低溫泵用干氣密封應(yīng)用及計算

董輝

（丹東克隆集團有限責(zé)任公司，遼寧丹東 118000）

國內(nèi)某化工裝置，多個釜下輸送泵，生產(chǎn)用于醫(yī)藥行業(yè)的低溫冷劑，溫度零下40℃，進料及卸車壓力根據(jù)工藝需求，各泵腔壓力由0.2MPa～1.0MPa不等，原密封結(jié)構(gòu)為3CW-FB，采用API 53B+62（蒸汽）方案，隔離介質(zhì)壓力1.2MPa。

1.原密封在使用中存在的問題

（1）一級密封采用的彈簧蓄能密封圈，與之配合滑移面出現(xiàn)整圈磨損而發(fā)生泄漏。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為是工藝波動造成致動圈在軸向循環(huán)運動導(dǎo)致磨損的發(fā)生，因此將責(zé)任歸咎于用戶問題。而實際上是摩擦副在每一次軸向運動循環(huán)里蓄能圈在以“章動”的形式運動，若滑移面硬度及粗糙度未特殊設(shè)計，密封點處便會出現(xiàn)窄而清晰磨痕，這并非工藝波動問題。也就是說只有剛度和運動足夠大，蓄能圈才會發(fā)生滑動現(xiàn)象，受到滑動摩擦也就是常見的載荷突變和啟動階段。（后續(xù)將會給出解決方案）

（2）一級密封承磨臺快速磨損。對于密封設(shè)計而言，我們希望達到的目標(biāo)是使密封面找到一個平衡位置，使得密封面幾乎不接觸或在高粘流體條件下間隙的大小只允許有限的摩擦生熱。而在發(fā)生過度磨損時，傳統(tǒng)設(shè)計理念一般采用在原端面參數(shù)的基礎(chǔ)上降低平衡比或接觸環(huán)帶變窄等方式進行解決，雖然這是改善過度摩損的方法之一，但這并不是合理的解決方案。設(shè)計人員需清楚的認(rèn)識到，載荷是由作用在邊界和界面上的壓力引起的；撓度是由溫度分布或熱負(fù)荷、壓力負(fù)荷、圓周效應(yīng)和集中負(fù)荷引起的。“優(yōu)化設(shè)計”過程中僅通過改變設(shè)計參數(shù)而不考慮因結(jié)構(gòu)引起的變形是過于片面的設(shè)計理念，這可能會犧牲一定的使用壽命及降低泄漏的承受標(biāo)準(zhǔn)。下面簡單舉例說明：

該密封為某進口密封廠的成熟產(chǎn)品，經(jīng)某國內(nèi)廠家修復(fù)后（更換了石墨補償環(huán)）出現(xiàn)短期過度磨損失效，返廠優(yōu)化后（降低平衡比及環(huán)帶變窄）磨損情況改善但泄漏量超標(biāo)。原因是2個非關(guān)鍵尺寸測繪有誤超差±0.2mm，致使端面因環(huán)體結(jié)構(gòu)參數(shù)改變而導(dǎo)致端面產(chǎn)生變形。經(jīng)重新計算調(diào)整后達到原機封使用效果，而未通過降低平衡比及環(huán)帶變窄的方式解決。

對于有限元的計算分析而言，有圖形顯示的網(wǎng)格、網(wǎng)格節(jié)點和單元、傳熱邊界、壓力邊界、材料區(qū)域、等溫線、溫度引起的撓度、壓力引起的撓度、總?cè)毕?、?yīng)力分布和安全系數(shù)等都可呈現(xiàn)出來。同樣還可以得到應(yīng)力、撓度和溫度的表格結(jié)果。并根據(jù)流、固、熱三者耦合迭代出計算數(shù)據(jù)，然后進行優(yōu)化或改型。

釜下輸送泵密封有限元計算后結(jié)果圖形如下圖所示。

載荷突變和啟動階段——在給運轉(zhuǎn)狀態(tài)下還未磨損時。

從模型結(jié)果可以看出，穩(wěn)態(tài)時由于溫度引起端面收斂變形使內(nèi)孔長期磨損，在停車期間壓力變形使端面產(chǎn)生負(fù)錐度，再次啟動初期因錐度使端面間隙發(fā)散外圓開始磨損，直達穩(wěn)態(tài)后內(nèi)孔繼續(xù)磨損，周而復(fù)始使承磨臺快速消耗。但總的趨勢還是收斂接觸，端面間隙為正向錐度。需注意的是，由于密封尺寸相對較小，相對而言密封的耐受性有所提高，若擴大規(guī)格，失效情況將更為嚴(yán)重。

