高溫油泵雙端面機(jī)械密封的研究與應(yīng)用
2018-10-12 17:37:15
密封是機(jī)械設(shè)備(組成：驅(qū)動裝置、變速裝置等)的重要組成部分。凡與流體接觸的可拆卸的設(shè)備以及機(jī)器中將兩個流體空間隔開并作相對運動(旋轉(zhuǎn)或往復(fù))的部件之間都存在密封問題(Emerson)。在煉油業(yè)中，存在大量高溫?zé)嵊皖愐兹冀橘|(zhì)(起決定作用的物質(zhì))，這類介質(zhì)包括常減壓渣油、焦化原料油、催化油漿等，具有高溫、高粘度、低自燃點、高污染性等特性。在輸送高溫重油類介質(zhì)的機(jī)泵中，離心泵應(yīng)用最廣泛。這類泵軸封一般采用機(jī)械密封，端面之間因介質(zhì)易結(jié)焦，機(jī)械密封可能在顆粒摩擦不穩(wěn)定狀態(tài)下工作，導(dǎo)致(cause)密封失效，機(jī)封發(fā)生泄漏，引起著火，不僅損失大量物料，還造成嚴(yán)重的安全問題和環(huán)境污染。隨著環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)要求的提高，對設(shè)備密封的要求也在提高。高溫?zé)嵊捅眯枰环N性能優(yōu)良的密封以滿足安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的要求。
1、高溫油泵機(jī)械密封失效原因分析
機(jī)械密封基本類型有：
(1)接觸式和非接觸式密封;
(2)內(nèi)裝式和外裝式機(jī)械密封;
(3)內(nèi)流式和外流式機(jī)械密封;
(4)非平衡式和平衡式機(jī)械密封;
(5)單端面、雙端面及多端面機(jī)械密封。密封的基本形式有：波紋管機(jī)械密封、窄環(huán)刃邊機(jī)械密封、集裝式機(jī)械密封、開淺槽機(jī)械密封等。
高溫油泵機(jī)械密封的選用一直是一大難題，如催化裂化油漿泵、常壓塔底泵、初餾塔底泵、減壓塔底泵、減壓蠟油泵、延遲焦化的輻射進(jìn)料泵等。上海凱泉如安裝過高，則不吸水；此外，由于山區(qū)比平原大氣壓力低，因此同一臺水泵在山區(qū)，特別是在高山區(qū)安裝時，其安裝高度應(yīng)降低，否則也不能吸上水來。高溫油泵的工作介質(zhì)具有以下特點：
溫度高：一般在 300~400℃;介質(zhì)粘度大：在300~400℃時，運動粘度為12~180mm2/s;介質(zhì)含顆粒：如催化劑、焦炭、砂粒等雜質(zhì);機(jī)械密封形式為波紋管機(jī)械密封。
重油溫度高(300℃以上)，密度大、粘度高、凝固點低、油品酸值較高，預(yù)熱不充分時，粘稠的介質(zhì)包裹著機(jī)械密封的動、靜環(huán)及彈性體。當(dāng)機(jī)泵開始運轉(zhuǎn)時，波紋管扭曲不平衡，動靜環(huán)脫開泄漏;高溫介質(zhì)進(jìn)入密封腔后，極易造成密封面裂紋泄漏;渣油酸值高，對機(jī)械密封的密封面和波紋管都有一定的腐蝕;高溫?zé)嵊蜆O易造成各密封點O形圈的老化失效;常壓塔底渣油和減壓塔底渣油內(nèi)有很多泥沙顆粒，進(jìn)入機(jī)械密封動密封面，造成密封面磨損高溫油泵泄漏。
由于原機(jī)械密封存在問題，造成了機(jī)封大面積的頻繁泄漏，其密封失效的原因有：
(1)波紋管（Corrugated pipe）機(jī)封失彈或斷裂引起的密封失效
波紋管（Corrugated pipe）在使用過程中，其剛度或彈性會慢慢減小，試驗和實際應(yīng)用表明，當(dāng)波紋管的失彈量超過設(shè)計初始壓縮量的18-20%時，整個波紋管機(jī)械密封會發(fā)生泄漏。凱泉泵業(yè)開動前，先將泵和進(jìn)水管灌滿水，水泵運轉(zhuǎn)后，在 葉輪高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力的作用下，葉輪流道里的水被甩向四周，壓入蝸殼，葉輪入口形成真空，水池的水在外界大氣壓力下沿吸水管被吸入補充了這個空間。繼而吸入的水又被葉輪甩出經(jīng)蝸殼而進(jìn)入出水管。使用中發(fā)現(xiàn)，金屬波紋管機(jī)封在溫度低于200℃時，失彈現(xiàn)象不明顯，但在高溫工況下(溫度超過300℃)使用，泵很快發(fā)生泄漏。還有一種情況，工作介質(zhì)結(jié)晶沉淀甚至凝固在波紋管的縫隙中，波紋管變形能力減小甚至喪失變形能力。高溫和載荷是造成波紋管失彈的主要原因。
