泵用機(jī)械密封泄漏原因分析及其維護(hù)

殷瑞哲

山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（山東淄博　255049）

化工設(shè)備

泵用機(jī)械密封泄漏原因分析及其維護(hù)

殷瑞哲

山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（山東淄博255049）

介紹了泵用機(jī)械密封的特點(diǎn)及種類，針對(duì)在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)的機(jī)械密封失效情況進(jìn)行了分析，列舉了高溫泵機(jī)械密封選用實(shí)例，對(duì)同行業(yè)延長(zhǎng)機(jī)械密封的使用壽命，提高機(jī)械密封的密封性能，減少泄漏，提高石化裝置的經(jīng)濟(jì)效益具有一定的借鑒意義。

機(jī)械密封 分析 運(yùn)行和維護(hù)

0　前言

關(guān)于機(jī)械密封的第一個(gè)專利于1885年出現(xiàn)在英國(guó)，1900年機(jī)械密封開始應(yīng)用于軸承密封，1913年出現(xiàn)了雙端面機(jī)械密封專利，1919年出現(xiàn)了單端面機(jī)械密封專利[1]。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益增強(qiáng)，美國(guó)摩擦學(xué)家和潤(rùn)滑工程師協(xié)會(huì)（STLE）制定了部分易揮發(fā)物質(zhì)逸出定量控制規(guī)定指南，要求機(jī)械密封從零泄漏向零逸出、高可靠性、長(zhǎng)壽命、低磨損的方向發(fā)展。同時(shí)為了以延長(zhǎng)裝置檢修周期達(dá)到延長(zhǎng)操作周期的目的，國(guó)內(nèi)許多行業(yè)要求機(jī)械密封的工作壽命由1年延長(zhǎng)到2年，國(guó)外已提出將其工作壽命由2年延長(zhǎng)到3年[2]。

在石化行業(yè)中，大多數(shù)泵類設(shè)備采用機(jī)械密封，它們的正常運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)生產(chǎn)起著舉足輕重的作用。在實(shí)際生產(chǎn)中，常因設(shè)備出現(xiàn)故障而影響生產(chǎn)，有資料顯示[3]，在設(shè)備故障中，機(jī)械密封失效泄漏為主要形式，約占總故障的50%以上。這些設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與否對(duì)石化行業(yè)裝置的正常操作具有重要的影響，所以了解影響機(jī)械密封使用的因素，解決密封泄漏的問(wèn)題，是降低故障率、保證裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要步驟。

1　泵用機(jī)械密封簡(jiǎn)介

1.1機(jī)械密封的特點(diǎn)及種類

機(jī)械密封性能可靠、泄露量小、使用壽命長(zhǎng)、功耗低、無(wú)需經(jīng)常維修，且能適應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和高溫、低溫、高壓、真空、高速以及各種強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)、含固體顆粒介質(zhì)等苛刻工況的密封要求[4]。

通用離心泵機(jī)械密封種類繁多，型號(hào)各異。通常，以使用條件、配套使用的設(shè)備等為標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)械密封可分為以下幾種[5]：波紋管型機(jī)械密封，彈簧式機(jī)械密封，單端面、雙端面機(jī)械密封，平衡式、非平衡式機(jī)械密封，旋轉(zhuǎn)式、靜止式機(jī)械密封，內(nèi)流式、外流式機(jī)械密封，接觸式、非接觸式機(jī)械密封；單級(jí)、雙級(jí)（或多級(jí)）機(jī)械密封。

1.2機(jī)械密封的基本結(jié)構(gòu)

機(jī)械密封通常由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、壓緊元件和密封元件組成。其中動(dòng)環(huán)隨泵軸一起旋轉(zhuǎn)，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)緊密貼合組成密封面，以防止介質(zhì)泄漏。動(dòng)環(huán)依靠密封室中液體的壓力使其端面壓緊在靜環(huán)端面上，并在兩環(huán)端面上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)谋葔汉捅３忠粚訕O薄的液體膜，從而達(dá)到密封的目的。

