柱塞泵填料密封結構與原理

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