(2)配對摩擦副中石墨環(huán)的過度磨損引起密封失效
發(fā)生泄漏后，將失效的機(jī)封拆下巡查，發(fā)現(xiàn)石墨密封環(huán)磨損嚴(yán)重，金屬波紋管機(jī)封的端面比壓受波紋管的有效直徑影響(influence)，而有效直徑隨壓力的變化而改變，當(dāng)波紋管受外壓，其有效直徑隨壓力的加大而逐漸縮小;當(dāng)波紋管受內(nèi)壓，其有效直徑隨壓力的加大而逐漸加大。由于壓力過大，導(dǎo)致摩擦副摩擦嚴(yán)重，石墨環(huán)過度磨損引起泄漏。
(3)配對摩擦副中硬質(zhì)合金環(huán)的表面熱裂引起密封失效
在生產(chǎn)使用中發(fā)現(xiàn)，密封摩擦副的硬質(zhì)合金環(huán)出現(xiàn)由硬面中心向外發(fā)散的許多粗細(xì)不一的徑向裂紋，這是熱裂導(dǎo)致(cause)的密封失效。產(chǎn)生熱裂的主要原因是過高的局部熱應(yīng)力，其中硬質(zhì)合金環(huán)與環(huán)座兩種材料的線膨脹系數(shù)存在差別，采用堆焊結(jié)構(gòu)還是整體結(jié)構(gòu)，密封冷卻沖洗系統(tǒng)(system)中沖洗液的類型、沖洗方式和流量的大小等因素，都可能引起密封端面發(fā)生熱裂。
2、雙端面機(jī)械密封的研究
單端面波紋管機(jī)械密封系統(tǒng)耐高溫、耐腐化侵蝕 、使用范圍廣，但在實際使用中存在許多問題，如密封介質(zhì)易產(chǎn)生泄漏，造成物料損失和環(huán)境污染;密封端面存在摩擦磨損（零部件失效的一種基本類型）、使用的時長短;密封件易產(chǎn)生熱變形、熱裂、熱脹失效等。隨著安全、環(huán)境保護(hù)及節(jié)能要求的提高，煉化企業(yè)對高溫油泵密封裝置使用性能的要求越來越高。為改善高溫油泵機(jī)械密封的狀況，研究了一種新型非接觸式油膜機(jī)械密封。
2.1、雙端面機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)和工作原理
液膜潤滑非接觸式機(jī)械密封與接觸式機(jī)械密封相組合的雙端面密封結(jié)構(gòu)：左側(cè)為一非接觸式波紋管機(jī)械密封，右側(cè)為一接觸式波紋管機(jī)械
密封。工作原理為：首先，通過(tōng guò)主壓蓋上的注入孔通進(jìn)潔凈的冷卻沖洗臘油，其壓力可在一定范圍內(nèi)(0.3~0.5MPa)變化;右側(cè)的接觸式機(jī)械密封在運行狀態(tài)下主要是阻止沖洗臘油向大氣外泄漏，而左側(cè)非接觸式機(jī)械密封能把少量的潔凈臘油(不超過5L/h)增壓后泵送入密封箱內(nèi)。該密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是設(shè)計的非接觸式機(jī)械密封能使低壓臘油增壓至超過重油的壓力，有效阻止重油進(jìn)入機(jī)械密封的附近區(qū)域。
正常運行狀態(tài)下， 應(yīng)通過壓蓋上的注入孔通進(jìn)潔凈的沖洗蠟油， 其注入壓力控制在0.3~0.5MPa之間。此時，盡管沖洗油的壓力小于密封重油的壓力(大于0.6MPa)，但由于非接觸式機(jī)械密封具有增壓泵送作用，使臘油經(jīng)非接觸式機(jī)械密封后壓力增加至大于密封重油的壓力，從而使少量的潔凈臘油輸送進(jìn)泵內(nèi)，能夠徹底消除重油的泄漏及對環(huán)境的污染，達(dá)到健康、安全和環(huán)保生產(chǎn)的要求。
2.2、雙端面機(jī)械密封工作參數(shù)
雙端面機(jī)械密封的參數(shù)主要有工況參數(shù)：轉(zhuǎn)速、壓力等，密封性能參數(shù)：泵入量、端面溫升、摩擦扭矩等。
(1)密封腔壓力的測量
采用外加設(shè)備(shèbèi)使密封流體循環(huán)和增壓的實驗臺，一般均直接測量密封腔的平均壓力。采用在密封腔上安裝精密壓力表測量密封腔介質(zhì)和封液的壓力，壓力表便于直接讀數(shù)。
(2)泵入量的測量
泵入量是液膜非接觸式密封的一個重要指標(biāo)，可采用流量計測量。