機(jī)械密封的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

圖1　機(jī)械密封基本結(jié)構(gòu)

2　泵用機(jī)械密封泄漏原因分析

一般泵用機(jī)械密封在安裝后都要經(jīng)過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的試壓，以確認(rèn)其安裝是否正確，試壓過(guò)程中出現(xiàn)泄漏時(shí)，需及時(shí)進(jìn)行維修。另外，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)械密封也可能突然出現(xiàn)泄漏，此時(shí)可以根據(jù)情況進(jìn)行綜合分析，確認(rèn)導(dǎo)致泄漏的真正原因，并予以解決。機(jī)械密封泄漏的主要原因簡(jiǎn)析如下。

2.1材料與介質(zhì)不匹配

物料的溫度和腐蝕性是選擇材料時(shí)應(yīng)注意的主要因素。高溫可能會(huì)使橡膠材料變硬、金屬失去強(qiáng)度、物料腐蝕性增強(qiáng)以及材料熱膨脹；低溫會(huì)使橡膠件失彈、金屬變脆、物料黏度升高導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)扭矩增加。所用的材料應(yīng)能耐點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕且不會(huì)剝落、溶脹及起泡。一般端面最好選用石墨/碳化硅，該組合的優(yōu)勢(shì)在于摩擦因數(shù)低、產(chǎn)生的熱量低、耐腐蝕性優(yōu)良，而且可短時(shí)期干磨。但碳化硅材料較脆，安裝時(shí)需加以注意。碳化鎢也是良好的端面材料，但易熱裂且耐腐蝕性不如碳化硅,有時(shí)可用碳化鎢/碳化硅來(lái)解決有磨粒的工況[7]。

2.2溫度變化范圍廣

端面溫差較大或溫度變化速率過(guò)大時(shí)，產(chǎn)生的熱變形過(guò)大，會(huì)使密封泄漏的幾率增大。一般來(lái)說(shuō)，溫度變化范圍不應(yīng)超過(guò)10℃，降溫速率不應(yīng)大于1 ℃/min。為防止密封腔內(nèi)溫度變化速率過(guò)大，應(yīng)采取冷卻措施。例如，某廠催化裂化裝置塔頂循環(huán)回流油泵由于工藝溫度變化較大，經(jīng)常造成動(dòng)環(huán)產(chǎn)生裂紋，軸封使用壽命最短的只有12 d。后將原UK2500型機(jī)械密封改為耐溫差范圍較大的金屬波紋管機(jī)械密封，并采取了冷卻措施，新機(jī)械密封的使用壽命可超過(guò)10個(gè)月[8]。

2.3加工精度不夠

機(jī)械密封端面粗糙度和整體形狀誤差對(duì)其性能有較大影響。實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中的機(jī)械密封在絕大多數(shù)工況下處于混合摩擦狀態(tài)，其彈簧壓力和密封介質(zhì)壓力形成的總的外部載荷由密封端面間的液膜壓力和微凸體接觸共同承擔(dān)，潤(rùn)滑區(qū)存在由液膜黏性剪切引起的摩擦力，微凸體接觸區(qū)存在由微凸體變形引起的邊界摩擦力甚至干摩擦力，從而引起相應(yīng)的密封零件的磨損[9-10]。

表面粗糙度越大,端面間隙越大,泄漏就越嚴(yán)重。例如某熱油泵機(jī)械密封安裝初期密封良好，工作一段時(shí)間后，由于端面磨損使表面粗糙度增大，密封間隙隨之增大，導(dǎo)致泄漏量增大，直至失效[11]。

2.4安裝質(zhì)量有問(wèn)題

在機(jī)械密封的安裝方面，經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題是轉(zhuǎn)子竄量超標(biāo)、密封的預(yù)緊力過(guò)大或過(guò)小、螺絲釘?shù)木o力不均勻、靜環(huán)與軸線不垂直、對(duì)中不好、泵振動(dòng)超標(biāo)等[12]。

