M100D型主泵二級(jí)密封失效分析

□王琳琳 付 勇 劉德軍 潘 翔 時(shí)宏磊 陳 松

一、機(jī)械密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

M100D型主泵機(jī)械密封由安裝在泵軸上的三級(jí)串聯(lián)機(jī)械密封組成，三級(jí)密封承擔(dān)壓降的情況如圖1所示。

(a)主泵密封結(jié)構(gòu)圖 (b)主泵密封壓力分布圖圖1 主泵密封結(jié)構(gòu)和壓力分布圖

二、二級(jí)密封失效概述及調(diào)查

2019年11月1日20點(diǎn)47分啟動(dòng)1RCP001PO主泵，各項(xiàng)參數(shù)在要求范圍內(nèi)。

21點(diǎn)31分1RCV036MD顯示一級(jí)密封泄漏量由0.09m3/h突降至0m3/h，約30s后主控閃發(fā)二級(jí)密封泄漏量高報(bào)警，二級(jí)密封泄漏量顯示達(dá)到163L/h。

21點(diǎn)34分，1RCV036MD顯示一級(jí)密封泄漏量由0m3/h開始上升至0.09m3/h。

2019年11月2日4點(diǎn)47分，一級(jí)密封泄漏突降至0m3/h，由于主控?zé)o報(bào)警，6點(diǎn)40分左右主控操縱員發(fā)現(xiàn)1RCV036MD顯示為0。

8點(diǎn)10分左右，運(yùn)行人員、維修人員進(jìn)入主泵房間，發(fā)現(xiàn)1RCP001PO三級(jí)機(jī)械密封漏水。

2019年11月3日開始對(duì)1RCP001PO主泵一二三級(jí)機(jī)械密封進(jìn)行檢查更換，發(fā)現(xiàn)二、三級(jí)盒式密封損壞，二級(jí)密封靜環(huán)全部磨損，并磨損至靜環(huán)座金屬表面；三級(jí)密封靜環(huán)磨損嚴(yán)重；一級(jí)密封未見異常。

三、參數(shù)趨勢(shì)分析

21:31分，1RCP001PO主泵一級(jí)密封泄漏從0.09m3/h下降至0m3/h，約40s后二級(jí)密封泄漏窄量程(1RCP123MD)突現(xiàn)波峰至約163L/h隨后震蕩下降至0，約1分鐘后二級(jí)密封泄漏寬量程(1RCP131MD)出現(xiàn)短時(shí)(約40s)流量顯示0.22252m3/h。一級(jí)密封泄漏降至0持續(xù)約3分鐘后恢復(fù)至初始值，如圖2所示。

圖2 一級(jí)密封泄漏第一次下降至0參數(shù)趨勢(shì)圖

21:45分左右，一級(jí)密封泄漏量在1分鐘內(nèi)出現(xiàn)多次泄漏量顯著下降后恢復(fù)的波動(dòng)，在此階段二級(jí)密封泄漏無顯示，如圖3所示。正常情況下一級(jí)密封泄漏顯著下降時(shí),二級(jí)密封泄漏應(yīng)有顯示。

圖3 一級(jí)密封泄漏量波動(dòng)參數(shù)趨勢(shì)圖

11月2日04:47左右，一級(jí)密封泄漏量徹底下降至0，同時(shí)軸位移從155μm上升至最高213μm左右。泵運(yùn)行至8:40分停運(yùn)，泵從啟動(dòng)到停運(yùn)總運(yùn)行時(shí)間約12小時(shí)。

四、機(jī)械密封失效原因推斷

1RCP001PO啟動(dòng)前通過圖4紅框所示的009BA進(jìn)行充水，347VP為常閉閥門，充水路徑如箭頭所示。

圖4 主泵二級(jí)密封背壓側(cè)充水示意圖

泵啟動(dòng)階段，主泵啟動(dòng)正常且1級(jí)密封泄漏流量穩(wěn)定。

21:31分左右，主泵啟動(dòng)后約44分鐘，二級(jí)密封打開約3分鐘且一級(jí)密封泄漏下降至0，約40s后二級(jí)密封泄漏窄量程突現(xiàn)波峰至約163L/h，隨后震蕩下降至0。該現(xiàn)象為非正常響應(yīng)，因?yàn)閺囊患?jí)密封動(dòng)、靜環(huán)表面的檢查情況可以確認(rèn)沒有發(fā)生摩擦，即一級(jí)密封的泄漏量是真實(shí)存在的。在這種情況下一級(jí)密封泄漏量顯示為0只能說明二級(jí)密封面由于某種原因開啟。一級(jí)密封的泄漏量將通過二級(jí)密封的泄漏管線，由二級(jí)密封泄漏管線上的窄量程流量計(jì)1RCP123MD測(cè)得。二級(jí)密封應(yīng)測(cè)得與之前一級(jí)密封泄漏量大致相同的值。