由于工藝路線升級，不允許有任何隔離液體混入工藝介質(zhì)，以保證產(chǎn)品純度，因此建議更改為干氣密封，采用惰性氣體氮氣作為隔離流體。保證工藝生產(chǎn)的同時，還能滿足綠色工廠的倡導(dǎo)。

2干氣密封在低溫泵中應(yīng)用

目前該裝置已全部更換為雙端面干氣密封，使用情況達到預(yù)期效果，下面對密封設(shè)計逐一介紹（部分設(shè)計數(shù)據(jù)不予公開）。

2.1 難點

（1）設(shè)計目標(biāo)是希望理想的膜厚盡量大一些，以確保運行中沒有嚴(yán)重的接觸發(fā)生。但實際過程中外界干擾因素太多，因此我們的目標(biāo)是確保密封在發(fā)生磨損、工況變化、擾動、軸不對正和振動等條件下仍能維持理想膜厚。

（2）輔助密封的材料選擇。理想的材料是橡膠O形圈，但在低溫工況下，橡膠材質(zhì)難以發(fā)揮理想的功能，會有硬化趨勢，根據(jù)Wensel等人的實驗數(shù)據(jù)得出，過高的硬度對橡膠圈的摩擦系數(shù)及滑動摩擦力影響甚大，因此采用彈簧蓄能密封圈。但接觸式密封以往失效案例中發(fā)現(xiàn)，輔助密封發(fā)生章動時對滑移面影響較大，需要提高滑移面表面硬度及粗糙度是非常有必要的，采用滑移面堆焊硬質(zhì)合金并使之粗糙度達到較高精度要求。對于彈簧制動密封圈的尺寸選擇也是極為重要，普通的形式是難以滿足嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計需求，我們需要對致動圈提出更加嚴(yán)格的性能及尺寸要求，而不能籠統(tǒng)地一概而論。

（3）輔助密封結(jié)構(gòu)的選擇。以往的使用中，我們更多的是對補償環(huán)采用徑向密封形式，密封可靠結(jié)構(gòu)簡單。但在低溫下，受材料本身影響會加大補償阻力，造成追隨性不良，尤其對于干氣密封而言，彈簧力相對較小，我們需要對滑動輔助密封進行受力計算，達到合理的設(shè)計要求。

2.2 設(shè)計

（1）結(jié)構(gòu)選擇：密封結(jié)構(gòu)采用3NC-FF，隔離流體為1.2MPa氮氣，并保持始終高于泵腔壓力0.2MPa以上，避免反壓操作，以保證工藝介質(zhì)相對大氣零泄漏或零逸出，同時氮氣也不會影響工藝介質(zhì)的純度與質(zhì)量。

（2）追隨性：輔助密封采用填充有石墨成份的聚四氟乙烯彈簧蓄能密封圈，推環(huán)滑移表面堆焊鎳基硬質(zhì)合金。由于推環(huán)質(zhì)量的增加，因此我們必須考慮補償組件的追隨性問題，即軸高速旋轉(zhuǎn)時，動環(huán)發(fā)生軸向位移（包括振擺），補償環(huán)在彈簧力的作用下仍能與動環(huán)貼合的能力。

經(jīng)計算：靜環(huán)組件的補償頻率高于設(shè)備轉(zhuǎn)速的2.72倍，重量的增加不會引起追隨性不良的問題。彈簧的選擇也必須選擇大剛度彈簧，數(shù)量也需要盡量多，以滿足良好追隨的目的。

（1）補償環(huán)的靜密封點選擇：靜密封點的選擇需考慮槽型尺寸的設(shè)計，大的前提是必須高于滑移徑尺寸。具體尺寸必須借助有限元軟件的精確計算，否則對補償環(huán)壓力及溫度的加載會產(chǎn)生極大影響。

