機(jī)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(zé)任公司，四川成都 610500）

引言

低溫機(jī)械密封，泛指輸送液氧、液氮、液氬、LNG和溫度低于-80℃液態(tài)碳?xì)浠衔锏碾x心泵中使用的接觸型機(jī)械密封，其使用工作溫度最低為-196℃。迄今為止，這類機(jī)械密封國(guó)內(nèi)尚無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可借鑒。但社會(huì)生產(chǎn)實(shí)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(jī)械密封有關(guān)研發(fā)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的論述，在國(guó)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(jī)械密封的工作壽命有多長(zhǎng)？工作壽命的決定因素是什么？如何正確使用可以讓低溫機(jī)械密封壽終正寢？這是下文要研究的內(nèi)容。

1 國(guó)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(guó)外著名機(jī)械密封制造商對(duì)工作于液態(tài)氣體介質(zhì)中的低溫接觸型機(jī)械密封工作壽命的數(shù)據(jù)收集。

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

圖2 美國(guó)約翰克蘭公司工程師對(duì)25輛槽車機(jī)械密封的平均壽命（星期）的統(tǒng)計(jì)：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。籠統(tǒng)地公布收集的最短和最長(zhǎng)的低溫機(jī)械密封壽命數(shù)據(jù)：低溫機(jī)械密封工作壽命低于2 000 h。

圖2 的統(tǒng)計(jì)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(rèn)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(jì)學(xué)的數(shù)據(jù)指導(dǎo)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(jī)械密封的工作壽命有很大的差異。這是我們無(wú)法改變的。

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

我們發(fā)現(xiàn)之前德國(guó)、美國(guó)某些著名密封公司對(duì)此類機(jī)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(wú)法試驗(yàn)（國(guó)外所有生產(chǎn)廠亦然），只有依靠“現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)”。

我們參與并收集的杭氧某公司的壽命試驗(yàn)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(yù)冷結(jié)束開車計(jì)，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)0.5 h，停車。累計(jì)時(shí)長(zhǎng)500～550 h，即開車約1 000～1100 次。密封面配對(duì)為進(jìn)口人工合成高分子塑料（軟環(huán)）對(duì)淬硬不銹鋼（硬環(huán)）。

2 影響低溫機(jī)械密封工作壽命的因素

多年實(shí)踐總結(jié)，低溫機(jī)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(jī)械密封的品質(zhì)（波紋管材料，動(dòng)、靜環(huán)密封面材料選擇，低溫處理，自然時(shí)效和密封面的平直度）。

總結(jié)：僅就低溫接觸型機(jī)械密封而言，密封面選用進(jìn)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(duì)，其配對(duì)低溫機(jī)械密封壽命高于碳石墨和改性四氟（綠色、灰色等）配對(duì)不銹鋼或硬質(zhì)合金。

（3）安裝時(shí)適合的壓縮量

所有提供給客戶的低溫機(jī)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(yùn)輸槽車離心泵中的機(jī)械密封為例（法國(guó)Cryostar 公司的低溫機(jī)械密封型號(hào)：MFLC12/27.5）,提供的安裝壓縮值1.2～1.5 mm,對(duì)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(shí)取下限1.2 mm 以下，機(jī)封的閉合力減小，承壓力降低，機(jī)封易發(fā)生泄漏。

如果安裝時(shí)壓縮值取上限1.5 mm 以上，工作時(shí)密封面（動(dòng)、靜環(huán)端面間）可能會(huì)形成干摩擦，動(dòng)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(jī)械密封的工作壽命極短。

安裝時(shí)選取適合的安裝壓縮值，是為了保證工作時(shí)機(jī)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(jī)械密封有較長(zhǎng)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(yù)冷

低溫離心泵開車前預(yù)冷的操作，要求嚴(yán)謹(jǐn)有序，有條件的企業(yè)，已將這項(xiàng)工序改由計(jì)算機(jī)程序控制，效果很好。

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

預(yù)冷不充分除了造成泵軸急冷彎曲，泵精度破壞外，機(jī)械密封不能正常工作，同時(shí)因低溫離心泵開車無(wú)輸出，只能停車，再預(yù)冷，再開啟。這無(wú)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(chǎng)工作人員在保證泵的精度和脫脂的前提下，選擇安裝機(jī)械密封合適的壓縮量，開車前充分預(yù)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(jī)械密封承壓值內(nèi)，當(dāng)泵運(yùn)行時(shí)，葉輪輸送的是液體，不是氣體。這是低溫泵運(yùn)行前必須充分預(yù)冷的物理原則。工作時(shí)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(jī)械密封良好工作壽命的關(guān)鍵。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，低溫接觸型機(jī)械密封的工作壽命，目前沒有量化的指標(biāo)，但如何提供出符合生產(chǎn)實(shí)踐中優(yōu)秀的力學(xué)參數(shù)的機(jī)械密封，用嚴(yán)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(shí)，認(rèn)真地參考生產(chǎn)廠家提供的操作和安裝文件，給低溫機(jī)械密封提供正常的工作條件，這是現(xiàn)場(chǎng)操作人員要努力做好的工作。