的面38一起提供静态密封，在轴16不转动时，工艺流体由主环和配合环之间的流体静力膜在密封坝46处所密封。当轴16开始旋转时，槽44与转动的环36的面38相互作用通常将存在于腔26内的流体沿径向向内经过密封面38、42泵入，使密封面微微张开，从而在面与面之间形成一个缝隙。被抽入缝隙的流体使密封面之间保持非接触状态，且对该面进行冷却，进而防止在密封面相对旋转所引起的切向摩擦力的作用下产生过热。

在配合环40上与面42相反的另一端（图1），有一个容纳定位销43的凹陷或膛孔41，该销43使环40相对于衬套组件28和轴箱12固定。定位销43一般是衬套组件28的一个部件，且可以加工成作为该组件之一部分的整件部件。但定位销43最好是一个单独的部件。其在制造时靠压力装配到衬套内。在配合环40和衬套组件28之间的密封是使用密封圈47。在配合环40外圆周壁上的台肩形成了一个径向伸展的环形壁39，环形壁39与衬套组件上相应的径向伸展壁紧靠在一起。

所示的密封体22在靠近中间腔26的径向靠外的直径处有槽44，而在靠近且暴露在腔18内工艺流体中的径向靠内的直径处有密封坝46。但是本发明的原理同样适用于槽在内径处、坝在外径处的情况，内径处的槽暴露给中间腔内的缓冲流体中的密封体。这另外一种实施例（未示出）可能需要一种结构不同的环，例如配合环旋转而主环固定。在理解本发明所述特点的基础上，本专业的技术人员是能够设计出其它替代结构的。

轴套组件32包括一个装在轴16上的轴套48。轴套48在其一端包含有一个较粗的部分50，而在轴套48的另一环形端则下凹形成一较细部分51。轴套48由轴环52固定在轴16上，轴环52通过螺栓固定到轴套48的细部51上，这一点下面还将继续说明。另外还可采用传动键的结构（未示出）将轴套48固定在轴16上。轴套组件32还包括一个用于对粗部50和轴16之间进行密封的密封圈56及另一个用于对主环36和粗部50之间进行密封的密封圈58。轴套48下凹的细部51适合于装配密封装置的其它部分，例如第二密封体24的部件。

O型密封圈56和58安装在粗部50上相应的槽内，且外径上的密封圈58在形状、尺寸和结构上制作成允许主环36有轴向运动。密封圈58的直径尽可能地接近密封圈47的直径。相同直径的密封圈使密封体22的密封均衡性能得到加强，因为它可使因存在于腔18内的工艺流体的压力所产生的力趋于相等。密封圈可确定缓冲流体和工艺流体压力之间界限在径向上的位置，这一点下面还将继续说明。这样密封圈47、58即可使作用在密封环36和40各自的径向延伸表面上的压力平衡。当压力较高的缓冲流体作用在密封环40径向延伸的壁39上时，同样的但方向相反的力将作用在密封环36的一个面上，该面是在密封环36上与面38相反的另一端。由于在近乎相同的半径上壁39在直径方向上的环形密度和环36的非接触径向面的宽度体现出基本相等的面积，所以缓冲流体作用在各个环上压力的大小也基本相等。尽管其方向相反。在工艺流体一侧，作用在配合环40部分和主环36部分相对两侧上的工艺流体的压力也是相等的。这样，作用在各个环上的压力相互抵消掉，因此基本上消除了作用在密封体22上的推力。

密封体24也包括一对圆形密封环。一个环由具有径向面62的固定环60构成。与固定密封环60相对的是转动环64，它也有一个与固定环60的面62相对的径向面66。第二密封体24的固定密封环60也称作配合密封环60，而转动环64也称作主密封环64。

主密封环64在结构上与主环36不同。例如主密封环上与密封端面66相反的一端有一个凹槽68，用于安装密封圈70，密封圈70对环64和轴套48的粗部50之间进行密封。在许多方面，包括密封圈70的配置，第二密封体24与上述美国专利4，212，475号所述的密封装置都是相似的。但是，在一个很重要的方面，密封体36与该专利所述密封装置的类似部件不同。在4，212，475专利中所述的主环是在一个止动护套内固定在轴箱上的。但是，在本发明的优选实施例中，主环64是旋转的，而配合环60是固定的。不同的设计思想可适用于任何场合。例如，该专利中密封装置的止动护套包括一个延长的内径壁，在其上有一个靠向密封主环的密封圈;而在本发明中，相应的密封圈70则安装在轴套48上。然而，本发明公开的内容适用于可在本专业基本技术范围内设计出的任何一种密封结构。

