尿素P1-B機(jī)械密封失效的原因及解決辦法

郭威

（重慶云天化瀚恩新材料開發(fā)有限公司，重慶 401221）

尿素P1-B機(jī)械密封失效的原因及解決辦法

郭威

（重慶云天化瀚恩新材料開發(fā)有限公司，重慶 401221）

尿素P1-B水解給尿泵自更換國(guó)產(chǎn)新泵后一直不能正常運(yùn)行，主要表現(xiàn)為機(jī)械密封泄露量大，需頻繁更換，針對(duì)該泵機(jī)械密封出現(xiàn)的問題，文章對(duì)機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)和原理做了介紹，同時(shí)對(duì)機(jī)械密封的失效形式做了詳細(xì)的分析，有針對(duì)性地對(duì)該泵進(jìn)行了改進(jìn)，按改進(jìn)方案進(jìn)行了檢修維護(hù)，后期該泵機(jī)械密封運(yùn)行效果良好。

機(jī)械密封；換熱器；聚四氟乙烯；碳化硅陶瓷

1 設(shè)備介紹及故障情況

尿素P1-B水解給尿泵，系由西德蒂森公司制造，VLT80/7型，電機(jī)驅(qū)動(dòng)七級(jí)立式離心泵，現(xiàn)已國(guó)產(chǎn)化，附屬設(shè)備配有冷卻器，用來冷卻泵出口去機(jī)械密封腔內(nèi)的工藝流體。

泵技術(shù)參數(shù)：流量：50.4m3/h；轉(zhuǎn)速：2960r/min；揚(yáng)程：399m；入口壓力：0.57MPa；出口壓力：4.23MPa；入口溫度：135℃；出口溫度：135℃；入口溫度下的流體密度：935kg/m3；介質(zhì)：0.5%的NH3，0.1%的尿素。

自從該泵更換為國(guó)產(chǎn)新泵后，機(jī)械密封經(jīng)常發(fā)生泄漏，由于該泵是深井泵，無法從其介質(zhì)的泄漏形式來判斷機(jī)械密封的失效部分，只能將其解體檢查，但是每當(dāng)更換新機(jī)封后運(yùn)行不到一天就會(huì)再次發(fā)生泄漏，這樣不僅嚴(yán)重污染環(huán)境、影響生產(chǎn)，也浪費(fèi)了大量的人力物力，為盡快從根本上解決泄漏的問題，需要先對(duì)機(jī)械密封失效的形式進(jìn)行了詳細(xì)的分析，再結(jié)合檢修情況查證具體原因并制定了對(duì)策，最終解決了該問題。

2 機(jī)械密封

（1）機(jī)械密封的定義。機(jī)械密封（mechanical seal）是由至少一對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力（或磁力）的作用下以及輔助密封的配合下保持貼合并相對(duì)滑動(dòng)而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。

（2）機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)（如圖1所示）主要由以下組成：①靜環(huán)；②動(dòng)環(huán)；③彈性元件；④彈簧座；⑤緊定螺釘；⑥靜環(huán)輔助密封圈；⑦動(dòng)環(huán)輔助密封圈；⑧壓蓋與機(jī)體輔助密封圈；⑨壓蓋；⑩防轉(zhuǎn)銷。

圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)圖

機(jī)械密封具有密封性能可靠、泄漏量小、使用壽命長(zhǎng)、功率損耗少和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其適用于高轉(zhuǎn)速、高壓差的工作條件和昂貴或有毒及強(qiáng)腐蝕性的工藝介質(zhì)中。

（3）機(jī)械密封的組成及工作原理。盡管機(jī)械密封種類繁多，但是無論哪種結(jié)構(gòu)都由以下及部分組成：①動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成的密封端面（簡(jiǎn)稱摩擦副）；②由彈性元件為主的緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，其作用是使密封端面緊密貼合；③輔助密封圈，包含動(dòng)、靜環(huán)密封圈；④使動(dòng)環(huán)隨軸旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

機(jī)械密封是靠動(dòng)環(huán)與靜環(huán)的接觸面在運(yùn)動(dòng)中始終貼合，實(shí)現(xiàn)密封。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)和靜環(huán)的端面產(chǎn)生適當(dāng)?shù)谋葔汉捅３忠粚訕O薄的液體膜而達(dá)到密封的目的。

3 機(jī)械密封實(shí)效的原因分析

無論那種型號(hào)和結(jié)構(gòu)的機(jī)械密封，其主要泄露點(diǎn)有以下六處（如圖1A、B、C、D處）：①動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間泄漏；②動(dòng)環(huán)輔助密封圈處的泄漏；③靜環(huán)環(huán)密封圈處的泄漏；④機(jī)體與壓蓋接合面之間的泄漏；⑤軸套與軸之間的泄漏；⑥密封件本身具有滲透性。

