機械密封在液態(tài)氣體中的工作壽命

陳勇

（成都仕倫密封有限責任公司，四川成都 610500）

引言

低溫機械密封，泛指輸送液氧、液氮、液氬、LNG和溫度低于-80℃液態(tài)碳氫化合物的離心泵中使用的接觸型機械密封，其使用工作溫度最低為-196℃。迄今為止，這類機械密封國內(nèi)尚無國家標準，也無國際標準可借鑒。但社會生產(chǎn)實踐中，此類產(chǎn)品已廣泛用于航天、空分、能源、冶金、制藥、電子、玻璃等產(chǎn)業(yè)輸送液態(tài)氣體的離心泵中。

低溫機械密封有關(guān)研發(fā)和實踐經(jīng)驗的論述，在國內(nèi)期刊和網(wǎng)絡(luò)上的交流鳳毛麟角，殊難一見。

接觸型低溫機械密封的工作壽命有多長？工作壽命的決定因素是什么？如何正確使用可以讓低溫機械密封壽終正寢？這是下文要研究的內(nèi)容。

1 國內(nèi)外有關(guān)研究情況

圖1、圖2為網(wǎng)絡(luò)上搜索所獲國外著名機械密封制造商對工作于液態(tài)氣體介質(zhì)中的低溫接觸型機械密封工作壽命的數(shù)據(jù)收集。

圖1 美國PPC公司副總的文章，發(fā)表在美國“泵和系統(tǒng)”期刊文載

圖2 美國約翰克蘭公司工程師對25輛槽車機械密封的平均壽命（星期）的統(tǒng)計：液氬6周，液氮14周，液氧25周

圖1未涉及低溫泵工作的工況參數(shù)和密封面材料?；\統(tǒng)地公布收集的最短和最長的低溫機械密封壽命數(shù)據(jù)：低溫機械密封工作壽命低于2 000 h。

圖2 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，未公布開停車總次數(shù)和密封面材料，留下許多想象空間。

所以，我們認為圖1、圖2 因收集的數(shù)據(jù)數(shù)量不夠多，公開的信息有明顯欠缺，不具統(tǒng)計學的數(shù)據(jù)指導意義，但可以管中窺豹視為參考。

它告訴我們：工作于不同的液態(tài)氣體介質(zhì)中低溫機械密封的工作壽命有很大的差異。這是我們無法改變的。

所有液態(tài)氣體的動力粘度極低，所以嚴格意義下均無潤滑能力，使用于其中的低溫機械密封比干摩擦狀態(tài)下的密封面間的磨損嚴重多倍（德國E.邁爾“機械密封”一書中，已有專門試驗論述）。

我們發(fā)現(xiàn)之前德國、美國某些著名密封公司對此類機械密封工作壽命描述為≥2000 h，現(xiàn)在均已取消。

界于條件，我們自己無法試驗（國外所有生產(chǎn)廠亦然），只有依靠“現(xiàn)場運行試驗”。

我們參與并收集的杭氧某公司的壽命試驗數(shù)據(jù)為：液氮、工作壓力0.5 MPa，軸徑35 mm,轉(zhuǎn)速3 000 r/min，只從泵預冷結(jié)束開車計，運行時長0.5 h，停車。累計時長500～550 h，即開車約1 000～1100 次。密封面配對為進口人工合成高分子塑料（軟環(huán)）對淬硬不銹鋼（硬環(huán)）。

2 影響低溫機械密封工作壽命的因素

多年實踐總結(jié)，低溫機械密封取得滿意工作壽命的關(guān)鍵條件是下面的內(nèi)容：

（1）低溫離心泵的精度（泵軸精度、軸承精度等）。

（2）低溫機械密封的品質(zhì)（波紋管材料，動、靜環(huán)密封面材料選擇，低溫處理，自然時效和密封面的平直度）。

總結(jié)：僅就低溫接觸型機械密封而言，密封面選用進口人工合成超高分子材料（紅環(huán)）和某種硬度不銹鋼是工作于液化氣體介質(zhì)中最好的密封面配對，其配對低溫機械密封壽命高于碳石墨和改性四氟（綠色、灰色等）配對不銹鋼或硬質(zhì)合金。

（3）安裝時適合的壓縮量

所有提供給客戶的低溫機械密封，都有書面文件提供安裝壓縮量范圍，以常見的低溫運輸槽車離心泵中的機械密封為例（法國Cryostar 公司的低溫機械密封型號：MFLC12/27.5）,提供的安裝壓縮值1.2～1.5 mm,對工作壓力0～0.6 MPa 的槽車而言，適合的安裝壓縮量是1.3～1.4 mm。

如果安裝時取下限1.2 mm 以下，機封的閉合力減小，承壓力降低，機封易發(fā)生泄漏。

如果安裝時壓縮值取上限1.5 mm 以上，工作時密封面（動、靜環(huán)端面間）可能會形成干摩擦，動環(huán)（硬環(huán)）端面迅速磨成凹槽，靜環(huán)（軟環(huán)）迅速磨損。密封面的平直度、光滑度一旦破壞，干摩擦現(xiàn)象將不可逆，機械密封的工作壽命極短。

安裝時選取適合的安裝壓縮值，是為了保證工作時機械密封的密封面間始終保持在臨界摩擦狀態(tài)（有不連續(xù)的液膜存在），低溫機械密封有較長的工作壽命。

（4）開車前，低溫離心泵及管線、閥門等環(huán)境必須充分預冷

低溫離心泵開車前預冷的操作，要求嚴謹有序，有條件的企業(yè)，已將這項工序改由計算機程序控制，效果很好。

不少企業(yè)還是現(xiàn)場人工操作，人工操作可靠的少，不可靠的多。預冷不充分，這是很多低溫機械密封工作壽命降低的主要原因。

預冷不充分除了造成泵軸急冷彎曲，泵精度破壞外，機械密封不能正常工作，同時因低溫離心泵開車無輸出，只能停車，再預冷，再開啟。這無謂地增高了開車成本。

工作于氣液兩相的液態(tài)氣體中的低溫離心泵，現(xiàn)場工作人員在保證泵的精度和脫脂的前提下，選擇安裝機械密封合適的壓縮量，開車前充分預冷，將泵體、管線、閥門等的環(huán)境溫度，降至輸送液態(tài)氣體介質(zhì)入泵的汽化壓力在機械密封承壓值內(nèi)，當泵運行時，葉輪輸送的是液體，不是氣體。這是低溫泵運行前必須充分預冷的物理原則。工作時將泵體內(nèi)產(chǎn)生的攪拌熱和摩擦熱讓輸送流體帶出泵外，是低溫機械密封良好工作壽命的關(guān)鍵。

3 結(jié)語

綜上所述，低溫接觸型機械密封的工作壽命，目前沒有量化的指標，但如何提供出符合生產(chǎn)實踐中優(yōu)秀的力學參數(shù)的機械密封，用嚴格規(guī)范的生產(chǎn)工藝，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，是制造廠家努力的方向。

與此同時，認真地參考生產(chǎn)廠家提供的操作和安裝文件，給低溫機械密封提供正常的工作條件，這是現(xiàn)場操作人員要努力做好的工作。