请再参阅图1所示，主环64外圆周壁上的台肩提供了一个径向环壁72。

密封体24的配合环60也与配合环40不同。配合环60是一个圆环，在其外圆周壁上有环形槽77供装入密封圈75之用。密封圈75用于配合环60和轴密封盖30间的密封。

请参阅图3，图中所示为环60的密封面62的正视图，密封面62也包括一组在周向上相间隔的螺旋槽74。槽的长度只是配合环密封面62径向宽度的一部分，且在图1中的配合环60上亦表示出，只是为了便于图示而将宽度夸大了。密封面62内径处未开槽的表面构成一密封坝76，同密封体22的密封坝46相类似，它与相对的主环64的密封面66一起在轴16不转动时提供了一静态密封。当轴旋转时，轴16和主环64相对配合环60旋转，且主环64的旋转面66和密封面62上螺旋槽74的相互作用，将中间腔26内的缓冲流体经过密封体24的密封界面抽出并进入外界环境20。

采用固定配合环40、60，及分别包括有螺旋槽44、74的端面42、62，是与大多数密封装置的设计相反之处。但是已经发现，无论是如前述美国专利4，212，475号中所述密封装置那样将螺旋槽布置在旋转环上，还是如本发明中使螺旋槽保持静止，在泵取流体的量和方向上均无显著差异。

可以相信，流体膜是附着在旋转环上的，尽管其表面较光滑、平整，且尽管在旋转环上没有螺旋泵吸槽。流体膜附在平滑密封表面且随其旋转的现象是环40、60的端面42、62的旋转使静止流体相对流动，产生层流作用的结果。由于流体膜遇到了配合环40、60的面42、62，所以流体膜受到槽44、76的约束被迫在各个面42、62上沿表面边界层径向向内流动。虽然有螺旋槽的环保持静止，但是在面与面之间相对旋转的过程中，层流作用足以向面与面之间泵入足够的流体，且在面与面之间形成一个缝隙。

为了抵消流体所形成的缝隙的增大趋势，需要有一个偏置力。如果缝隙变得过大，流体自密封体压力较高一侧的泄漏将过大，就需要加以控制。再请参阅图1，通过环绕圆形主环36、64的圆周均匀地布置的一组多个弹簧80，向主环36、64各自施加一个偏置力，弹簧80分别直接压在分别靠近主环36、64的各自一个端面的一对圆盘82、84上，该端面分别位于与密封面42、62相反的一端。这样，弹簧80的力将抵消螺旋槽的张开力，同时作用在环36、64各自之上的压力将相互抵消。

弹簧80由一个具有一个圆柱状外圆周92的止动护套90定位。止动护套90具有一延长的内壁94形成了一个环状空间，在它的一端容纳密封体22的配合环40，其另一端容纳密封体24的配合环60。

在内径壁94的中心部分是一个圆盘状部件96。在优选实施例中，圆盘件96与止动护套90是制成一体的。圆盘件96上包含有许多从其上延伸出的通孔94。通孔94的直径大到足以将弹簧80插入制中。这样止动护套90和圆盘件96即可使弹簧80在周向和径向定位。弹簧80沿圆盘件96的圆周均匀相间布置，在配合环40、60的整个圆周上提供均匀的偏置力，作用在配合环40、60上。在优选实施例中，共有4个弹簧，在圆盘件上按90°间隔布置。

止动护套90在圆盘件96处的内径是靠近轴套48的粗部50。多个无头螺钉（未示出）沿径向穿过圆盘件上径向布置的与轴向通孔94隔开的孔。该无头螺钉紧压在轴套的外表面上，因此止动护套90相对于轴套48在轴向和周向上固定。这样，在采用这种密封装置的设备的运转过程中，止动护套90、圆盘件96、主环36、64和弹簧80都随着轴16一起转动。

圆柱状止动护套90的内径上靠近两端之处还各有一个内槽98，用于容纳卡环100。各卡环100装在槽98之内并提供一个径向延伸的壁102。一个卡环100的壁102与主环36的壁37对接，以将该环挡在止动护套90之内。同样，另一个卡环100的壁102与主环64的径向壁72对接，以将该环挡在止动护套90之内。但是在正常的操作条件下，在组装过程中各主环均经过予加载，所以各主环相应的壁37、72与卡环壁102是分离的。

