水淬槽機(jī)械密封壽命分析與延長(zhǎng)措施

秦仙 馬續(xù)創(chuàng)

(1.寶鋼股份梅鋼公司冷軋廠，江蘇 南京 210039；2.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018)

連退機(jī)組是集清洗、退火、冷卻、平整、檢查重卷五大工藝于一體的高產(chǎn)量連續(xù)生產(chǎn)線(xiàn)。水淬槽位于退火工藝的出口處，由不銹鋼噴箱和自沉浸槽組成的槽子、不銹鋼主動(dòng)槽輥、機(jī)械密封、入口噴淋臺(tái)和出口噴淋臺(tái)等組成，用于快速冷卻帶鋼。其中，機(jī)械密封可保證水淬槽的水位，保證退火爐的出口壓力。如果機(jī)械密封失效，導(dǎo)致水淬槽內(nèi)液面過(guò)低或無(wú)液面，則退火爐的爐壓過(guò)小，氣流不會(huì)正常流向爐子入口，影響退火爐正常工作，可能會(huì)導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)氮?dú)庵苯恿飨蛩悴郏瑢?dǎo)致人員窒息事故[1]。因此，水淬槽機(jī)械密封的正常工作尤為重要。而國(guó)產(chǎn)水淬槽機(jī)械密封僅使用半年后泄漏超標(biāo)。

由JB/T 4127.1—2013[2]可知，水淬槽的進(jìn)口機(jī)械密封壽命已經(jīng)達(dá)到機(jī)械密封的上限水平，國(guó)產(chǎn)備件尚未達(dá)到JB/T 4172.1—2013標(biāo)準(zhǔn)的最低要求。為此，本文將針對(duì)水淬槽機(jī)械密封的工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)、工作原理和存在的問(wèn)題，根據(jù)磨損影響因素對(duì)機(jī)械密封壽命進(jìn)行分析，提出提高機(jī)械密封壽命的方法和建議。

1 水淬槽機(jī)械密封

1.1 工作環(huán)境

如圖1所示，水淬槽底部布置水池，水池內(nèi)安裝水淬輥；上部有兩個(gè)槽體，是冷卻帶鋼的通道。200℃的帶鋼從左側(cè)進(jìn)入水淬槽，經(jīng)過(guò)40℃入口冷水噴淋冷卻至73℃，再經(jīng)過(guò)底部47℃水池冷卻至66℃，最后經(jīng)過(guò)40℃的出口冷水噴淋冷卻至45℃。

圖1 水淬槽工作環(huán)境示意圖Figure 1 Operation environment of water quenching tank

機(jī)械密封位于水池水下大約1 m處，機(jī)械密封介質(zhì)的絕對(duì)壓力為大氣壓與1 m水深處水壓力之和。兩者壓力差等于1 m水造成的壓力，是水向外泄露的動(dòng)力源。假設(shè)其為Δp，則

Δp=ρgh≈0.01 MPa

式中，ρ為水的密度，ρ=1000 kg/m3；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；h為水深，h=1 m。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

水淬槽機(jī)械密封采用第三代機(jī)械密封，即集裝式機(jī)械密封[3-5]。集裝式密封是利用集裝箱將普通機(jī)械密封、軸套和密封壓蓋預(yù)先組合成一個(gè)整體，方便安裝與使用。其機(jī)構(gòu)和工作原理如圖2所示。

1—?jiǎng)迎h(huán)底座 2—彈簧底座密封圈 3—彈簧底座 4—?jiǎng)迎h(huán)5—靜環(huán) 6—靜環(huán)密封圈 7—端蓋 8—定位環(huán) 9—緊定螺釘10—螺栓 11—彈簧 12—?jiǎng)迎h(huán)底座密封圈 13—定位片圖2 集裝式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Configuration of container type mechanical seal