由于二級(jí)密封泄漏量無法通過泄漏管線排走，一級(jí)密封出口壓力(0.207Mpa)通過二級(jí)密封到達(dá)三級(jí)密封位置，而三級(jí)密封的開啟壓力為0.07Mpa，三級(jí)密封被打開，一級(jí)密封泄漏量上升通過三級(jí)密封殼。在此階段二、三級(jí)密封都是打開的。隨后二級(jí)密封正面壓力下降，3分鐘后二級(jí)密封閉合，一級(jí)密封泄漏量恢復(fù)。上述現(xiàn)象說明二級(jí)密封泄漏管線在泵運(yùn)行時(shí)不通，可以推斷出在1RCP001PO啟動(dòng)前二級(jí)密封背壓側(cè)未有效充滿水，啟動(dòng)后背壓側(cè)處于對(duì)空狀態(tài)，44分鐘后發(fā)生一次異常開啟，4個(gè)多小時(shí)后發(fā)生失效。

接觸式機(jī)械密封普遍應(yīng)用于各種水泵，單級(jí)接觸式機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)的背壓側(cè)都是沒有水進(jìn)行潤滑的對(duì)空側(cè)，只要?jiǎng)印㈧o環(huán)有注入水的存在就不會(huì)過熱，所以該推斷的正確性需進(jìn)行理論驗(yàn)證。

五、2.5MPa壓力平臺(tái)下一級(jí)密封的狀態(tài)

一級(jí)密封為流體靜壓型非接觸式密封，通過靜環(huán)端面的錐角及轉(zhuǎn)折半徑來調(diào)整控制一級(jí)密封的泄漏量。張翊勛[2]等對(duì)于一級(jí)密封流場(chǎng)進(jìn)行過深入的研究，其研究結(jié)果表明一級(jí)密封液膜在0.5～2.0MPa壓力區(qū)間最為敏感，液膜厚度為10.9～16μm，一級(jí)密封在該區(qū)間內(nèi)不能穩(wěn)定運(yùn)行。在2.5MPa壓力平臺(tái)下，一級(jí)密封液膜剛剛趨于穩(wěn)定狀態(tài)，泄漏量也處于較低水平。一級(jí)密封正常工況下的泄漏量正常值為0.182～1.363m3/h,2.5MPa壓力平臺(tái)僅為0.05～0.35m3/h，本次泄漏量為0.09m3/h。一級(jí)密封泄漏量為二級(jí)密封的注入量，所以在2.5MPa壓力平臺(tái)二級(jí)密封注入水量明顯低于正常工況。

六、二級(jí)密封溫度場(chǎng)的模擬

趙星宇等[1]對(duì)二級(jí)密封進(jìn)行了建模計(jì)算。二級(jí)密封動(dòng)、靜環(huán)的熱邊界如圖5所示。

(a)動(dòng)、靜環(huán)熱邊界 (b)動(dòng)、靜環(huán)溫度場(chǎng)圖5 二級(jí)密封動(dòng)、靜環(huán)熱邊界及溫度場(chǎng)

計(jì)算結(jié)果表明二級(jí)密封動(dòng)、靜環(huán)密封面出口處溫升最大，為48.087℃。在本次失效中一級(jí)密封泄漏水的溫度穩(wěn)定在40.482℃左右，疊加溫升后二級(jí)密封動(dòng)、靜環(huán)熱點(diǎn)處的溫度為88.569℃。在二級(jí)密封背壓側(cè)存在水可以正常建立背壓的情況下，二級(jí)密封動(dòng)、靜環(huán)熱點(diǎn)處的絕對(duì)壓力為0.169MPa，在該壓力下水的沸點(diǎn)為115℃，可以確保熱點(diǎn)處的水不會(huì)發(fā)生沸騰，動(dòng)、靜環(huán)可以在液膜穩(wěn)定的狀態(tài)下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)二級(jí)密封背壓側(cè)缺水，二級(jí)密封動(dòng)、靜環(huán)熱點(diǎn)處的絕對(duì)壓力降低至0.1MPa左右，在該壓力下水的沸點(diǎn)為100℃，同時(shí)空氣的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于水，會(huì)導(dǎo)致二級(jí)密封動(dòng)、靜環(huán)熱點(diǎn)溫度進(jìn)一步升高，超過100℃后熱點(diǎn)處的液膜會(huì)發(fā)生汽化。該汽化過程由溫度升高引起被稱為“沸騰”，由壓力降低引起被稱為“閃蒸”，背壓側(cè)缺水的效應(yīng)為沸騰和閃蒸雙重因素共同疊加。