如此所述，衬套组件28安装在壁12构成的填料箱之内且包住了该密封装置的一部分，包括有密封体22和止动组件90的一部分。衬套组件28包括有一个内径环状支撑凸缘部分110，环绕其内径构成以容纳密封体22的配合环40。主环36的径向延伸壁39紧靠在凸缘部分110的相应的径向壁上。

凸缘部分110还包括有多个轴向的销钉孔112，用于容纳销钉43，以使凸缘110和配合环40之间保持固定接合。环形槽114提供了一个容纳密封圈47的密封空间，密封圈47对衬套组件28和主环36之间进行密封。

衬套组件28的外径凸缘部分120通过一延长的管状部分116与内径支撑凸缘部分110联结在一起。管状部分116的外径安装在轴箱壁12之内，但无须与之密封。衬套组件28和轴箱12之间防止流体泄漏的密封由密封圈122完成，密封圈122安装在外径凸缘部分120和管状部分116之间外径角部的槽124之内。槽124在其一个轴向延伸壁处的直径与管状部分116的外径相同，因此可以认为它是管状部分116外壁的延伸。在此位置，当外凸缘部分120的径向延伸壁126紧贴在轴箱12的壁上时，密封圈122则压靠在轴箱壁上，以使衬套组件228和轴箱12之间形成密封。密封载荷处于轴向比其处于径向更为有利，因为通过将管状部分相对于填料箱滑动，可较容易地安装衬套。

外凸缘部分120最好包括有一个与轴箱12之壁相连的联结装置，这一点下面还将继续介绍。几个螺栓130（如虚线所示）穿过在外凸缘120的径向壁上等距离布置的一组深孔128延伸（如虚线所示），将衬套组件28和带凸缘的轴密封盖30联结起来。

轴密封盖30包括有一个内径部分，该内径部分有轴向延伸的内径密封表面132，密封圈75压在其上起密封作用。槽77布置在配合环60的外圆周直径上，其深度有足够的裕量使配合环60能在压力作用下装入由表面132所形成的环形台肩中。与密封圈75一起，可有效地实现配合环60和轴密封盖30之间防止流体泄漏的密封作用。

轴密封盖30包括一个入口134和一条连接中间腔26和入口134的流体通道136。入口134本身联结于一个气体源且与其保持流体联通，该气体应对环境无害且与特殊工艺流体的使用是相容的。任何一种相对惰性气体，或与工艺流体不发生反应的气体，均可用作缓冲气体使用。氮气由于成本低和容易获取是一种优选的相对惰性气体，但是其它稀有惰性气体，如氩气、氖气或其它类似气体也可考虑适用于特定场合。在其它一些有限的几种应用场合中，如果使用空气与工艺流体是相容的，那么也可用它作为缓冲流体。

另外，在某些特定的应用场合，与工艺流体起反应的气体也是可以使用的，在此这种反应是所希望的，例如当在处理工艺流体的某些阶段需要加入这种缓冲气体之时。例如，向工艺流体中加入二氧化碳可能作为对工艺流体进行化学处理的一部分而实施。当采用这种方式时，重要的是对输入到工艺流体中的缓冲流体量进行精确测量，而且还需要计算由螺旋槽泵入工艺流体中的缓冲流体量，以便仅提供发生所希望的化学反应而所需的二氧化碳量。

在适当环境中，缓冲气体的压力是超过工艺流体预期的最高压力的。最好情况是，氮气源向入口134提供的氮气流的压力比工艺流体的最高压力高10磅/吋²（psi）（＝0.68大气压）。氮气源可以是几种可能方式中的任一种。例如，如果用于一化工厂，则氮气源可以是一条内置管线，氮气可以是不同化学处理的副产品，且这在大多数化工厂内是现成的。提供给入口的氮气压力可以在氮气源和入口之间调整到所需水平。

另外，气源可以是一个高压氮气瓶，它也需要一个调节装置将所供氮气调到预期压力。在优选实施例中，为了易于接近，入口布置在轴密封盖30的最高点上，而就操作而言，这不是必须的，而且在其它结构中，为了适应特殊的应用情况，可能需要提供具有不同位置和不同取向角度的入口。

轴环52于轴向直接布置在密封装置之外，且提供轴套32和轴16之间的联结。就为各密封体中可轴向运动的部件提供活动裕量而言，轴套32的轴向位置是很重要的。为了保证轴承在轴向上布置的位置适当，在轴套32上安装了轴环52，并用虚线所示的无头螺钉140联结起来。无头螺钉140透过轴套32且穿入轴16上预定的轴向孔140中，由此将三个部件联结在一起并使其轴向相互固定。

