高黏度漿液齒輪泵機械密封失效分析

王瀚倫

（大慶煉化公司化工生產(chǎn)二部，黑龍江大慶 163411）

0 引言

二醋酸纖維漿液黏度大，其中還有丙酮等易燃易爆物質(zhì)，通常情況下都會采取齒輪泵進行高壓輸送。齒輪泵在實際運行過程中經(jīng)常會產(chǎn)生脈沖振動現(xiàn)象，導(dǎo)致齒輪泵機械密封在高壓、振動運行工況下非常容易出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。一旦二醋酸纖維漿液泄漏后會導(dǎo)致丙酮揮發(fā)，引發(fā)安全隱患，也會造成嚴重原料浪費。

1 漿液齒輪泵機械密封結(jié)構(gòu)及故障分析

漿液齒輪泵的機械密封主要采取在兩個固定端上直接焊接波紋管，使用碳化鎢硬質(zhì)合金制作動環(huán)和靜環(huán)，使用O 形圈實現(xiàn)動環(huán)座和軸套之間的有效密封。

漿液齒輪泵在實際應(yīng)用過程中必須要充分保證密封端面比壓超過密封端面上輸送介質(zhì)的飽和蒸汽壓。如果密封端面比壓過大，會增加摩擦熱，導(dǎo)致端面上的液膜蒸發(fā)，進一步加劇密封端面磨損狀況。另外，齒輪泵在實際應(yīng)用過程中密封端面磨損在一定程度上還會受到平衡程度的影響。通常情況下機械密封平衡程度能夠保持在75%左右，而如果平衡程度小于75%，會導(dǎo)致磨損進一步加劇，很可能導(dǎo)致密封面失效，使得輸送介質(zhì)泄漏量增加。如果機械密封在實際運行過程中的負荷比較大，會導(dǎo)致其端面產(chǎn)生大量摩擦熱，在這種情況下要將其平衡程度設(shè)置在65%～70%。進口漿液齒輪泵在實際應(yīng)用過程中經(jīng)常出現(xiàn)密封端面磨損、波紋管失效斷裂、O 形圈失效等故障[1]。

2 高黏度漿液齒輪泵機械密封失效分析

機械密封在實際應(yīng)用過程中制作材料耐磨性能差、摩擦系數(shù)大、端面比壓大等，都會嚴重影響機械密封使用壽命[2]。如果齒輪泵在實際應(yīng)用過程中所輸送介質(zhì)中含有固體顆粒，那么機械密封密封面失效的主要原因是固體顆粒導(dǎo)致。當摩擦副斷面中進入固體顆粒后會產(chǎn)生研磨劑的作用，使得密封端面產(chǎn)生嚴重磨損失效。機械密封在運行過程中密封面間隙、機械密封平衡程度、端面液膜等都會導(dǎo)致端面打開，這是固體顆粒進入密封端面的主要原因。

2.1 波紋管失效

機械密封在運行過程中如果環(huán)境溫度過高或受到過度壓縮都會導(dǎo)致波紋管出現(xiàn)失彈故障。進口二醋酸纖維漿液齒輪泵波紋管主要采用316L 不銹鋼材料制作，這種材料本身的彈性相對較差，而且是通過將壓制波片進行焊接后制作而成，焊接完成后由于沒有妥善處理，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，波紋管如果在運行過程中受到過度壓縮，會導(dǎo)致其外部焊接區(qū)域超過屈服強度產(chǎn)生塑性變形；另外，如果波紋管實際運行環(huán)境溫度比較高，會導(dǎo)致波紋管材料在高溫以及應(yīng)力的共同作用下，其內(nèi)部晶格產(chǎn)生一定變化，最終出現(xiàn)應(yīng)力松弛[3]。如果波紋管出現(xiàn)較大壓縮量，在高溫、高壓的共同作用下很容易產(chǎn)生永久變形現(xiàn)象，使得波紋管出現(xiàn)失彈故障。

2.2 密封面變形

高黏度漿液齒輪泵機械密封在運行過程中會出現(xiàn)動環(huán)密封端面不均勻磨損現(xiàn)象，而且在內(nèi)徑位置出現(xiàn)較大磨損量，磨痕相對較窄，嚴重情況下會使得密封面產(chǎn)生線性接觸。環(huán)座材料選擇不合理，或材料線性膨脹系數(shù)過大都是導(dǎo)致密封面變形的主要原因。

高黏度漿液齒輪機械密封的密封環(huán)和密封座主要采取鑲嵌結(jié)構(gòu)模式，兩者之間屬于過盈配合，如果在安裝過程中設(shè)置了過大過盈量，會導(dǎo)致密封環(huán)在擠壓應(yīng)力較大情況下出現(xiàn)變形甚至斷裂現(xiàn)象；如果在安裝過程中設(shè)置的過盈量過小，會導(dǎo)致在高溫工況環(huán)境下，出現(xiàn)密封封托現(xiàn)象。進口二醋酸纖維漿液齒輪泵主要使用316L 不銹鋼材料制作環(huán)座，與普通浸漬聚四氟乙烯樹脂材料相比，該材料線性膨脹系數(shù)要大很多，其環(huán)座與密封環(huán)之間配合安裝過程中過盈量設(shè)置為0.25 mm，在正常工況溫度下，密封環(huán)與環(huán)座之間配合面的漲縮不能夠?qū)崿F(xiàn)同步。在過盈量產(chǎn)生變化情況下，兩者之間的接觸應(yīng)力也會相應(yīng)產(chǎn)生變化，這樣就會導(dǎo)致密封面變形。

