影响泵用机械密封外部条件的研究

来源:用户上传      作者: 邢锋芝 穆凤芸 杨立峰 王志 张翠宣

　　摘要：通过对石油化工生产中泵用机械密封装置的工作原理和在实际应用中出现故障的统计分析, 发现影响泵用机械密封实际密封效果的因素不但与机械密封的设计和制造有关，更重要的是在使用和维护环节，企业维护人员的技术水平和企业的管理水平作为影响泵用机械密封的外部条件对机械密封的正常工作具有重要影响。
　　关键词：离心泵 机械密封 故障分析
　　1 概述
　　随着机械密封技术的不断发展，工业泵采用的密封装置正由传统的填料密封向性能可靠、泄漏量少、使用寿命长、功耗低、无需经常检修的机械密封转变。尤其是在石油化工领域内，因处理的介质具有易燃、易爆、易挥发、剧毒等特性，一旦出现泄漏，将严重影响生产正常进行，所以，石油化工生产用泵的密封多数采用机械密封装置。
　　经对国内、外离心泵故障的统计分析发现，机械密封故障仍占其中的50%～70%，而机械密封故障中绝大多数属于事故性故障，事故性故障是指一个或几个密封零件没达到预期的使用寿命便丧失了使用功能，造成整个装置泄漏量超过了允许值。实践证明，故障分析是技术改进和减少故障的一种行之有效的科学手段。在评定泵用机械密封优劣时，采用的主要指标为泄漏量、使用寿命和可靠性，这些指标贯穿在机械密封的设计、制造、选型、安装及使用管理等环节。由于流体机械的可靠性主要取决于密封装置，因此，提高密封装置的可靠性可大大减少离心泵的故障率。经统计分析，除了密封设计、制造的原因外，超过50%的失效都是用户使用不当或维护不及时造成的。
　　人们在进行故障分析时，通常习惯于把故障原因放在机械密封装置本身，很少有人在机械密封安装、使用等外部条件方面去查找原因。本文作者将通过分析影响石化行业泵用机械密封效果的几种外部因素，提出提高密封装置运行可靠性和运行周期的建议。
　　2 机械密封装置的工作原理
　　机械密封也称端面密封，整个装置至少有一对垂直于旋转轴线的端面，随轴旋转的动环端面在流体压力及补偿机构的外弹力(或磁力)作用下，并配以辅助密封与另一固定在端盖上的静环端面保持贴合并作旋转式相对滑动而达到阻止流体泄漏的轴封装置。两个紧密贴合的密封端面之间存在一微小间隙，当具有一定压力介质通过此间隙时，会形成一层极薄的液膜，该液膜的阻力阻止介质泄露，且使端面得到润滑。典型机械密封结构见图1。
　　机械密封装置主要由以下四大部分组成：①由静环和动环组成的一对或几对密封端面，有时称密封端面为摩擦副；②以弹性元件（或磁性元件）为主的补偿缓冲机构；③辅助密封圈；④保证动环和轴一起旋转的传动机构。
　　生产实际中，泵用机械密封装置流体可能泄漏的途径有以下几处：①端面摩擦副的密封面处泄漏。这是决定机械密封装置摩擦性能和密封性能的关键部位，也是决定机械密封装置工作寿命的关键所在，因此，对接触端面的要求应给与高度重视。由于动环与静环端面作旋转式相对滑动的动密封，对密封端面的加工要求很高，其平面度为0.0009mm，硬环表面粗糙度Ra≤0.1μm，软环表面粗糙度Ra≤0.2μm。为了使密封端面间保持必要的润滑油膜，必须严格控制端面上的单位面积压紧力。端面上单位压力过大，不易形成稳定的润滑液膜，会加速端面的磨损；端面上单位压力过小，泄漏量会增加。所以，要获得良好的密封性能和较长的寿命，在安装机械密封时，一定要保持端面单位压力值在最适当的范围内。②静环与压盖的辅助密封件处泄漏和动环与轴（或轴套）的辅助密封件处泄漏。这两处是辅助密封面，静环与压盖间的密封属静密封，端面磨损时，动环仅能沿轴向作微量的移动，此处仍可看作是一个相对静密封。工程实际中，动环的追随性是此处辅助密封的关键，因此，动环与轴（或轴套）密封面，特别应防止锈蚀、水垢或化学反应物料堆积而造成的动环卡死现象。③压盖与密封箱体之间静密封和轴套与轴的静密封。这两处均为静密封，可根据密封介质选用相容的材料。另外，动环采用镶嵌结构也可能在配合处泄漏。