通过使用几个定位架144，可使轴套32相对于轴密封盖30和密封体22、24的其它部件间具有合适的间距。定位架144是有两条边的直角弯片，通过有头螺钉（未示出）其一条边与轴环52联结，另一条边与轴密封盖30联结，螺钉拧入适当布置在轴环52和轴密封盖30上的螺孔（未示出）内。

定位架144只在将密封装置装配到轴16上的过程中使用，且安装完成后立即拆除，如图中以虚线表示的。离开主体的定位架。然而，图1中所示则是联在一起的，以表示密封装置各部件间的关系。在组装完成后拆去定位架144不会改变这些部件的相对关系。

构成各种特定部件的材料都是可以在市场上买到的，且大多数都是密封行业的标准材料。在优选实施例中，主环36、64均为碳素石墨（Carbon  graphite）环，而配合环40、60为硅硬质合金或钨硬质合金材料。弹簧80是不锈弹簧钢，而衬套、轴密封盖30、轴套32、轴环52，定位架144和各种有头、无头螺钉均可由适用的钢制成，例如316号不锈钢。

有些密封圈是暴露在工艺流体中的，而这些流体大多数情况下是腐蚀性的或有毒的。这样，密封圈则必须用相对抗渗透或对于大多数腐蚀性流体耐化学腐蚀的材料制成。因此，密封圈47、56和58由耐化学腐蚀的合成橡胶制成，例如，全氟代合成橡胶。由于这些材料的费用，不可能在整个密封装置中广泛使用这种密封圈。密封圈70、75和138各自可用密封圈通常使用的弹性材料制成，例如碳氟化合物合成橡胶、氯丁二烯、乙烯、丙烯或晴。在密封装置正常操作情况下，密封圈70、75和138不暴露在腐蚀性的工艺流体中，这样对于这些密封圈则不需要使用耐化学腐蚀或抗渗透的合成橡胶材料。

组装密封装置10必须按照预定的程序进行。密封装置10最佳的结构安装是将主要的密封件在未到使用密封装置的现场就组装好的筒状组件。这样，在这种情况下在现场所需要组装的只有安装密封装置筒状组件，将轴密封盖30联结到轴箱12上和调节轴套32的轴向位置就可以。

在非使用现场的制造厂中组装筒状组件时，开始可先将圆盘84安置在止动护套90的一端，再将该圆盘推到止动护套的中心圆盘部96。然后将密封圈70装入主环64的环形台肩84，再将主环64装入止动护套90，使与密封面66相反的一面靠在圆盘84上。将卡环100装入槽98，使主环64卡在止动护套90内。

下一步是将止动护套90与主环64、圆盘84和密封圈70一起从轴套32具有细部51的一端套到轴套32上并向粗部50推进，直至圆盘84的内径、密封圈70和主环64的内径与轴套粗部50的外径接合。

然后将弹簧80从止动护套90的另一端环绕止动护套中心圆盘部装入适配孔94，使弹簧80与圆盘84接合。随后将圆盘82从止动护套90的另一端装入，直至该圆盘与弹簧80相接触。将密封圈58装入轴套32外径上的槽内，再将主环36从止动护套90的另一端插入，使与密封面38相反的背面与圆盘82相接触。在插入主环36时必须仔细，要避免使主环36内径的角部挤压到或者刮在密封圈58上。

当主环36的背面越过密封圈58后，主环36和圆盘82对弹簧80有一定程度的压缩。将第二个卡环100安装在与第一卡环相反端的槽98内，这样就将两主环36、64都卡在止动护套90之内。弹簧80将使主环36、64向外偏置，直到相应的台肩72、37与沙环100接合。

然后使轴套32的粗部50在主环36、64所限定的空间内轴向对中，且将多个无头螺钉（未示出）插入止动护套中心圆盘部96和轴套粗部50上等间距布置的径向孔（未示出）内，将止动护套90和轴套48联结起来，且使止动护套90在轴向和周向固定，以便随轴套转动。密封圈56可在任何方便的时侯装入轴套32的内槽中。

接下来是安装衬套组件28和定位销43，在制造过程中定位销已经被压入到衬套组件内径部分110的孔112内。将密封圈47装入槽114内，将配合环40插入到衬套组件内，使配合环40上与面42相反的另一个非密封面与衬套组件的内径部分110接合，且使销钉43插入到配合环40的孔41内。操作时必须仔细，要保证密封圈47不妨碍配合环40的插入。