（1）動(dòng)靜環(huán)端面之間泄漏。動(dòng)靜環(huán)端面之間的泄露是機(jī)械密封失效的主要形式。首先，端面不平、端面平面度、粗糙度未達(dá)到要求，或者在使用前受了損傷，都可能導(dǎo)致泄漏；其次，端面間存在異物也可能導(dǎo)致泄漏；再次，安裝不正確，比如安裝尺寸未達(dá)到工作要求而使端面接觸緊力不夠從而導(dǎo)致端面分離，或者非補(bǔ)償環(huán)安裝傾斜等也可以導(dǎo)致泄露；最后，運(yùn)行過程中端面磨損也是導(dǎo)致泄露的常見原因。

（2）動(dòng)環(huán)輔助密封圈處的泄漏。輔助密封圈本身質(zhì)量有問題，如橡膠密封圈常見的凹凸缺陷、錯(cuò)位，修邊過量、開?？s裂等均會(huì)造成其泄露。安裝時(shí)導(dǎo)致密封圈受損，如橡膠密封圈表面刮痕、聚四氟乙烯V型環(huán)唇口割傷等。軸套與補(bǔ)償環(huán)密封圈的接觸部分有缺陷，如麻點(diǎn)，凹坑等，對(duì)此，應(yīng)更換合格的軸套。密封圈材質(zhì)與介質(zhì)不相容導(dǎo)致密封圈變形、腐蝕、老化等，對(duì)此，應(yīng)選用適宜材質(zhì)的密封圈。軸套的尺寸公差，粗糙度未達(dá)到要求也可能導(dǎo)致密封圈泄露。

（3）靜環(huán)密封圈處的泄漏。壓蓋尺寸公差不符合設(shè)計(jì)要求。安裝錯(cuò)誤，如聚四氟乙烯V環(huán)安裝方向錯(cuò)誤。密封圈質(zhì)量不合格或者與介質(zhì)不相容。

（4）機(jī)體與壓蓋接合面之間的泄漏。墊片或者密封圈受到損傷。機(jī)體與壓蓋的配合端面有缺陷，如凹坑，劃痕等。螺栓力太小，墊片壓縮量不夠，此時(shí)需要加大螺栓力。安裝時(shí)清潔不到位，有異物進(jìn)入其中，此時(shí)應(yīng)及時(shí)更換受損的墊片或者密封圈。壓蓋變形，主要是壓蓋剛度不夠產(chǎn)生的變形，或者是壓蓋使用年限太久而產(chǎn)生的微小變形。緊固螺栓時(shí)未對(duì)稱緊固導(dǎo)致螺栓受力不均勻，單邊壓蓋鎖緊。

（5）軸套與軸之間的泄漏。安裝過程不當(dāng)、墊片或者密封圈損傷或者達(dá)不到要求均會(huì)造成軸套與軸之間的泄露。

（6）密封件本身具有滲透性。碳制品易于滲透，這種滲透主要是浸漬與固化后參數(shù)未控制好，導(dǎo)致產(chǎn)品性能指標(biāo)未達(dá)到要求，或者是碳材料浸漬處理后加工切削量太大，內(nèi)部微孔疏通而形成泄漏通道。通常，經(jīng)機(jī)械加工后的成品都會(huì)進(jìn)行一次浸漬處理，目的是為確保密封件不滲透。這一項(xiàng)是在分析泄漏最容易被忽視的，也是檢修過程中最難發(fā)現(xiàn)的，需多加注意。

4 P1-B機(jī)封失效的形式和原因分析

（1）P1-B機(jī)封失效的形式和原因。經(jīng)過多次對(duì)該泵進(jìn)行機(jī)械密封更換，發(fā)現(xiàn)該泵機(jī)械密封失效的原因主要有以下2點(diǎn)：補(bǔ)償環(huán)與非補(bǔ)償環(huán)變形失效（動(dòng)環(huán)與軸套之間的V型四氟環(huán)，靜環(huán)和靜環(huán)座之間的V型四氟環(huán)）；摩擦副表面細(xì)小裂紋（摩擦副材料為碳化硅陶瓷）。

經(jīng)檢查，用四氟制造的V型密封圈與軸套接觸的部位已經(jīng)發(fā)生了變形，具體表現(xiàn)是輕微卷曲，這主要是因?yàn)槊芊馇粌?nèi)發(fā)生氣蝕，動(dòng)環(huán)和密封圈沿軸向滑動(dòng)，從而使V型四氟環(huán)唇部發(fā)生了卷曲。摩擦副表面的細(xì)小裂紋則是由于氣化或者機(jī)封冷卻液溫度過高起不到冷卻效果而導(dǎo)致的結(jié)果。

