泵密封輔助系統(tǒng)21號(hào)方案沖洗參數(shù)分析

摘 要：合理的冷卻沖洗參數(shù)能提高泵機(jī)械密封工作的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命。文章針對(duì)API682中的標(biāo)準(zhǔn)沖洗布置21號(hào)方案，通過(guò)密封沖洗冷卻器的計(jì)算選擇以確定合理的沖洗參數(shù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械密封；沖洗布置21號(hào)方案；密封沖洗冷卻器；溫升

中圖分類號(hào)：TH136 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2012）17-0096-02

在現(xiàn)代工業(yè)裝置系統(tǒng)中，廣泛而大量地使用著各種各樣的流體機(jī)械。在這些機(jī)械中，轉(zhuǎn)軸的密封是關(guān)鍵技術(shù)之一，尤其是機(jī)械密封，它是節(jié)能、泄漏、防污染、保安全的先進(jìn)軸封形式。機(jī)械密封由兩部分組成的，即機(jī)械密封本身和機(jī)械密封循環(huán)系統(tǒng)。機(jī)械密封循環(huán)系統(tǒng)的功用在于采用沖洗、循環(huán)、熱對(duì)流等工作方式，控制機(jī)械密封的工況參數(shù)，即溫度、壓力、潤(rùn)滑、腐蝕、結(jié)晶、結(jié)垢等，以防止危險(xiǎn)介質(zhì)正常泄漏對(duì)環(huán)境的污染。

本文以符合美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API682的泵密封標(biāo)準(zhǔn)沖洗布置21號(hào)方案為例介紹密封輔助系統(tǒng)沖洗參數(shù)計(jì)算過(guò)程。方案21是對(duì)密封提供了一種冷卻沖洗，這種沖洗方案用于提高蒸汽氣化的裕量、滿足附屬密封元件的溫度限制、減少焦化或聚合、提高潤(rùn)滑性。方案21的優(yōu)點(diǎn)是不僅提供了冷卻沖洗也具有足夠的壓差以保證良好的沖洗流量。它的主要配置是從泵的出口通過(guò)限流孔板和冷卻器然后進(jìn)入密封腔的循環(huán)過(guò)程（圖1）。

密封腔中熱量的來(lái)源主要有以下幾種：由于密封面摩擦和介質(zhì)剪切而產(chǎn)生的熱量，由旋轉(zhuǎn)的密封元件引起的紊流（或湍流）而產(chǎn)生的熱量，由泵經(jīng)密封腔和軸傳導(dǎo)的熱量等，同時(shí)密封腔也有部分熱量散失。通過(guò)方案21的冷卻沖洗要帶走這部分熱量，以此為原則即可計(jì)算方案21的沖洗流量及換熱器的參數(shù)。以按API682-2004標(biāo)準(zhǔn)配套的串聯(lián)金屬波紋管式機(jī)械密封為例，介紹21號(hào)方案沖洗參數(shù)的計(jì)算過(guò)程，具體工況參數(shù)見表1、表2。

1 密封腔產(chǎn)生的熱量

1.1 密封端面摩擦產(chǎn)生的熱量Q

密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

DO為密封端面接觸外直徑，mm，DO=111.7；Di為密封端面接觸內(nèi)直徑，mm，Di=103.2；D1為波片外徑，mm，D1=114.3；D2為波片內(nèi)徑，mm，D2=97.5；Db為密封有效平衡直徑，mm，Db=■=106；Psp為彈簧比壓，MPa，焊接金屬波紋管Psp=0.15 MPa；p為密封腔壓力，MPa，p=0.4 MPa；n為轉(zhuǎn)速，r/min，n=1475 r/min；f為摩擦系數(shù)，f取0.07；K為壓降系數(shù)，K取0.5。

密封端面摩擦產(chǎn)生的熱量Q計(jì)算過(guò)程如下所示。

端面面積：

A=■=1 434 mm2

密封平衡系數(shù)：

B=■=0.691

密封端面上的液體壓力：

ΔP=p×B=0.276 MPa

端面總比壓：

Ptot=ΔP（B-K）+Psp=0.203 N/mm2

端面平均直徑：

Dm=■=107.15 mm

運(yùn)行轉(zhuǎn)矩：

Tr=Ptot×A×f×（Dm/2 000）=1.09 Nm

密封端面摩擦產(chǎn)生的熱量：

Q=■=0.168 kW

1.2 密封旋轉(zhuǎn)部件渦流產(chǎn)生的熱量Qxz

密封旋轉(zhuǎn)部件渦流產(chǎn)生的熱量Qxz的依據(jù)為能量守恒原理——密封旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生熱量等效于同類型葉輪、產(chǎn)生同流量下泵所用電機(jī)的軸功率。