下一个装配步骤是往围绕配合环60的外圆周槽77内安装密封圈75，且将配合环60装入轴密封盖30内，使配合环60的外圆周表面与轴密封盖30的表面132接合。密封圈138布置在轴密封盖的槽139内。

将止动护套90与所有的附属部件，包括主环36、64和轴套32一起在轴套组件28内定位，使配合环40的密封面42与主环36的密封面38接合。然后将轴密封盖30与配合环60一起装在轴套32的细部51上并向前滑动，直至密封面62和66相接合。

然后使轴套32的粗部50在主环36、64所限定的空间内轴向对中，且将多个无头螺钉（未示出）插入止动护套中心圆盘部分96和轴套粗部50上等间距布置的孔（未示出）内，将止动护套90与轴套32相联，且使止动护套90在轴向和周向上固定，以便随轴套转动。密封圈56可以在任何方便的时侯装入轴套32的内槽。

在衬套组件外径凸缘部分120和轴密封盖30之间应有明显的缝隙，这是由于弹簧80处于伸长状态，使主环36、64偏置到卡环100所限定止动位置的极限上。然后使轴密封盖30相对于外径凸缘部分120的孔定位，使其处于一条直线，以便插入螺栓148，该螺栓可将该组件联结到轴箱12上。因此轴密封盖330被轴向压入，压缩弹簧80在压缩的同时使主环36、64相互靠近。将螺栓130插入并拧紧，使衬套组件联结到轴密封盖30上，并定好主环36、64在两配合环密封面42、62之间的位置。但是，轴套32及止动护套90相对于主环36、64的位置是可轴向滑动的。

当拧紧螺栓130且将轴密封盖30联结到衬套组件28的外径凸缘部分120上之后，密封装置10即可以往轴16上安装了。首先将一组定位架144联结到轴密封盖外侧的径向壁上距中心线半径适宜之处，其方法是将有头螺钉（未示出）穿过各定位架144径向延伸的边拧入轴密封盖30的孔内。然后将轴环52装入由各定位架144的另一条轴向延伸的边所限定的空间内，且用有头螺钉将定位架144固定在轴环52上。然后即可将密封装置运至安装现场。

可以用一叶轮泵（未示出）作为安装密封装置的一个合适的例子。首先应拆下该泵的电机（未示出），它应位于图1中右侧，联结在轴16之上。其它材料，例如旧的填料，须从轴箱12所构成的填料函中取出;如果需要，应对轴、填料函和壁12表面上的碎屑和锈蚀进行清理。然后将呈筒状组件的密封装置仔细地插入，使衬套组件内径部分110的外径壁装入由轴箱12所构成的填料函内，而同时将轴套32装在轴16上。操作时必须仔细，以保证密封圈56不妨碍轴套32在轴16上的滑动。

然后将密封装置筒状组件10沿轴16推进，直至衬套组件外径凸缘120的径向壁126与轴箱12的径向壁接合，而同时压紧密封圈122以实现其间的密封作用。

将螺栓148插入穿过轴密封盖30和衬套组件外径凸缘部分120的相应的孔内，并拧入到轴箱12径向壁上的螺孔150内。螺栓148将密封装置筒状组件10的静止部分固定在轴箱12上，而同时轴套组件32、与止动护套90主环36、64一起在轴向上可自由的移动，且可随轴转动。

通过用定位架144固定轴套组件32的位置和与轴套48相联的止动护套90的位置，再次对轴套组件32进行轴向对中。用定位架144确定孔142的位置，使其相对于轴16的轴向位置合适，再稍稍转动轴16，使轴环52的孔142位于轴16上的螺孔146之上。然后将无头螺钉140插入轴环52的孔142和轴套细部51的孔143内，并拧入螺孔146，由此固定轴环52和轴套组件32相对于轴16的位置。然后拧下有头螺钉（未示出），拆除定位架144，使轴相对于轴箱可自由转动。

密封装置10的操作需要用户提供相对惰性气体源作为缓冲流体，例如氮气或某种稀有惰性气体。所提供气体的压力应超过工艺流体的最高压力至少10磅/吋²（psi）（＝0.68大气压）。缓冲气体的压力可能比工艺流体的压力高许多，在这种情况下则需要一个调节装置将压力降低到所需水平。缓冲气体连续供入入口134，然后气体通过连接通道136进入中间腔26。