　　通过机械密封装置工作原理可以看出，机械密封装置正常运行应满足以下基本条件：首先，动静环端面应保持良好的润滑和散热，防止端面热变形、热裂、泡疤、炭化等现象发生；其次，泵轴的窜量不能太大，否则摩擦副端面不能形成正常要求的比压；另外，泵轴不能有太大的挠度，泵的振动应在规定范围之内，否则密封端面比压会不均匀。只有满足以上的外部基本条件，再加上良好的机械密封装置自身性能，才能达到理想的密封效果。
　　3 离心泵运行时机械密封故障及分析
　　机械密封装置发生泄漏主要有以下四种情况：一是加水或静压试验时发生泄漏；二是安装后、运转时产生周期性泄漏；三是经常性泄漏；四是突发性泄漏。
　　对机械密封静压试验时发生泄漏故障，经统计分析，其原因是由于检修、安装未达到标准要求。主要有以下几种现象存在：①动、静环接触表面不平，安装时碰伤、损坏。②动、静环密封圈尺寸有误、损坏或未被压紧。③动、静环表面有异物。④动、静环V形密封圈方向装反，或安装时反边。⑤紧定螺钉未拧紧，弹簧座后退。⑥密封圈未装或压紧力不够，造成轴套处泄漏。⑦弹簧力不均匀，单弹簧不垂直，多弹簧长短不一或个数少；密封腔端面与轴垂直度不够。⑧静环压紧不均匀。
　　安装后、运转时产生周期性泄漏，经统计分析发现，运转中如泵叶轮轴向窜动量超过标准，转轴发生周期性振动，工艺操作不稳定及密封腔内压力经常变化均是导致机械密封周期性泄漏的原因。
　　机械密封发生泄漏现象的原因主要有以下几种：①动、静环接触端面比压过大，摩擦热引起动、静环的热变形。②安装时零件受力不匀等，造成密封端面发生变形。③弹簧比压过小。④动、静环密封面对轴线不垂直，误差过大。⑤转轴振动。⑥动、静环与轴套间形成水垢不能补偿磨损位移。⑦安装密封圈处轴套部位有沟槽或凹坑腐蚀。⑧动环浮动性差。⑨辅助装置有问题。
　　对机械密封突发性泄漏现象，经统计分析，其原因主要有以下几种：①泵强烈振动、抽空破坏了摩擦副。②弹簧断裂。③防转销脱落或传动销折断而失去作用。④辅助装置出现故障，使动、静环冷热骤变导致密封面变形或产生裂纹。⑤由于温度变化，摩擦副周围介质发生冷凝、结晶影响密封。⑥停泵一段时间再开动时发生泄漏。这是由于摩擦副附近介质的凝固、结晶，摩擦副上有水垢；弹簧锈蚀、堵塞而丧失弹性，均可引起泵重新开动时发生泄漏。
　　4 机械密封故障防治措施
　　从前面对离心泵运转时机械密封故障及统计分析，可以看出，除了密封设计、制造工艺本身的原因外，大部分失效原因都是由于用户使用不当或维护不到位造成的。以下就离心泵运行中常见的故障给出防治措施和解决方案。
　　机械密封装置是泵的一个重要部件，泵的安装及运转情况无疑要对密封产生一定的影响。一台振动很大的泵，密封寿命和泄漏量不可能正常，密封的可靠性明显下降。此外，轴串量、密封箱端面和轴的垂直度、压盖和密封箱止口间隙、泵盖和泵体的止口间隙、轴套和径向跳动等，这些部位的尺寸超标，对密封性都会产生影响。仅仅提高密封本身的安装精度是很不够的，必须全面提高泵的安装质量（包括密封）才能达到预期的密封目的。
　　4.1 满足泵安装的基本要求
