熱水泵機械密封泄露分析與改造方案

文/賀子華

熱水泵機械密封失效原因以及改造的具體方案——就某熱水泵機械密封的改造實例，以結(jié)合實際解決問題為前提，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、沖洗方案等方面進(jìn)行分析，闡述其運行中失效的具體原因，并根據(jù)用戶要求針對性地改進(jìn)機械密封的結(jié)構(gòu)，確保其達(dá)到長周期使用的效果，為化工行業(yè)熱水泵的密封技術(shù)提供參考及支持。

機械密封是流體機械和動力機械中不可或缺的零部件，對機械設(shè)備、乃至整個生產(chǎn)線的影響都很大，對保證設(shè)備運轉(zhuǎn)可靠、裝置連續(xù)生產(chǎn)具有重大意義。機械密封穩(wěn)定運行是其工作參數(shù)與運行環(huán)境來決定的，為確保機械密封安全、可靠、長期地運行，機械密封結(jié)構(gòu)及輔助系統(tǒng)的選擇不容失誤。

機械密封的設(shè)計，是根據(jù)機械設(shè)備的密封介質(zhì)及使用工況來確定的，而輔助系統(tǒng)也是機械密封必不可少的重要組成部分。對于特殊工況，為機械密封選擇合適的輔助系統(tǒng)是保障機械密封長周期運行的前提。

本文將以某熱水泵機械密封泄露的改造實例，從設(shè)備使用工況、介質(zhì)性質(zhì)、機械密封結(jié)構(gòu)、輔助系統(tǒng)等方面進(jìn)行分析，找出運行中密封失效的原因，并給出改進(jìn)方案。為化工行業(yè)熱水泵的密封技術(shù)提供參考及支持。

設(shè)備工況條件

熱水泵

該熱水泵是生產(chǎn)工藝流程的關(guān)鍵設(shè)備，是為聚氯乙烯生產(chǎn)工藝中提供所需要的熱水。

設(shè)備工況

設(shè)備工況如表1所示。

表1 設(shè)備工況

機械密封及輔助系統(tǒng)

該熱水泵原機械密封采用雙端面、平衡型、靜止式、集裝式機械密封結(jié)構(gòu)機械密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機械密封結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)場拆解機械密封后發(fā)現(xiàn)：介質(zhì)端密封環(huán)熱裂，部分密封圈變形失效。

國內(nèi)外熱水泵機械密封的首選沖洗方案為Plan23，此沖洗方案可有效改善機械密封的運行環(huán)境，使機械密封運行工況由熱水變?yōu)榈蜏厮?，為長周期穩(wěn)定運行提供了保障。但設(shè)備現(xiàn)場不具備相應(yīng)的條件，同一工位設(shè)備均采用Plan54沖洗方案，應(yīng)用戶要求沿用該方案。

改造后機械密封采用單端面、平衡型、旋轉(zhuǎn)式、集裝式機械密封結(jié)構(gòu)，機械密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機械密封結(jié)構(gòu)示意圖

泄露原因分析

機械密封運行會產(chǎn)生大量的熱量，輔助系統(tǒng)沒辦法將這些熱量有效帶走，會直接影響機械密封的使用壽命。此工況下的熱水，當(dāng)動靜環(huán)之間不能有效形成液膜時，摩擦熱會加劇，使得密封環(huán)產(chǎn)生熱裂，從而導(dǎo)致機械密封的失效。密封圈變形則是由于長時間處于高溫之中造成的。

密封環(huán)熱裂的原因是密封端面局部熱量過高，此熱量一部分來自介質(zhì)，另一部分來源于密封環(huán)端面之間的摩擦。原機械密封大氣端設(shè)計采用外裝式結(jié)構(gòu)，輔助系統(tǒng)為Plan54方案，結(jié)構(gòu)上使得沖洗水壓力在一定程度上受限，沖洗水壓力不能太高，否則大氣端容易泄露，所以使得沖洗水壓力較低，造成沖洗不到位，無法有效進(jìn)行換熱。

密封材料選擇

機械密封技術(shù)的水平與材料選擇有著密切的聯(lián)系。熱水工況較為特殊，水在一定溫度及壓力下會發(fā)生閃蒸，潤滑性變差。動靜環(huán)應(yīng)選用自潤滑性較好的材料進(jìn)行配對，動環(huán)材質(zhì)選擇碳石墨，靜環(huán)材質(zhì)為碳化硅。輔助密封圈應(yīng)選擇耐高溫水解的三元乙丙橡膠，其余零部件材料與原機械密封選材一致。

熱交換熱計算

熱交換的過程主要依靠輔助系統(tǒng)來實現(xiàn)的，換熱效率直接影響機械密封的穩(wěn)定運行。為保證換熱效率，需要計算機械密封產(chǎn)生熱量、熱傳導(dǎo)熱量和沖洗液流量。

傳導(dǎo)熱

機械密封的密封腔與冷卻腔中的液體存在溫差，密封腔的溫度傳導(dǎo)至冷卻腔，由冷卻腔中的液體帶走熱量。假設(shè)在傳導(dǎo)過程中溫度不變，則可用下式計算：

式中Qhs—熱傳導(dǎo)熱量,W；U—材料特性系數(shù)；A—傳熱面積,mm2；Db—密封平衡直徑,mm；ΔThs—密封腔與冷卻腔的溫差,℃；

根據(jù)機械密封零部件的材質(zhì)，取熱導(dǎo)率U×A=0.00025進(jìn)行計算，最終得出該機械密封的傳導(dǎo)熱約為5 kW。

沖洗流量

在算出密封產(chǎn)生的熱量后，可由下式計算輔助系統(tǒng)沖洗液 流量：

為保持機械密封良好的運行環(huán)境，在進(jìn)行沖洗量計算時，沖洗流量安全系數(shù)按2倍來進(jìn)行計算。由上述計算可知機械密封的換熱總功率約為7.8 kW，沖洗液流量為6.6 L/min。

結(jié)論

通過對熱水泵機械密封的泄露分析、結(jié)構(gòu)改進(jìn)、換熱計算等研究，為熱水工況下密封設(shè)計提供了思路，給出了密封功耗及熱交換的計算方法，為化工行業(yè)熱水泵的密封技術(shù)提供參考及 支持。

在此特別提出，本次改型機械密封通過對其結(jié)構(gòu)及材料的優(yōu)化設(shè)計，基本滿足當(dāng)前工況的使用，相比于Plan23沖洗方案來講，其經(jīng)濟性、適用性更好。 ●