在轴的旋转过程中，由止动护套90、主环36、64和轴套32组成的组件随轴16一起转动，旋转部件和相对于轴箱12固定的静止部件唯一的直接接触面是密封体22、24各自相应的密封面38、42和62、66之间的界面。即，当配合环密封面42、62保持静止时，主环的面38、66相对其转动。

向中间腔26内提供稳定的缓冲气体流，使其压力超过轴箱12内工艺流体的最高压力，以及超过轴箱外的外界环境的压力（通常为大气压），在轴的旋转过程中迫使缓冲气体进入并通过由密封面所形成的缝隙。这样，透过密封体22的密封面38、42的唯一泄漏就是缓冲气体从中间腔26向轴箱腔18的泄漏，而透过密封体24的密封面62、66的则是由中间腔26向外界环境、例如大气20的泄漏。

虽然在轴的旋转过程中避免了密封面之间的实际接触，但形成在密封面之间的缝隙也足够的小，以便保持缓冲流体通过密封体22、24的泄漏只有很小。两组密封面之间的界面保持了这样的密封能力，即一个使轴箱内的工艺流体与中间腔之间的密封，和另一个使中间腔与轴箱外的外界环境之间的密封。

在优选实施例中，配合环密封面42上的螺旋槽44也将缓冲气体从中间腔26泵出亦抽到工艺流体腔18之中。理想的情况是，螺旋槽44的泵吸作用与缓冲气体的压力协调一致，保持透过密封体22的所有泄漏都沿着预期的方向，且防止有毒的或腐蚀性的工艺流体逸出进到中间腔26内。另外，即使由于意外，一些工艺流体确实泄漏到中间腔内，缓冲气体在另一个方向上的正压也会使其返回到腔18内。

这种密封系统的结构再加上正压的缓冲气体，在大多数情况下均可以防止工艺流体泄漏到大气中。若一个密封体损坏也不会使工艺流体泄漏，因为对中间腔26内气体压力的连续监测，当压力降到预定值以下时将会给出系统需要停止运转的信号。例如，如果密封体22、24之一损坏了，则立即会在中间腔内立即出现压力下降，它将会导致系统停止运转和轴16停止转动。如果损坏的是密封体22，则由于密封面62上坝76的静态密封作用，系统停止运转不会造成工艺流体自中间腔26中逸出。与之相反，如果密封体24损坏了，由密封面42的坝46所提供的静态密封将防止工艺流体进入中间腔，因此只能有缓冲气体从中间腔逸出。

本发明的密封装置的优点包括取消了“湿”的缓冲流体，例如油，它可能会变污浊且可能会污染工艺流体。另外油类润滑剂是比较昂贵的。

相反地，本发明的优选实施例是干法运转密封，是用气体作为润滑剂。当采用螺旋槽时，密封面相互分离。在面之间产生一个缝隙，而且采用非接触密封方式使密封体的寿命延长，且减少由于接触摩擦所产生的热。透过和经过密封面少量的但稳定的缓冲气体流起到一种冷却剂的作用，可带走密封面间粘性剪应力所产生的热量。这样就不需要使缓冲流体在密封区域内进行循环，因为不存在产生摩擦热的问题。

在用于密封有毒工艺流体的情况下，采用氮气作为一种缓冲气体已得到环境条例与部门的准许。另外，由于密封体发生故障时将会立即使系统停止运转，所以依照本发明的密封装置可在未配备针对有毒流体逸出所进行的气体泄漏连续监测的情况下使用。

本发明的密封装置能够用于多种密封场合，包括大多数的泵。例如，该密封装置可用于叶轮泵，它可以立即抽空箱内密封环周围的空间，从而至少提供部分真空。对于叶轮泵，氮气“消耗”（即喷入轴箱腔内的氮气量）可以降低，因为叶轮所造成的部分真空可降低氮气的缓冲压力。然而，最好还是要使叶轮腔与中间腔之间保持大约10磅/吋²（psi）：（＝0.68大气压）的压力差。

虽然本发明的优选形式已经作了详尽的描述，但实际上在不超出下述权利要求范围的情况下还可以制造出其它的替代形式。

Claims (22)

1、一种防止轴箱内处于压力下的工艺流体沿旋转轴透过轴箱壁的泄漏的密封装置，其特征在于，上述密封装置包括：

一个第一旋转机械端面密封体，该密封体包括一个用于密封与轴箱联结处的固定密封环和一个用于密封与轴联结处的转动密封环，所述各环均有一个环形、一般为径向的密封面，与所述密封环之另一个的面呈相对转动，相互配合的密封关系；

