高溫油泵機械密封失效分析與對策

矯健

摘要：高溫油泵機械密封問題是長期困擾機械行業(yè)的一個問題。因工作環(huán)境溫度高、壓力大、介質(zhì)粘度大且催化劑含有固體顆粒，在長期的工作下密封面會產(chǎn)生磨損或松脫，致使密封圈失效。作為機械熱工工藝中的核心設(shè)備，高溫油泵機械密封失效將嚴(yán)重影響機械熱工生產(chǎn)的安全。基于高溫油泵機械密封的重要性，本文主要探討了高溫油泵機械密封結(jié)構(gòu)，分析了密封面失效的主要原因，從材質(zhì)、制造工藝、密封結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)四個方面探討了高溫油泵機械密封失效改進的對策。旨在為機械熱工生產(chǎn)工藝中高溫油泵機械密封安全提供一些參考。

關(guān)鍵詞：高溫油泵機械;密封面;密封失效;結(jié)構(gòu);磨損

中圖分類號：TE964? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0075-02

0? 引言

機械業(yè)是一個非常重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，使用機械熱工生產(chǎn)技術(shù)可以生產(chǎn)出品類繁多，應(yīng)用及其廣泛的機械毛坯、半成品，它在現(xiàn)代工業(yè)中占據(jù)著非常重要的地位，是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。高溫油泵是機械熱工生產(chǎn)中的專用泵，它常用于機械熱工中的焦化工藝、熔化工藝、減壓蒸餾工藝等中，主要承擔(dān)著傳輸?shù)墓δ?。生產(chǎn)工藝均需要高溫高壓的環(huán)境，因此對機械設(shè)備的密封性能要求極高。高溫油泵機械作為機械熱工的核心設(shè)備，設(shè)備密封性能一旦失效將直接引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全事件，威脅著生產(chǎn)的安全。研究高溫油泵機械密封失效的原因及對策對于提高機械生產(chǎn)的安全有著重要的意義。

1? 高溫油泵機械密封結(jié)構(gòu)

高溫油泵機械的密封結(jié)構(gòu)有彈簧式機械密封和焊接金屬波紋管機械密封兩種，不同機械密封選擇的材料及處理工藝不同，對應(yīng)用工況的適應(yīng)性也存在差異性。機械密封的基本結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)件、防傳件、輔助密封系統(tǒng)、彈性元件、摩擦副等組成。傳動件包括鍵、銷、螺釘、彈簧盒等元件。防傳件主要元件之防傳銷。輔助密封系統(tǒng)主要包括柔性石墨圈、聚四氟乙烯圈、V圈、O圈等元件。彈性元件包括波紋管、碟簧、彈簧等元件。摩擦副主要指動環(huán)、靜環(huán)元件。以上這些元件的質(zhì)量及性能都會影響機械密封結(jié)構(gòu)的密封性能。

當(dāng)元件結(jié)構(gòu)磨損嚴(yán)重時，就會導(dǎo)致密封面密封失效。傳動件主要負責(zé)將軸的轉(zhuǎn)矩傳遞給東環(huán)，傳動件元件在主機運動過程中發(fā)生的磨損較大，一般建議選擇耐磨、耐蝕的材料。防傳件主要的作用是固緊、盛裝及定位東環(huán)與靜環(huán)的作用，需要有較好的彈性性能，來確保摩擦副使用處于正確的位置。輔助密封系統(tǒng)主要起密封東環(huán)、靜環(huán)的作用，同時還有輔助浮動和緩沖的作用。當(dāng)動靜環(huán)失效時，密封面的密封性必然松脫而失效，因此要求輔助密封的材料不僅要和介質(zhì)有較好的相容性、耐腐蝕性，還要具備耐寒、耐熱的性能，防治主機長期在復(fù)雜工況下運行而發(fā)生變形。彈性元件主要起預(yù)報緊、補償、緩沖的作用，依靠彈簧的彈性輔助主動件的摩擦和東環(huán)的慣性，才能維持密封副緊密的貼合性。建議采用耐疲勞、耐腐蝕的材料。