2.3 波紋管斷裂的主要原因

機械密封在運用過程中如果出現(xiàn)過度拉伸或扭曲等現(xiàn)象，會產(chǎn)生疲勞損壞。如果漿液齒輪泵與電機的連接軸安裝過程中出現(xiàn)不對中、泵軸彎曲、軸向竄動過大現(xiàn)象[4]，會導(dǎo)致齒輪泵產(chǎn)生劇烈振動；動環(huán)與靜環(huán)之間出現(xiàn)偏心現(xiàn)象；漿液齒輪泵在運行過程中如果機械密封與波紋管產(chǎn)生共振現(xiàn)象，會導(dǎo)致波紋管焊接位置出現(xiàn)破壞失效現(xiàn)象。

2.4 O 形密封圈失效

機械密封的轉(zhuǎn)動軸與O 形密封圈之間為線接觸形式，接觸面相對較窄。當漿液齒輪泵運行過程中處在振動狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動軸與O形密封圈的接觸面之間會竄入漿液，最終形成漿皮，使得O 形密封圈出現(xiàn)嚴重磨損。與此同時，由于大部分輸送漿液本身具有一定腐蝕性，例如，該齒輪泵輸送的二醋酸纖維漿液中含有大量丙酮，會對O 形密封圈產(chǎn)生嚴重腐蝕，嚴重影響O 形密封圈使用壽命。

3 高黏度漿液齒輪泵機械密封失效改進措施

3.1 改進機械密封結(jié)構(gòu)

漿液齒輪泵靜環(huán)座上設(shè)置一個水槽和水咀接頭，通過防轉(zhuǎn)銷來阻止靜環(huán)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。安裝過程中可以將靜環(huán)與靜環(huán)座之間采取過渡配合方式，并在槽底預(yù)留膨脹間隙，以此來有效避免靜環(huán)在熱脹冷縮中出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。動環(huán)與動環(huán)座之間主要采取過盈配合方式，利用石墨填料起到潤滑作用。

動環(huán)和靜環(huán)安裝過程中要保證其與轉(zhuǎn)動軸線處于垂直狀態(tài)，而且要保證兩者之間的接觸表面光潔平整，并實現(xiàn)良好結(jié)合，同時還要施加合理的壓緊力，壓緊力的設(shè)置可以結(jié)合波紋管的壓縮量來進行。

3.2 改進方式

動環(huán)和靜環(huán)可以通過浸漬聚四氟乙烯樹脂材料來制作，這種材料本身帶有潤滑作用。在波紋管上面設(shè)置導(dǎo)向套，導(dǎo)向套上面要相應(yīng)設(shè)置密封槽，充分利用石墨填料環(huán)來有效避免機械密封在運行過程中動環(huán)內(nèi)部竄入漿液，保障波紋管能夠始終保持良好伸縮性能，同時也能夠讓動環(huán)和靜環(huán)之間實現(xiàn)緊密貼合。使得機械密封運行過程中動環(huán)和靜環(huán)之間能夠始終保持良好的液體薄膜，以此發(fā)揮良好密封效果。

密封材料通常情況下會通過pv 值表示其工作性能，并利用[pv]表示其工作允許范圍。如果漿液齒輪泵機械密封運行過程中pv 值不斷升高，運行環(huán)境溫度逐漸升高，就會導(dǎo)致摩擦面出現(xiàn)嚴重磨損，使得密封材料工作性能下降。由于漬聚四氟乙烯樹脂材料潤滑性和耐磨性均較強，波紋管會在靜環(huán)上形成一個預(yù)壓緊力，使得沒有油潤滑情況下靜環(huán)的pv 值相對較低，在此情形下能有效提升機械密封使用壽命[5]。

3.3 改進效果分析

經(jīng)過改進后，漿液齒輪泵在實際運行過程中可以為靜環(huán)座提供冷卻水，對靜環(huán)座形成良好冷卻作用。通過導(dǎo)向套能夠?qū)Σy管的軸向移動形成良好引導(dǎo)，能夠始終在靜環(huán)表面形成一定彈性壓力。使得漿液齒輪泵在高壓、振動工況下，靜環(huán)和動環(huán)密封影響得到有效控制。

靜環(huán)座與靜環(huán)采取過渡配合形式，通過防轉(zhuǎn)銷對靜環(huán)的轉(zhuǎn)動進行有效抑制；波紋管與動環(huán)套以及導(dǎo)向套采取固接結(jié)構(gòu)，動環(huán)組件是在轉(zhuǎn)動軸上進行固定。這種情況下就能夠讓靜環(huán)與動環(huán)的接觸面始終保持良好貼合，完全實現(xiàn)動態(tài)補償密封效果。由于采取石墨填料環(huán)，使得導(dǎo)向套的密封槽中不容易竄入漿液，充分保障了波紋管能夠保持良好伸縮性能。有效避免了漿液齒輪泵在運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)脈沖振動現(xiàn)象，很好解決了高黏度漿液泵在高壓、振動運行工況下產(chǎn)生泄漏的問題。

4 結(jié)束語

高黏度漿液齒輪泵機械密封在運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)密封失效現(xiàn)象，分析齒輪泵機械密封失效原因后，進一步改進機械密封，很好解決了機械密封在運行過程中出現(xiàn)脈沖振動現(xiàn)象，有效避免了高黏度漿液齒輪泵在高壓、振動情況下出現(xiàn)泄漏。