摘要 通过对传统填料密封结构以及反压式填料密封结构的填料压力分布的对比计算。以及实际现场应用效果分析。指出中压以上的填料密封形式压紧方式应改进的方向。
关键词 填料密封；压紧方式；使用效果；改进
中图分类号TE3文献标识码A文章编号 1674-6708（2011）43-0189-02
0 引言
目前河南油田注水系统采用的多级离心注水泵密封结构为填料密封，填料密封结构在常压注水泵进口压力≦0.5MPa时，可以满足要求。但是对于进口压力15MPa的增压型注水泵，该填料结构的密封效果和使用寿命就大大降低了，造成注水泵停泵次数过多，影响了注水效果。
1 传统填料密封结构受力图形分析与效果评价
填料对轴的压紧力由拧紧压盖螺栓产生。由于填料是弹塑性体，当受到轴向压紧后，产生摩擦力致使压紧力沿轴向逐渐减小，同时所产生的径向压紧力使填料紧贴于轴表面而阻止介质外漏。径向压紧力的分布，由外端向内端，先是急剧递减后趋平缓；介质压力的分布由内端逐渐向外端递减，当外端介质压力为零时，则泄漏量很少。大于零时，泄漏量较大。
上述分析表明，填料径向压紧力的分布与介质压力的分布恰恰相反，内端介质压力最大，应给予较大的密封力，而此时填料的径向压紧力恰是最小，故压紧力没有很好地发挥作用。实际应用中，为了获得密封性能，往往增加填料的压紧力，亦即在靠近压盖的2~3圈填料处使径向压紧力最大，当然摩擦力也增大，这就导致填料和轴产生如图 1所示的异常磨损情况。可见填料密封的受力状况很不合理。另外，整个密封面较长，摩擦面积大，发热量大，摩擦功耗也大，如散热不良，则容易加快填料和轴表面的磨损。因此，为了改善摩擦性能，使填料有足够的使用寿命，则允许介质有一定的泄漏量，保证摩擦面上的冷却与润滑。同时也说明为了增加密封性能而仅仅增加填料层数是徒劳的。
2 反压式填料密封结构使用效果分析
2.1 密封结构及原理
该结构由填料压盖：1、填料2、活动隔兰3、可动阻尼4、密封圈5、反压螺栓7、压盖螺栓9和拧紧螺母8等组成。通过拧紧反压螺母，带动隔兰轴向移动使压盖压紧填料。
1-压盖；2-填料；3-隔兰；4-可动阻尼环；5-密封圈；6-轴套；7-反压螺栓；8-螺母；9-压盖螺栓
2.2 受力分析
反压式填料密封的受力分析与传统填料密封相类似，取长度为dx的一段填料来分析，其受力如图2（b）所示。
列x方向的受力平衡方程，得：
式中σ—在x轴向任意长度上的轴向压紧力（同px）,将σ乘以侧压系数Ki；则得压紧力；q1—径向压紧力，同py。其他符号意义同前。
由式10可以看出，填料应力变化规律任然服从指数函数规律，与式5比较，不仅衰减方向相反，填料应力衰减的趋势与液膜压力降低方向一致，如图2（c）所示，改善了填料的受力状况。
2.3 效果分析
由于反压自调平衡式填料结构填料应力传递损耗是由轴对填料及填料函内壁对填料的摩擦力引起的，因而改变摩擦力F1、F2的方向（如图2（b）所示），必然导致填料应力分布的改变。理论分析和实践表明：这种加载方式使填料受力均匀，而且填料应力衰减方向与液膜压力分布一致。如图2（c）所示。轴转动时，可阻尼环能够利用工作介质压力使填料进一步压紧，提高了密封性能，并且当介质压力发生波动时，能自动调节对填料的压紧力，隔兰与轴分开的结构，使得安装更换填料更加方便，减轻了工人劳动强度，缩短了维修时间，提高了生产率。
3 结构改进与选择
为了改善传统填料密封受力不均匀的情况，在现场操作与改进上可试图做如下改进：
1）安装填料时从装入第一圈开始，依次逐个压紧，使压紧力沿轴线分布尽可能均匀，以保证轴向磨损均匀；
2）采用图2所示反压自调整式密封结构；
3）采用分段式压紧结构，两个填料箱叠加，外箱体底部兼做内箱体压盖。虽然每个填料箱中填料圈数较少，但压紧力均匀，可提高其使用效果，均匀磨损；
4）填料压盖自紧式结构，利用介质压力作用于压盖上，使得压紧力沿轴向分布更为合理。
5 结论
1）填料密封的压紧方式对密封效果影响较大，反压式压紧方式可以改善密封效果。在15MPa以上的密封结构选择中，要尽可能采用反压压紧方式；
2）为了提高密封实际效果，只增加填料层数的做法是徒劳无益的。应结合压紧方式的改进，促使压紧力沿轴向的衰减与介质压力的衰减相符，保证填料的受力均匀，磨损均匀。这样才能有效提高填料密封的实际使用寿命和密封效果。
参考文献
[1]吕瑞典.化工设备密封技术[M].石油工业出版社，2006.
[2]陈匡民.流体动密封[M].成都：成都科技大学出版社，1990.
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”