通過工藝流程及工藝參數(shù)得知：此泵機(jī)封冷卻采取的是自冷卻模式，冷卻液由泵出口流體單獨(dú)引出（135℃），經(jīng)過其附屬設(shè)備換熱器冷卻到55～60℃后，再流入機(jī)械密封對(duì)其進(jìn)行冷卻，然后流入泵的進(jìn)口，這樣的一個(gè)循環(huán)過程。經(jīng)過手持測(cè)溫儀檢測(cè)，機(jī)封冷卻液進(jìn)口管溫度為110℃，而工藝要求的溫度則為55～60℃，故有理由確信，冷卻液溫度過高是導(dǎo)致此機(jī)械密封長(zhǎng)期失效的主要原因，而造成冷卻液溫度過高則是由于泵本身自帶的冷卻器由于使用年限過久導(dǎo)致?lián)Q熱效果不佳引起的。

當(dāng)冷卻液溫度在110℃左右時(shí)，顯然冷卻液不能及時(shí)將機(jī)封摩擦產(chǎn)生的熱量帶走，從而導(dǎo)致機(jī)封持續(xù)高溫運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而使機(jī)封聚四氟乙烯V環(huán)變形失效，經(jīng)查《機(jī)械密封設(shè)計(jì)制造與使用》一書得知，聚四氟乙烯熱變形溫度為121℃。同時(shí)，高溫也會(huì)使碳化硅陶瓷表面出現(xiàn)熱裂紋，這也是摩擦副失效的主要原因，解決機(jī)封溫度過高最好的辦法是降低機(jī)封冷卻液的溫度，使其達(dá)到工藝的要求，筆者根據(jù)工藝的要求將冷卻液溫度目標(biāo)值假定為55℃。

（2）冷卻器換熱效果差的主要原因分析。①使用年限過久，冷卻器結(jié)垢，導(dǎo)致總傳熱系數(shù)K值降低，如圖2所示。②回流孔堵塞或者回流孔孔徑太小導(dǎo)致回流流量不夠，如圖3所示。③換熱器換熱面積可能不夠?，F(xiàn)根據(jù)工藝車間工藝參數(shù)對(duì)所需理論換熱面積進(jìn)行初步估算。

圖2 結(jié)垢的冷卻器

圖3 回流孔

各數(shù)據(jù)如下：冷卻液為進(jìn)入換熱器的熱流體，走管程，其流量約為qm=500kg/h，熱流體進(jìn)換熱器入口溫度為120℃（實(shí)測(cè)所得），出口溫度為55℃（工藝需求值），冷水走殼程，用手持測(cè)溫儀測(cè)得進(jìn)口溫度約為20℃，出口溫度約為55℃，逆流流動(dòng)。

計(jì)算過程如下：

熱流體溫度：T1=120℃，T2=55℃

平均溫度為：Tm=（120+55）/2=87.5℃

查液體比熱容共線圖得熱流體比熱容：

Cp≈4.1×103J（kg·K）

熱流體流量：qm=500kg/h

熱負(fù)荷：Q=qm·Cp（T1-T2）=500×4100×65/3600=37013.9W

平均溫度差：

逆流：120℃→55℃ △t1=120-55=65℃

55℃←20℃ △t2=55-20=35℃

因?yàn)椋骸鱰1/△t2=1.86＜2

故：△tm=65+35=50℃

總傳熱系數(shù) K估=1150W/m2·K

（查《化工原理》表4-7-換熱器總傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值）

傳熱面積：

A=Q/K·△tm=37013.9/（1150×50）=0.64m2

考慮到實(shí)際工作時(shí)換熱器至少應(yīng)該有10%～25%的面積裕量，所以實(shí)際選型時(shí)換熱器面積應(yīng)該至少≥0.71m2，而此時(shí)所用舊換熱器換熱面積僅為0.6m2，既確定了該換熱器換熱面積不夠。

5 解決措施

①更換新的機(jī)械密封。②擴(kuò)大回流孔，將回流孔由3mm擴(kuò)大到5mm。③選取新型號(hào)的換熱器，換熱面積由0.6m2更換為為0.9m2，如圖4所示。④定期對(duì)換熱器進(jìn)行除垢處理，并將換熱器由臥式改為立式，以增大殼程流體的湍流程度，從而增大總傳熱系數(shù)，增強(qiáng)傳熱效果。

圖4 新冷卻器

6 結(jié)語(yǔ)

通過以上措施，P1-B機(jī)械密封泄露問題得到徹底解決，目前該泵運(yùn)行效果良好。

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Reasons and Solutions of Urea P1-B M echanical Seal Failure

GUO Wei
（Chongqing Yuntianhua Han En New Material Development Co.，Ltd.，Chongqing 401221，China）

Urea P1-B hydrolysis urine pump has been unable to operate normally since the replacement of new domestic pump,mainly showing themechanical seal leakage，needing to be frequently replaced.The paper introduces themechanical seal structure and the principle，and analyzes the failure ofmechanical seal in details，improves the pump accordingly and maintain according to the improvementprogram，which isgood for themechanicalsealoperation of the pump.

mechanicalseal；heatexchanger；polytetrafluoroethylene；silicon carbide ceramic

TH136

A

2095-980X（2017）05-0019-02

2017-04-23

郭威（1985-），男，湖北武漢人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事設(shè)備相關(guān)工作。