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柱塞泵填料密封結構與原理

2025-07-31

傳統填料函的密封結構由填料裝于填料函內,通過填料壓蓋將填料壓在軸的表面。【旋轉運動】由于軸表面總有些粗糙,其與填料只能是部分貼合,而部分未接觸,形成無數迷宮。當帶壓介質通過軸表面時,介質被多次節流,憑借這“迷官效應”而達到密封。填料與軸表面的貼合、摩擦,類似滑動軸承,故應有足夠的液體進行潤滑,以保證密封有一定的壽命,即所謂的“軸承效應”。由此可見,對于旋轉運動的密封,良好的填料密封,即是迷宮效應和軸承效應的綜合。 

【往復運動】當軸作往復運動時,填料受到周期性的脈沖壓力,顯然受力狀況與回轉軸不同,當軸運動方向與壓蓋壓緊力方向一致,內端填料壓緊力增加,填料受壓縮,外端填料壓緊力減小,即填料膨脹。該填料吸收介質,并充滿其空隙。填料在軸向壓緊力分布變得均勻。當軸運動方向與壓蓋壓緊力方向相反時,內端填料壓緊力減小(膨脹),外端填料壓緊力增加(壓縮),填料內已吸入的介質被擠壓而泄漏。由受力分析可知,對于往復運動的密封,要求填料組織致密或進行預壓縮,以提高密封性能。 

對于介質泄漏要求較高的工況,通常選擇【雙填料函結構】,其由兩個填料函組成的結構,兩箱體之間可以引入封液沖洗液,進行液封、冷卻、潤滑,也可搜集泄漏液, 對于易燃、易爆、有毒、高壓氣體、液體適用,在雙填料函結構中,可通過主、副填料之間的泄漏量來判斷主填料是否需要壓緊。

下面以高壓柱塞泵的填料函設計為例來說明填料函的結構設計。高壓往復柱塞泵是沸騰床加氫裝置的關鍵設備之一,其壓力高,介質腐蝕性強,還帶有結焦物,要解決密封問題除了采用新型的編織填料之外,在高壓柱塞泵填料函結構設計上還應注意下面幾點:

(1)采取降低壓力結構。由于高壓往復柱塞泵壓力高,壓力循環變化及沖擊較大,給填料密封帶來很多問題。為降低介質壓力以減輕對填料的負荷,可在填料前端設置一強度較高的節流環即導向環(導向環的材質對密封性能有十分重要的影響,浸漬樹脂碳一石墨是導向環較為理想的材料)以節流降壓,控制泄漏量,減少介質壓力對填料的沖擊,保護填料。壓力降與環軸之間的間隙立方成反比,泄漏量與環軸之間的間隙立方成正比,即間隙越小,壓降越大,泄漏量越低。因此節流環與軸之間的間隙應盡可能地小,一般取(1.4‰~1.7‰)d,也可在環內孔開迷宮槽。

(2)減輕柱塞重量。由于柱塞是個單支點的懸臂梁,軸的一部分重量由填料來承受,因此填料下部磨損嚴重而使軸偏心,從而大大增加泄漏量。一般在填料的前后端均設置主、副導向環,以承受軸的重量,而對于大直徑的柱塞最有效的辦法采用空心柱塞,即把柱塞前端鉆空用絲扣堵頭封定,然后用超低碳型焊條封焊,或用高壓管焊接。據報道,采用空心柱塞后,填料密封的使用壽命將提高1倍。

注1:SH/T 3141-2017《石油化工往復泵工程技術規范》第5.7.2.3條規定:除非得到買方同意,不應采用空心的活塞或柱塞。

注2:GB/T 34391-2017《石油、石化和天然氣工業用往復泵》第6.7.2.4條規定:空心活塞或柱塞的全部內腔應保持常開。

(3)設置隔環。隔環除可阻止介質從填料中滲漏外,并可使壓蓋的壓緊力均勻地傳遞給各填料。使用中,由于壓緊力的作用,使隔環內徑變小,當與柱塞直徑直接近時,即可獲得密封效果。在高壓往復泵中采取隔環的效果更為明顯。其材質有尼龍、聚四氟乙烯。 

來源:加氫設備工程師