轉(zhuǎn)子竄量超標(biāo)有3種原因：一是軸承安裝有誤，如軸承壓蓋沒(méi)有把緊或軸承背帽沒(méi)有固定好；二是軸承的選型不合適；三是葉輪背帽沒(méi)有把緊。處理方法為：（1）把緊軸承壓蓋，固定好軸承背帽；（2）調(diào)整推力軸承,使軸的軸向竄動(dòng)量不大于0.125 mm；（3）重新把緊葉輪的背帽。

2.5介質(zhì)顆粒侵入摩擦面

在動(dòng)環(huán)硬度高時(shí)，顆粒侵入摩擦面只會(huì)在石墨環(huán)上或嵌入石墨環(huán)上擦出溝紋；動(dòng)環(huán)硬度低時(shí)，則顆粒侵入摩擦面會(huì)造成石墨環(huán)嚴(yán)重磨損，同時(shí)動(dòng)環(huán)自身擦傷也越來(lái)越大。此外，如果動(dòng)環(huán)或靜環(huán)端面泄漏入口端的加工倒角過(guò)大，也會(huì)導(dǎo)致較大顆粒沿著斜面進(jìn)入摩擦面，引起早期磨損。

郝木明等[13]針對(duì)內(nèi)徑開槽的螺旋槽型上游泵送機(jī)械密封易于吸入固體顆粒而產(chǎn)生磨損的缺陷，研制開發(fā)出新型上游泵送機(jī)械密封端面結(jié)構(gòu)，在密封性能、摩擦性能等方面明顯優(yōu)于普通的接觸式機(jī)械密封，且與內(nèi)徑開槽上游泵送機(jī)械密封相比，其防固體顆粒的能力提升明顯。

3　高溫泵用機(jī)械密封的選用

泵用機(jī)械密封的選用是否正確合理，關(guān)系到能否延長(zhǎng)設(shè)備的有效運(yùn)行時(shí)間。對(duì)煉油企業(yè)來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的高溫?zé)嵊捅冒ù呋鸦蜐{泵、回?zé)捰捅?、常壓塔底泵、初餾塔底泵、減壓塔底泵、延遲焦化的輻射進(jìn)料泵等，其特點(diǎn)為[14]：（1）使用溫度高，一般為350℃左右；（2）介質(zhì)黏度大，工作溫度下的黏度為（0.06～2）×10-4m2/s；（3）含有固體顆粒，包括催化劑（如催化油漿泵）、機(jī)械雜質(zhì)和天生的焦炭。這些特殊的使用環(huán)境容易引起泵的機(jī)械密封故障，造成泄漏，威脅生產(chǎn)安全。

高溫?zé)嵊捅脧V泛采用的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)形式有2種：一種是彈簧式機(jī)械密封，由于易出現(xiàn)高溫失彈現(xiàn)象現(xiàn)已較少使用；另一種是金屬波紋管機(jī)械密封。

（1）采用帶有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的金屬波紋管機(jī)械密封。該密封在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下可以自身清洗波紋管，減少波紋管外圍沉積和內(nèi)側(cè)結(jié)焦，并能防止因急冷造成的波紋管變形。泵類設(shè)備轉(zhuǎn)速一般為2950 r/min且機(jī)械密封線速度遠(yuǎn)小于25 m/s，因此可以選用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)[15]。

（2）采用開槽斜面擠緊軸套金屬波紋管機(jī)械密封。山東石大科技集團(tuán)有限公司針對(duì)高溫泵的特點(diǎn)采用了該類機(jī)械密封[16]，其特點(diǎn)是定位傳動(dòng)可靠,安裝拆卸方便且不傷軸，并配置有限位板,便于泵外調(diào)整密封的壓縮量。波紋管內(nèi)徑一側(cè)設(shè)45°斜角，用來(lái)分散應(yīng)力，延長(zhǎng)波紋管壽命。輔助密封采用柔性石墨替代合成橡膠,可以承受高達(dá)425℃的溫度。