魏龍[2]等對(duì)接觸式機(jī)械密封端面平均溫度耦合計(jì)算方法進(jìn)行了深入的研究，研究結(jié)果表明在穩(wěn)定工況下接觸式機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)產(chǎn)生的摩擦熱主要由動(dòng)、靜環(huán)的內(nèi)外表面?zhèn)鬟f給被密封介質(zhì)，傳熱效果取決于動(dòng)、靜環(huán)與被密封介質(zhì)之間的傳熱系數(shù)。

動(dòng)環(huán)內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)hri按式(1)計(jì)算。

(1)

動(dòng)環(huán)內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)hro按式(2)計(jì)算。

(2)

靜環(huán)內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)hsi按式(3)計(jì)算。

(3)

靜環(huán)外側(cè)傳熱系數(shù)hso按式(4)計(jì)算。

(4)

其中，λf為被密封介質(zhì)的熱導(dǎo)率，Pr為普朗特?cái)?shù)，ρ為被密封介質(zhì)的密度。

從上述公式中可以明顯看出，λf、Pr、ρ三個(gè)參數(shù)對(duì)于動(dòng)、靜環(huán)的傳熱系數(shù)影響非常大。當(dāng)二級(jí)密封背壓側(cè)缺水，動(dòng)、靜環(huán)背壓側(cè)的介質(zhì)由水變成空氣。在20℃常溫下水與空氣λf、Pr、ρ對(duì)比如表1所示。

表1 20℃常溫下水與空氣λf、Pr、ρ對(duì)比

從表1可以清楚地看出水與空氣λf、Pr、ρ差別明顯，雖然很難定量判斷出空氣側(cè)動(dòng)、靜環(huán)傳熱系數(shù)與水側(cè)動(dòng)、靜環(huán)傳熱系數(shù)的比值，但是可以定性地確定該比值可以小到忽略不計(jì)，即二級(jí)密封動(dòng)、靜環(huán)背壓側(cè)缺水的情況運(yùn)行該處熱量無法被有效導(dǎo)出。在這種情況下二級(jí)密封動(dòng)靜、環(huán)的溫度場(chǎng)將會(huì)發(fā)生明顯的變化。熱點(diǎn)溫度會(huì)變得更高超過100℃，液膜在沸騰和閃蒸雙重因素的作用下發(fā)生汽化，即在動(dòng)、靜環(huán)的表面形成汽、液兩相流。

清華大學(xué)王濤[3]等對(duì)于機(jī)械密封液膜汽化問題進(jìn)行了深入的研究，研究結(jié)果表明液膜的汽化會(huì)造成潤滑液膜的破裂，動(dòng)、靜環(huán)端面將發(fā)生干摩擦或震蕩造成機(jī)械密封失穩(wěn)，產(chǎn)生氣噴現(xiàn)象，迅速導(dǎo)致機(jī)封失效，在脆性材料上產(chǎn)生同心圓紋理，在韌性材料表面產(chǎn)生熱裂紋。本次二級(jí)密封失效模式與上述描述高度吻合，即可以通過理論推導(dǎo)驗(yàn)證原因推斷。

七、結(jié)語

通過對(duì)失效機(jī)械密封檢查確認(rèn)二級(jí)密封動(dòng)、靜環(huán)背壓側(cè)存在過熱現(xiàn)象，參數(shù)變化趨勢(shì)支持二級(jí)密封動(dòng)、靜環(huán)背壓側(cè)缺水的推斷，理論推導(dǎo)驗(yàn)證該推斷正確，可以確認(rèn)本次二級(jí)密封失效的根本原因?yàn)槎?jí)密封動(dòng)、靜環(huán)背壓側(cè)缺水。