1.1 彈簧式機械密封

彈簧式機械密封結(jié)構(gòu)的金屬元件選用耐熱合金，密封面的材料選擇耐高溫的四氟，密封底座還設(shè)計有低膨脹的合金材料作為密封環(huán)座的墊圈。法蘭側(cè)設(shè)計有急冷機構(gòu)，用于密封失效時利用急冷對高溫流體進行冷卻。密封結(jié)構(gòu)中采用較多的彈簧結(jié)構(gòu)作為彈性元件。這種結(jié)構(gòu)可適應(yīng)的工況≦200℃。由于金屬彈簧在高溫環(huán)境下易發(fā)生碳化問題，因此長期的高溫環(huán)境可能導(dǎo)致彈性結(jié)構(gòu)失去彈性，影響高溫密封結(jié)構(gòu)的綜合密封性能。

1.2 焊接金屬波紋管機械密封

焊接金屬波紋管機械密封的密封管采用金屬波紋管的設(shè)計，金屬材質(zhì)的介質(zhì)輸送管道耐高溫性能更加突出。金屬波紋管道的連接采用焊接工藝，密封結(jié)構(gòu)上又增加了金屬材質(zhì)彈性補償元件。彈性補償元件結(jié)構(gòu)為波片組合，與彈簧類似，但手里更加均勻，彈性指數(shù)更好且不易失彈。金屬管的焊接部位為主要的薄弱環(huán)節(jié)。金屬管作為密封結(jié)構(gòu)的組成部分，管道一旦失效，同樣會導(dǎo)致截肢滲漏。機械的密封面采用鋁合金或柔性石墨材料作為墊片，具有較好的耐高溫性能。

2? 高溫油泵機械密封失效的原因

2.1 密封材質(zhì)原因

高溫油泵機械密封結(jié)構(gòu)對元件的材料要求極高，要求能夠耐高溫、耐磨損、彈性指數(shù)好且穩(wěn)定，膨脹系統(tǒng)差較小。彈簧式機械密封結(jié)構(gòu)的彈簧材料在高溫高壓環(huán)境下易發(fā)生彈簧失效，焊接金屬波紋管機械密封結(jié)構(gòu)的波紋管選歐陽的普通耐高溫合金在超高溫環(huán)境下也會發(fā)生彈力失效的問題。金屬墊片在高溫環(huán)境下，受力較大易發(fā)生磨損，導(dǎo)致墊片失效，而耐高溫的膠圈在高溫、受力不均環(huán)境下易發(fā)生松動或變形，甚至是脫落，從而影響密封面的密封效果。

2.2 元件加工工藝原因

焊接金屬波紋管機械密封結(jié)構(gòu)的密封性受管材熱處理工藝及焊接工藝的影響較為明顯。焊接管道的焊縫特處理工藝不佳，波紋管的組件在高溫、受力較大的情況下會發(fā)生扭斷，這也是導(dǎo)致負壓環(huán)境下柔弱部位發(fā)生介質(zhì)滲漏的原因之一。

2.3 系統(tǒng)故障問題

高溫油泵機械系統(tǒng)的主機在運行期間受壓力波動、介質(zhì)供給波動、沖洗工藝短暫失效、冷卻水結(jié)垢、軸承失效等故障的影響，會導(dǎo)致密封面長期受較大的摩擦力，同時受高溫和抽空影響，導(dǎo)致晃動密封圈發(fā)生松脫、翻邊等問題的出現(xiàn)，從而影響高溫油泵機械的密封性能。

如圖1所示，密封沖洗系統(tǒng)存在問題及密封腔溫度過高是造成機械密封頻繁失效的主要原因。原設(shè)計的機械密封外沖洗系統(tǒng)是自該泵出口引出的水經(jīng)過冷卻器后，流入密封腔對機封端面進行沖洗。但經(jīng)計算，沖洗液壓差密封沖洗系統(tǒng)實際為外沖洗。

2.4 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

高溫油泵機械密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計直接影響著主機的運行性能。當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與實際工況適應(yīng)性較差時，主機運行期間易發(fā)生周期性的停頓，或存在切換異常、工作負壓等問題。長期運行異常加劇了密封結(jié)構(gòu)的失效。