（3）波紋管組件材料選用特種耐高溫合金。高溫油泵機(jī)械密封對(duì)于波紋管補(bǔ)償組件材質(zhì)有特殊的要求，但是部分生產(chǎn)企業(yè)為了降低成本，波紋管組件材料并沒(méi)有選用特種耐高溫合金，而是選用普通非耐高溫合金，造成密封在高溫情況下波紋管失彈。此外，還應(yīng)避免波紋管組件扭斷，例如，在某些減壓裝置中，往往存在系統(tǒng)負(fù)壓，密封環(huán)如果采取硬質(zhì)合金配對(duì)，端面就會(huì)因缺少潤(rùn)滑而容易造成波紋管組件扭斷[17]。

4　泵用機(jī)械密封的運(yùn)行和維護(hù)

如果機(jī)械密封選型合理，則大部分的故障是由運(yùn)行或維護(hù)不當(dāng)造成的，主要表現(xiàn)在：?jiǎn)?dòng)前排氣、灌泵不徹底，工藝壓力波動(dòng)較大，設(shè)備在非工作工況下運(yùn)行,操作失誤或密封沖洗、冷卻不當(dāng)?shù)?。針?duì)以上問(wèn)題，在日常運(yùn)行和維護(hù)中應(yīng)該注意以下幾個(gè)事項(xiàng)[18-19]：

（1）泵啟動(dòng)前排氣應(yīng)充分，保證密封腔內(nèi)充滿液體。輸送凝固介質(zhì)時(shí)，應(yīng)采用蒸汽對(duì)密封腔進(jìn)行加熱以使介質(zhì)熔化。泵啟動(dòng)后若有輕微泄漏現(xiàn)象，應(yīng)觀察一段時(shí)間，如果連續(xù)運(yùn)行4 h后，泄漏量仍不減小，則應(yīng)停泵檢查。

（2）檢查機(jī)械密封及附屬裝置和管線安裝是否齊全并符合要求，密封輔助系統(tǒng)是否投用。

（3）熱油泵停運(yùn)后不能馬上停止封油腔及端面密封的冷卻水，應(yīng)待端面密封處油溫降到80℃以下時(shí)，再關(guān)停冷卻水,以免損壞密封零件。

（4）泵的操作壓力應(yīng)平穩(wěn)，壓力波動(dòng)不大于0.1 MPa。在運(yùn)轉(zhuǎn)中,應(yīng)避免發(fā)生抽空現(xiàn)象,以免造成密封面干摩擦及密封破壞。

5　結(jié)語(yǔ)

（1）從加工精度、密封結(jié)構(gòu)、安裝、維修質(zhì)量等方面入手對(duì)泵用機(jī)械密封進(jìn)行分析與改進(jìn)，同時(shí)提高工藝人員現(xiàn)場(chǎng)操作水平，是確保機(jī)械密封穩(wěn)定、長(zhǎng)期安全運(yùn)轉(zhuǎn)的有效方法。

（2）石化高溫油泵運(yùn)行工況復(fù)雜，其輸送的介質(zhì)不僅溫度很高，有些還帶有大量雜質(zhì)，因此，其軸封部位往往是最為薄弱的環(huán)節(jié)，可靠性直接影響泵的正常運(yùn)行。采用有效的波紋管機(jī)械密封結(jié)構(gòu)、材質(zhì)可避免密封失效，從而延長(zhǎng)泵的使用壽命、降低裝置能耗、提高經(jīng)濟(jì)效益。

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The Leakage Reason Analysis and Maintenance of Pump Mechanical Seal

Yin Ruizhe

The types and characteristics of pump mechanical seals are introduced,the failures in actual application process are analyzed and examples of selection of high-temperature pump mechanical seals are listed,which provide a reference for intra-industry to improve the service life and sealing performance of mechanical seals,reduce leakage and improve the economic benefits of petrochemical plants.

Mechanical seal;Analysis;Operation and maintenance

TH 136

殷瑞哲 男 1995年生 本科在讀

2015年6月