一个第二旋转机械端面密封体，该密封体包括一个用于密封与轴箱联结处的固定密封环和一个用于密封与轴联结处的转动密封环，所述各环均有一个环形、一般为径向的密封面，与所述密封环之另一个的面呈相对转动、相互配合的密封关系；

所述第一和第二旋转机械端面密封体沿着轴在轴向上相距一段距离，且与所述轴箱一起在其间构成一个中间腔，所述各密封体均有使一个密封环向另一个偏置的装置，以保持所述各密封环的环形密封面呈所述相对转动的密封关系；

所述第一端面密封体的可相对转动的密封环，其所述密封面的一个圆周暴露在轴箱内所密封的工艺流体中，而所述密封面的另一个圆周暴露于所述中间腔中；

所述第二端面密封体的可相对转动的密封环，其所述密封面的一个圆周暴露于所述中间腔中，而所述密封面的另一个圆周暴露于所述轴箱外的外界环境中；

所述中间腔与盛有处于压力下的工艺流体的轴箱内部的联通只有通过所述第一旋转端面密封体的上述相对转动、相互配合的密封实现，所述中间腔与轴箱外的外界环境的联通只有通过所述第二旋转机械端面密封体的相对转动，相互配合的密封面实现，

所述中间腔包括有连接相对惰性气体源的装置，该惰性气体的压力要超过所述第一旋转机械端面密封环的环形密封面的圆周处所述工艺流体的压力。

2、如权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述第一旋转机械端面密封体的所述密封环之一的径向面上包含有许多螺旋槽，这些螺旋槽自暴露在所述中间腔内相对惰性气体中的所述圆周向着暴露在所述轴箱内部的工艺流体中的所述圆周部分地延伸，而在所述面上靠近暴露于所述轴箱内所述工艺流体中的所述圆周形成有一个环形坝。

3、如权利要求2所述的密封装置，其特征在于，所述第一旋转机械端面密封体的所述螺旋槽具有这样的几何形状，即当轴旋转时适合于将相对惰性气体从中间腔内透过第一旋转机械端面密封体的密封面泵入到轴箱内的工艺流体中。

4、如权利要求2所述的密封装置，其特征在于，所述第一旋转机械端面密封体的所述密封环之一的密封面上的所述螺旋槽自外径向所述密封环表面的内径延伸，且所述环形坝靠近所述密封环表面的内径。

5、如权利要求2所述的密封装置，其特征在于，所述第一旋转机械端面密封体的所述密封环之一的密封面上的所述螺旋槽是开在所述固定密封环上的。

6、如权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述第二旋转机械端面密封体的所述密封环之一的径向面上包含有许多螺旋槽，这些螺旋槽自暴露在所述中间腔内的所述圆周向着暴露在所述轴箱外的外界环境中的所述圆周部分地延伸，且在靠近暴露在所述轴箱外的外界环境中的所述圆周处形成一个环形坝。

7、如权利要求6所述的密封装置，其特征在于，所述第二旋转机械端面密封体的所述密封环之一的密封面上的所述螺旋槽自所述密封环表面的外径向内径延伸，且所述环形坝靠近所述密封环表面的内径。

8、如权利要求6所述的密封装置，其特征在于，所述第二旋转机械端面密封体的所述密封环之一的密封面上的所述螺旋槽是开在所述固定密封环上的。

9、如权利要求4所述的密封装置，其特征在于，所述第二旋转机械端面密封体的所述密封环之一的径向面上有许多螺旋槽，这些螺旋槽自暴露在所述中间腔内的所述圆周向暴露在所述轴箱外的外界环境中的所述圆周部分延伸，且在靠近暴露在所述轴箱外的外界环境中的所述圆周处形成一个环形坝。

10、如权利要求9所述的密封装置，其特征在于，所述第二旋转机械端面密封体的所述密封环之一的密封面上的所述螺旋槽自所述密封环表面的外径向内径延伸，且所述环形坝靠近所述密封环表面的内径。

11、如权利要求9所述的密封装置，其特征在于，所述第二旋转机械端面密封体的所述密封环之一的密封面上的所述螺旋端是开在所述固定密封环上的。

12、如权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述使所述第一和第二旋转机械端面密封体的一个密封环向另一个偏置的装置是由普通弹簧组成，该弹簧使各主环自所述两环的中心位置向外偏置。