3? 解決高溫油泵機械密封失效的對策

3.1 選擇耐性較好的材料

高溫油泵機械在不同的工藝中的工況環(huán)境不同，因而對密封結(jié)構(gòu)的性能要求不同。在設(shè)計高溫油泵機械密封結(jié)構(gòu)時，應(yīng)根據(jù)主機設(shè)備運行的工況選擇材料。選擇材料考慮的屬性包括耐高溫性、耐腐蝕性、耐磨損性。在材料選擇上，處于長期的市場競爭考慮，務(wù)必選擇復(fù)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料。有特殊需求的主機密封機構(gòu)金屬合金可選擇C-276、合金718，切記以次充好。

3.2 優(yōu)化元件及材料處理工藝

要提高高溫油泵機械密封結(jié)構(gòu)的密封效果，首先要對材料熱處理工藝進行優(yōu)化，增強高溫油泵機械密封結(jié)構(gòu)元件的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損性能。特別是在制造焊接金屬波紋管及補償元件時，需要經(jīng)過多次測試最終選擇對金屬材料耐高溫屬性提高較為明顯的熱處理工藝，確保密封結(jié)構(gòu)在長期高溫工況環(huán)境下能夠保持較為穩(wěn)定的彈性性能。熱處理后加強對波紋金屬管質(zhì)量的檢查，剔除表面存在裂紋或質(zhì)量有明顯薄弱環(huán)節(jié)的金屬波紋管。

3.3 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)故障是造成高溫油泵機械密封失效的外部原因，因此需要通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計來穩(wěn)定系統(tǒng)運行的狀態(tài)，提高系統(tǒng)運行的流暢性。對系統(tǒng)的軸承、沖洗結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，將串聯(lián)的設(shè)計更改為面對面式的設(shè)計，在系統(tǒng)中直接接入外來沖洗接口，同時設(shè)計高溫油泵機械密封輔助系統(tǒng)。相當(dāng)于為主機增加了一套循環(huán)沖洗系統(tǒng)，在發(fā)生緊急泄漏時，系統(tǒng)可根據(jù)泄漏的介質(zhì)屬性選擇沖洗液，摒棄單一的水來沖洗的方案，防止了沖洗過程中汽化、結(jié)晶問題的產(chǎn)生，促進系統(tǒng)排渣、節(jié)流、抗溫、抗壓、潤滑，有助于改善機械密封的工作環(huán)境。這對于降低介質(zhì)汽化引發(fā)的爆炸事件有著重要的意義。

3.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

對高溫油泵機械密封結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，盡可能的選擇雙端面的密封結(jié)構(gòu)。單端面的機械密封結(jié)構(gòu)只有一對摩擦副，耐摩擦性能較差，易發(fā)生變形或松動，因而易發(fā)生泄漏問題。雙端面的密封設(shè)計采用兩套密封結(jié)構(gòu)，分別是一套主密封結(jié)構(gòu)，一套外端的輔助密封結(jié)構(gòu)，具有雙重保護作用，增加了密封結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時增加了摩擦副，耐磨損性能增強，在負壓或高壓波動環(huán)境下發(fā)生有更強的抗變形和抗松動性能。即便是在內(nèi)端密封結(jié)構(gòu)失效后，外端的密封結(jié)構(gòu)仍舊可以起到保護作用，防治油類介質(zhì)、有毒介質(zhì)等泄漏，確保主機運行的安全。

4? 結(jié)語

高溫油泵機械內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在機械熱工生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中的運行工況更加復(fù)雜。高溫油泵機械運行要受高溫、高壓及其他特殊環(huán)境的影響，增加了高溫油泵機械運行的危險系數(shù)。高溫油泵機械內(nèi)部的油類介質(zhì)一旦突破機械密封結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)滲出或發(fā)生泄漏，在高溫高壓環(huán)境下極易引燃或引爆，將釀成不可挽回的后果。根據(jù)高溫油泵機械密封結(jié)構(gòu)的分析，增強密封結(jié)構(gòu)的安全性和密封性能，可以從選用耐磨損的材質(zhì)、優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)及機械系統(tǒng)，優(yōu)化金屬管道的熱處理工藝等多個方面入手，增強密封結(jié)構(gòu)連接縫及密封面的可靠性，加強高溫油泵機械密封結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，盡可能的延長高溫油泵機械元件及機械本身的使用壽命，加強設(shè)備維護及檢修，從而有效的確保高溫油泵機械在長期的高溫高壓環(huán)境運行下的安全性。

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