取泵流量Qpump=15L/min=0.00025m3/s，取揚(yáng)程Hpump=14m，則密封旋轉(zhuǎn)部件渦流產(chǎn)生的熱量：

Qxz=PpumpgρQpumpHpump/1 000=0.03 kW

1.3 泵密封腔與軸的傳熱Qhs

U為材料物性系數(shù)；A為傳熱面積，mm；T1為泵介質(zhì)溫度，℃，此密封T1=210℃；T2為要求的密封腔溫度，℃，此密封T2=95℃（估算）；為泵溫度與所要求的密封腔溫度的溫差，K，ΔT=T1-T2=115 K。對(duì)于不銹鋼材質(zhì)的軸套和密封壓蓋，取U×A=0.00 025。則密封腔吸熱：

Qhs=U×A×Db×ΔT=3.05 kW

1.4 散發(fā)到空氣中的熱量Qs

密封端蓋與管路損失熱——環(huán)境溫度取當(dāng)?shù)刈罡邷囟?8℃。

C1為端蓋比熱，kJ·kg-1·k-1，此密封C1=0.46 kJ·kg-1·k-1；M為端蓋總重量，kg， 此密封M=ρV=27.3 kg；Δt為端蓋與環(huán)境溫度差，K， 此密封Δt=95-38=52 K；l為管路散熱長(zhǎng)度，此系統(tǒng)l=4 m；S為管路散熱面積，m2，S=πd×l=3.14×0.027×4=0.339 m2；W為管散熱能力—相對(duì)大氣，kW/m2，W=4 kw/m2；h為環(huán)境修正系數(shù)，此系統(tǒng)h=1.15；α為管材修正系數(shù)，此系統(tǒng)α=0.9。則此密封:

Qs=Qpompcover+Qpipe=■+hαSW=1.6 kW

2 密封沖洗流量qing

為與泵同溫的注入液的相對(duì)比重，g/cm3，此密封d=0.879 g/cm3；Cp為與泵同溫的注入液的比熱容，J·kg-1·k-1，Cp=1700 J·kg-1·k-1；Δt為密封腔的最大溫升，Δt=10K。

密封沖洗流量qing計(jì)算過(guò)程如下：

qing'=60 000×■=6.6 L/min

在計(jì)算中所應(yīng)用的溫升是密封腔的平均溫升，而實(shí)際密封端面的溫升比密封腔要高很多。所以用此公式來(lái)計(jì)算最小沖洗量的話，則密封面會(huì)過(guò)熱而導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)不良。因此注入流量應(yīng)至少采用2倍的安全系數(shù)，且保證沖洗時(shí)對(duì)準(zhǔn)密封面。則此密封沖洗流量為：

qing=2×qing'=1.3 L/min

3 換熱器相關(guān)參數(shù)

3.1 沖洗液降溫放出的能量Qdiffusion

Tlc為冷卻液出口溫度，℃，Tlc=47℃；Tlr為冷卻液入口溫度，℃，Tlr=30℃；Tjc為換熱器沖洗液出口溫度，℃，Tjc=105℃；Tjr為換熱器沖洗液入口溫度，℃，Tjr=195℃；ρ為管內(nèi)流體密度，kg/dm3，ρ=0.879 kg/dm3；ms為管內(nèi)流體的質(zhì)量流量，kg/s，ms=■=0.19 kg/s。

Qdiffusion計(jì)算過(guò)程為：

Qdiffusion=■29.1 kW

3.2 散熱面積Adiffusion

k為總傳熱效率，W·m-2·K-1，■=■+R，其中α=BD-1.8m■■，B=0.0234πμ■Pr■?漬■c，c=1.1，經(jīng)計(jì)算k=480。

Δtm為傳熱溫度差，K，此密封Δtm=■=112 k。

散熱面積Adiffusion計(jì)算過(guò)程如下：

Adiffusion'=1 000×■=0.54 m2

Adiffusion=（1+0.3）×Adiffusion'=0.7 m2

3.3 冷卻液流量

ρcooling為冷卻液密度，kg/dm3，此系統(tǒng)ρcooling=0.996 kg/dm3；ccooling為冷卻液比熱容，J·kg-1·k-1，此系統(tǒng)ccooling=4178 J·kg-1·k-1；Qabsorption為冷卻熱吸收能量，kW，取Qabsorption=Qdiffusion=29.1kW；Δtabsorption為冷卻水進(jìn)出口溫差，K，此系統(tǒng)Δtabsorption=Tlc-Tlr=17 K。

冷卻液流量計(jì)算過(guò)程如下：

qcooling=60000×■=25 L/min

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算分析可以得出該密封在上述工況下，采用標(biāo)準(zhǔn)沖洗布置21號(hào)方案時(shí)，沖洗參數(shù)如下：密封沖洗流量為13 L/min；換熱器散熱面積為0.7m2；換熱器冷卻液流量至少為25 L/min；密封腔溫度大約95℃。

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