　　4.1.1 转子部分。为使转子平衡和运转中不至于产生较大的振动，安装时应注意做到以下几点。
　　①轴的径向跳动最大不超过0.03～0.05mm。转子的径向跳动分别为，叶轮口环不超过0.06～0.10mm，轴套等部位不超过0.04～0.065mm（小直径对应较小值，大直径对应较大值）。见图2 轴弯曲的测量及曲线图。

　　②叶轮应找静平衡。在3000r/min工作的叶轮不平衡量不得大于以下规定。
　　③属于下列情况之一者还要检查转子的动平衡。
　　单级泵的叶轮直径超过300mm时；两级泵的叶轮直径超过250mm时。
　　④对于弹性柱销式及其他用铸铁制造的联轴器，当直径超过￠125mm，总长度超过300mm时也需进行动平衡校验。
　　4.1.2 各部件的相对位置公差。密封箱与轴的同轴度0.10mm；密封箱与轴的垂直度0.05mm；转子的轴向串量0.30mm；压盖与密封箱配合止口同轴度0.10mm。
　　4.1.3 与电机的同心度。电机单独运转时其振幅不超过0.03mm；工作温度下泵与电机的同心度，轴向0.08mm；径向0.10mm；立式泵采用的刚性联轴器同心度，轴向0.04mm；径向0.05mm。
　　4.1.4 泵运转时双振恒值最大不超过0.06mm。
　　4.2 减小泵轴窜量
　　合理地设计轴向力的平衡装置，减小泵轴窜量消除轴向窜量。为了满足这一要求，对于多级离心泵，比较理想的设计方案有两个:一个是平衡盘加轴向止推轴承，由平衡盘平衡轴向力，由轴向止推轴承对泵轴进行轴向限位；另一个是平衡鼓加轴向止推轴承，由平衡鼓平衡掉大部分轴向力，剩余的轴向力由止推轴承承担，同时轴向止推轴承对泵轴进行轴向限位。第二种方案的关键是合理地设计平衡鼓， 使之能够真正平衡掉大部分轴向力。对于其它单级泵、中开泵等产品，在设计时采取一些措施保证泵轴的窜量在机械密封所要求的范围之内。
　　4.3 增加辅助冲洗系统
　　在条件允许的情况下，尽量设计辅助冲洗系统。冲洗压力一般要求高于密封腔压力0.107～0.11MPa，如果输送介质属于易汽化的， 则应高于汽化压力0.1175～0.12MPa。密封腔压力要根据每种泵的结构型式、系统压力等因素来计算。轴封腔压力很高时或者压力几乎接近该密封使用最高极限时，也可由密封腔引液体至低压区，使轴封液体流动以带走摩擦热。
　　5 结论
　　通过对泵用机械密封的工作原理及结构分析，结合对生产实际中泵用机械密封装置故障的分析统计，我们发现，影响时机械密封可靠性的因素不仅与机械密封装置的设计和制造有关，更重要的是要考虑机械密封装置的安装、维护和保养等外部的各种影响因素。统计并分析离心泵运行时的机械密封故障，其中绝大多数出现在安装与维护过程中，由于安装未达到技术要求，使得机械密封装置的运行周期大大降低。对天津石化运行泵的故障统计分析，其泵用机械密封装置的正常运行周期高于国内同类用泵的平均值，其原因与天津石化长期以来重视职工专业技能培训工作分不开，职工理论水平的提高和熟练掌握国内、外设备的设计和结构对泵用机械密封装置的维护，保障其长期安全、正常运行具有重要意义。
　　参考文献：
　　[1]化工密封技术，胡国桢，石流，阎家宾.化学工业出版社，1990.
　　[2]流体动密封，上册，顾永泉，中国石化出版社，1990.
　　[3]机泵维修钳工，中国石油化工集团公司人事部，中国石化出版社，2011.
　　[4]实用机械密封技术问答，王汝美，中国石化出版社，2009.

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