(3)摩擦扭矩的測量
機(jī)械密封端面摩擦扭矩的測量主要采用支反力法和傳遞法。支反力法根據(jù)動力機(jī)械在轉(zhuǎn)動扭矩的作用下所產(chǎn)生支座反力的變化來測量扭矩;
傳遞法根據(jù)彈性元件在傳遞扭矩時所產(chǎn)生的物理參數(shù)的變化來測量扭矩。凱泉泵業(yè)由此可見，若離心泵葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，則可連續(xù)吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚到高處或遠(yuǎn)方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用下，將水提向高處的。采用在電機(jī)與密封主軸之間安裝扭矩傳感器，傳感器將測得的信號傳遞給扭矩轉(zhuǎn)速儀，然后將扭矩儀的信號輸入計算機(jī)，通過計算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)(data)采集卡，用已編寫的機(jī)械密封測控軟件進(jìn)行信號采集和數(shù)據(jù)處理，可獲得轉(zhuǎn)軸扭矩。
(4)溫度的測量
機(jī)械密封端面溫度的測量主要有熱電阻法、熱電偶法和紅外測量法。熱電阻法利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的性質(zhì)進(jìn)行測量;紅外測量法是用紅外色譜儀測溫的一種方法。采用紅外測量法可測量密封端面溫度和密封腔流體溫度。
3、雙端面機(jī)械密封的優(yōu)點
雙端面機(jī)械密封具有許多優(yōu)良性能，主要表現(xiàn)在以下方面：
(1)密封效果好
利用螺旋槽可實現(xiàn)封油向介質(zhì)泵送，避免熱油向外泄漏。上海凱泉由于葉輪進(jìn)口不可能形成絕對真空，因此離心泵吸水高度不能超過10米，加上水流經(jīng)吸水管路帶來的沿程損失，實際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠(yuǎn)小于10米。而密封外側(cè)接觸式密封防止了封油泄漏問題(Emerson)。
(2)端面溫度低
雖然溫度較高，但是最高溫度約100℃，比現(xiàn)場應(yīng)用中摩擦副處于350℃的情況改變很大，如果再采用背冷方式，溫度會更低。
(3)冷卻水用量少
只有在背冷時才用冷卻水，比原來現(xiàn)場冷卻水用量大幅度降低。
(4)端面磨損（零部件失效的一種基本類型）小、壽命長
通過對連續(xù)運轉(zhuǎn)后的密封動、靜環(huán)的分析研究，非接觸式動、靜環(huán)的端面幾乎未磨損，接觸式端面磨損比原來用密封端面時大大減輕，且熱裂情況未發(fā)生，使用壽命大大增加。
4、工業(yè)應(yīng)用要求
為確保雙端面機(jī)械密封的正常運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)其優(yōu)良的密封功能，應(yīng)用中應(yīng)滿足如下要求：
(1)雙端面機(jī)械密封之間需注入沖洗冷卻蠟油，其壓力控制0.3~0.5MPa，且應(yīng)將蠟油進(jìn)行過濾。
(2)根據(jù)高溫油泵現(xiàn)場條件，選擇采用外沖洗冷卻輔助系統(tǒng)(system)，冷卻蠟油的溫度控制在150℃以下。
(3)密封運行過程(guò chéng)中應(yīng)定期對外側(cè)密封溫度進(jìn)行監(jiān)測，確保其溫度控制在200℃以下。
5、結(jié)論
高溫油泵原采用接觸式波紋管（Corrugated pipe）機(jī)械密封，易發(fā)生熱油泄漏著火，造成物料損失，還帶來嚴(yán)重的安全隱患等問題。雙端面機(jī)械密封解決了密封介質(zhì)頻繁泄漏問題，密封效果好，使用的時長長，端面溫度低，有效控制了因高溫造成的端面熱裂和環(huán)烷酸對密封件的腐化侵蝕 ，此外，輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，冷卻水用量少，經(jīng)濟(jì)(jīng jì)效益好，符合長周期安全運行的要求及環(huán)境保護(hù)要求，具有工業(yè)推廣價值。