（2）環(huán)體結(jié)構(gòu)選擇：

相對于原設(shè)計結(jié)構(gòu)的分析，此結(jié)構(gòu)的平衡比與彈簧比壓等參數(shù)皆滿足于工況要求，但經(jīng)過有限元迭代后發(fā)現(xiàn)，變形并不理想，而后期試驗驗證中也未能通過，失效情況與軟件分析趨勢一致。究其原因經(jīng)計算后得出，端面經(jīng)變形后為發(fā)散膜狀態(tài)，承載力曲線在發(fā)散狀況下具有負(fù)剛度性質(zhì)，并且不能保持一個穩(wěn)定的狀態(tài)，所以在這種情形下，流體膜會破裂而形成發(fā)散接觸。我們的設(shè)計目標(biāo)是希望存在一個收斂的流體膜，這樣便能形成一個傾斜的曲線，減小膜厚而增大承載能力，這種效果便稱作具有正剛度，也有希望會形成一個穩(wěn)定的非接觸的結(jié)果。因此，傳統(tǒng)的計算方法并不能全面的應(yīng)對密封設(shè)計，尤其是接觸式濕式密封，短期內(nèi)甚至可達到肉眼不可見泄露的標(biāo)準(zhǔn)，但長周期運行下必然導(dǎo)致嚴(yán)重后果，另外也不能僅僅依靠試驗驗證來作為長期運行的可靠依據(jù)。

（3）有限元計算：

images/BZ_81_142_938_1193_993.pngimages/BZ_81_142_1047_1193_2246.pngP C值 0.104MPa反壓極限壓力 1.36MPa（腔壓正常1MPa）

（4）設(shè)計關(guān)鍵點：

1）槽形設(shè)計：經(jīng)計算與試驗驗證，螺旋槽在該工況的流體動壓效應(yīng)下，可在槽底形成1.36MPa左右高壓環(huán)帶區(qū)。設(shè)計關(guān)鍵在于螺旋角、槽數(shù)、槽深、槽底徑的計算，需要積累大量實踐經(jīng)驗才能初步設(shè)計，并通過有限元軟件的優(yōu)化設(shè)計，使端面在動態(tài)可以開啟的情況下，必須要達到最大流體動壓效應(yīng)，以保證具有足夠的氣膜剛度，來抵抗因工況變化、擾動、軸不對正和振動等因素，維持理想膜厚。

2）端面參數(shù)設(shè)計：最關(guān)鍵的參數(shù)在于壩長比與靜態(tài)平衡比，需合理計算得出，是影響端面狀態(tài)的關(guān)鍵性參數(shù)。

3）推環(huán)滑移密封處輔助密封結(jié)構(gòu)設(shè)計：對于徑向密封結(jié)構(gòu)，我們需要給出彈簧致動密封圈的精確尺寸，來滿足我們的設(shè)計需求，要校核配合面的機加工精度，5道以上的尺寸誤差就會對密封的補償能力產(chǎn)生極大的影響。該問題是我們?nèi)粘Ｖ凶钊菀缀鲆暤募毠?jié)，計算結(jié)果如下：

images/BZ_81_1252_1075_2303_1134.pngimages/BZ_81_1252_1193_2303_1252.png彈簧致動密封圈滑動摩擦力（壓縮引起） 11.83 N

靜環(huán)的壓力載荷分布關(guān)鍵取決于靜密封點的選擇，對干氣密封的影響尤為關(guān)鍵。

（5）現(xiàn)場應(yīng)用：

1）首先要解決氮氣氣源問題，穩(wěn)定、持續(xù)、干燥，現(xiàn)場采用中壓氮氣減壓供給。

2）灌泵前投用密封系統(tǒng)，使機封充滿氣體并使壓力達到操作壓力，維持不動，等啟泵后各項參數(shù)達到預(yù)期目即可，后期不需要維護，氮氣持續(xù)供給。

3 結(jié)論

合理的密封設(shè)計需全面考慮流、固、熱三者耦合后的計算結(jié)果，設(shè)計參數(shù)與結(jié)構(gòu)變形二者更是相輔相成缺一不可。相對于以往的低溫泵設(shè)計，該密封結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能突出，可耐受更高的壓力參數(shù)，保證工藝介質(zhì)相對大氣零泄漏或零逸出。