13、如权利要求8所述的密封装置，其特征在于，所述第一密封体的所述密封环之一的所述密封面还在该面上靠近暴露在所述轴箱内的所述工艺流体中的圆周处构成一个环形坝。

14、如权利要求8所述的密封装置，其特征在于，所述螺旋槽布置在所述第一密封体的一个所述环面上，而自暴露在所述中间箱内相对惰性气体中的圆周开始延伸，且所述螺旋槽的几何形状和深度适于将相对惰性气体自中间腔通过第一密封体的密封面泵入到轴箱内的工艺流体之中。

15、如权利要求10所述的密封装置，其特征在于，所述第二密封体的所述密封环的径向面在靠近暴露在所述轴箱外的外界环境中的圆周处构成了一个环形坝。

16、如权利要求8所述的密封装置，其特征在于，所述密封体的所述密封环上的所述槽是开在固定密封环上的。

17、如权利要求8所述的密封装置，其特征在于，所述相对惰性气体包括至少一种下列气体：氮气、二氧化碳、空气和一种稀有惰性气体。

18、如权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述第一和第二密封件预先组装成一个筒状组件用于安装。

19、一种螺旋槽密封系统，用于密封穿过盛有处于压力下的工艺液体的轴箱的旋转轴，其特征在于，该系统包括：

轴向上相距一段距离的第一和第二旋转机械端面密封体和轴箱一起构成一个中间腔，每个所述密封体在固定于轴箱上的固定密封环和同轴一起旋转的转动密封环上具有相对布置、一般为径向延伸的密封面，在每个所述第一和第二密封体的所述密封环之一的一个密封面上有许多起泵的作用的螺旋槽，这些螺旋槽在该面上由密封环环形面的一个圆周朝另一个圆周向内部分延伸，还有使各密封体的相应密封环的一个密封面向另一个偏置的装置;

所述第一密封体布置在靠近处于所述轴箱内的所述工艺流体中，且第一密封环面的一个环形圆周暴露于工艺流体中，而所述第一密封环面的另一个圆周暴露于所述中间腔内的相对惰性气体中，在此所述中间腔内具有较高压力的所述相对惰性气体阻止了工艺流体从所述轴箱通过所述第一密封体的密封环面流入所述中间腔;

所述中间腔包括有连接相对惰性气体源的装置，气体的压力要超过所述工艺流体在所述第一旋转机械端面密封环的所述环形密封面的所述圆周处的压力，

所述第二密封体与所述中间腔和所述轴箱外的外界环境相邻，密封环环形面的第一圆周暴露在所述中间腔的相对惰性气体中，而所述密封环环形面的第二圆周暴露在轴箱外的外部环境中，在此在轴的旋转过程中，只有所述中间腔内的相对惰性气体能通过所述第二密封体的所述密封环面泄漏到外界环境中，这样就防止了工艺流体漏出该系统。

20、一种防止轴箱内处于压力下的工艺流体沿穿过轴箱壁的旋转轴而泄漏的密封方法，其特征在于，该方法包括：

提供一个第一旋转机械端面密封体，其包括一个用于密封与轴箱联结处的固定密封环和一个用于密封与轴联结处的转动密封环，所述各密封环均有一个环形的一般为径向的密封面与所述另一个密封环的相应面呈相对转动、相互配合的密封关系;

提供一个第二旋转机械端面密封体，其包括一个用于密封与轴箱联结处的固定密封环和一个用于密封与轴联结处的转动密封环，所述各密封环均有一个环形的一般为径向的密封面与所述另一个密封环的相应面呈相对转动、相互配合的密封关系，以构成一个中间腔，

通过一个与相对惰性气体源呈流体联通的通道向所述中间腔内引入相对惰性气体，处于所述中间腔内的所述相对惰性气体的压力要超过所述第一旋转机械端面密封环的所述环形密封面的所述圆周暴露于其中的工艺流体的压力，

因此使得所述相对惰性气体从所述中间腔通过所述第一旋转机械端面密封体的所述相对转动、相互配合的密封面流入所述轴箱;而且

使得所述相对惰性气体从所述中间腔通过所述第二旋转机械端面密封体的所述相对转动、相互配合的密封面流入所述轴箱外的外界环境。

21、如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述相对惰性气体源向中间腔提供的相对惰性气体至少取自下列一组气体中的一种，包括氮气、二氧化碳、空气和一种稀有惰性气体。

22、如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第一和第二密封体在安装前被预装配成一个筒状组件。

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