由于固液两相流中磨蚀性颗粒介质的存在,采用一般的机械密封常会构成如下5种危害:①密封端面的加剧磨损。密封面之间因颗粒泄漏进入端面,起着磨料作用,加速了密封面的磨损。②介质侧颗粒堵塞。由于颗粒的堆积,架桥,阻碍了弹簧、销和辅助密封封圈的运动,从而导致补偿环的追随性和浮动性下降。③大气侧颗粒堵塞。由于常规设计的机械密封,密封面内径和轴(或轴套)之间的间隙较小,泄漏的固体颗粒不能及时排出,易堆积、阻塞,阻碍了辅助密封圈的运动,从而导致密封失败。④磨蚀。指密封元件表面由于受到磨蚀性颗粒的作用而产生的局部咬蚀、撕裂。它通常发生在使用较软的钢材或石墨材料时,由于冲洗水或封液的冲击而造成的。在有颗粒介质的情况下,发生得更加严重;⑤传动元件的磨损。由于传动销这些元件处于颗粒介质中,运动时由于颗粒的研磨作用加剧了元件本身的磨损。
在选型时,应使机械密封产品尽量避免颗粒的作用,不致产生这5种失效,机械密封解决颗粒介质作用的问题有两大途径:一是对机械密封设置一些附加的内部结构或采取辅助措施(如螺旋密封、唇封、封液、冲洗水、水箱或油箱建立液障防止颗粒堆积等),或者外部装置(如旋流固液分离器、磁滤器等),尽量避免上述5种失效出现,维护机械密封良好的工作状态。这种途径对于比较重要的场合,重要的设备可以使用。但对于由于空间受到限制,或者由于辅助设施耗费太高,以及由于有些场合,物料不允许有封液或冲洗水进入产品的情况,就应采取选择设计出一种新型的机械密封结构,能直接用在颗粒介质中,满足生产流程对密封的要求。
为了使机械密封达到密封可靠、寿命长、结构简单、装拆方便、易调节、成本低的目的,具体办法如下:
采用弹簧和辅助密封圈相结合使用。主要优点是:具有较高的弹性,且弹簧不与介质接触,避免了易受颗粒堵塞的问题。
为了保证摩擦副在颗粒介质中具有耐磨损和耐磨蚀的目的,摩擦副材料的硬度必须高于磨粒的硬度。通常可选用硬对硬组对,材质可为碳化钨或碳化硅。与碳化钨相比,碳化硅具有更高的硬度,更好的导热率,化学稳定性较好,还有自润滑性,但成本较高。
根据A.I.GoLubiev(前苏联)等人,对在磨蚀性颗粒介质中高硬度摩擦副磨损机理的研究所得出的结论,摩擦副宽度应比一般机械密封的宽,以获得较高的使用寿命。动、静环的宽度相等,有利于防止颗粒对密封端面的磨损,同时,有足够的面积,以避免大的失配。因此,能够适应比一般机械密封端面大得多的径向和轴向跳动。
混流泵用机械密封应设计为内流式,颗粒介质在密封环外侧,离心力和惯性力的作用使颗粒、杂质向外运动,抛离密封面。
与一般机械密封不同,轴套与密封环之间的间隙应较大,当有物料泄漏时,能及时排出,避免颗粒的堆积和阻塞。密封腔的设计必须有适当的空间,使密封腔的物料能流动,不堆积沉淀,并易冷却和润滑密封。为了减少泵内介质压力对密封端面比压的影响,采用平衡型机械密封结构。
端面比压是影响密封性能和使用寿命的最重要因素之一。为了防止颗粒介质进入密封端面,泄漏量增大,端面磨损加剧,导致密封的失效,应使端面比压比一般的要大些。但端面比压过大,将造成摩擦面发热和磨损加剧,功率消耗增加。设计时,端面比压为0.3MPa左右。
采用单端面机械密封,为了避免颗粒杂质的危害,需根据不同情况分别采取冲洗、过滤、分离、隔离、保温和加热等措施。冲洗液的可靠性和质量是密封成败的关键。若从外部注入清洁冲洗液,密封的工作环境可得到改善,但必须损耗冲洗液,而且,其先决条件是所输送的液体允许被冲洗液微量稀释。