水淬槽的操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)各安裝一個(gè)集裝式機(jī)械密封，安裝時(shí)首先整體裝配于水淬槽端部軸孔，然后均勻擰緊螺栓，再均勻擰緊緊定螺釘，最后拆除定位片，機(jī)械密封就可以以預(yù)先設(shè)置好的彈簧比壓進(jìn)行工作。

1.3 工作原理

集裝式機(jī)械密封與普通機(jī)械密封的工作原理相同。工作時(shí)，由脫鹽水壓力和彈簧彈力引起的閉合力使動(dòng)環(huán)與靜環(huán)端面互相貼合，并在兩端面間極小的間隙中維持一層極薄的液膜。由于這層極薄的液膜具有流體動(dòng)壓力與靜壓力，因此，它一方面對(duì)端面起潤(rùn)滑作用，使之具有較長(zhǎng)的使用壽命，另一方面起著平衡壓力的作用，從而獲得良好的密封性能[6]。摩擦副表面磨損后，還能在彈簧的推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償[7]。

1.4 存在問(wèn)題

集裝式機(jī)械密封是冷態(tài)下預(yù)先調(diào)整好彈簧比壓的。在水淬輥上安裝機(jī)械密封的過(guò)程也是在室溫下進(jìn)行的。正常生產(chǎn)后，水淬輥?zhàn)娱L(zhǎng)期被高溫帶材包覆，實(shí)測(cè)溫度為80℃±1℃。輥?zhàn)佑捎谑軣岙a(chǎn)生一定量的熱膨脹量ΔL為：

ΔL=L×αt×ΔT=2.6 mm

式中，L為輥?zhàn)庸潭ǘ说讲僮鱾?cè)機(jī)械密封的長(zhǎng)度，L=2625 mm；αt為水淬輥(材質(zhì)1Cr18Ni9Ti)的線(xiàn)膨脹系數(shù)，αt=16.6×10-6mm/℃[8]；ΔT為輥?zhàn)拥臏厣=60℃。

在輥?zhàn)拥臒崤蛎涷?qū)使下，固定在輥?zhàn)由喜僮鱾?cè)的動(dòng)環(huán)底座移動(dòng)2.6 mm，導(dǎo)致機(jī)械密封內(nèi)部的彈簧施加在動(dòng)環(huán)上的力增加，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)表面的微凸體接觸壓力增加，磨損加劇，壽命降低。

2 機(jī)械密封壽命影響因素分析

水淬槽機(jī)械密封屬于接觸式機(jī)械密封。對(duì)接觸式機(jī)械密封，除液膜承受密封端面的壓力，密封端面的微凸體也分擔(dān)一部分端面壓力。例如相對(duì)膜厚λ=2～3 mm的混合摩擦狀態(tài)的機(jī)械密封，其微凸體接觸面積占端面面積的2%～0.1%。因此，仍然難以避免磨損，磨損是影響機(jī)械密封壽命的重要因素。相關(guān)的理論有以下四種。

(1)接觸壓力、摩擦系數(shù)、滑動(dòng)速度和溫度的任何程度的增高以及斷續(xù)工況都會(huì)降低使用壽命[9]。

(2)根據(jù)粘附磨損理論金屬材料的摩擦副的公式[10-11]：

(1)

式中，V為較軟的材料由于磨損所減少的體積；Z為磨損系數(shù)；PG為作用在摩擦副密封面上的壓緊力；W為磨過(guò)的行程；H為硬度。

從公式(1)可以看出較軟材料的磨損體積與密封面的壓緊力成正比，與磨損行程成正比，與材料硬度成反比。該理論與E邁爾[9]對(duì)接觸壓力、滑動(dòng)速度與壽命關(guān)系的描述是一致的。同時(shí)，也指出磨損量隨材料硬度的增加而減小。

(3)前蘇聯(lián)格魯別也夫研究了密封環(huán)熱裂的原因主要是環(huán)內(nèi)切向應(yīng)力導(dǎo)致環(huán)表面出現(xiàn)徑向裂紋，指出實(shí)際熱強(qiáng)度準(zhǔn)數(shù)不應(yīng)超過(guò)材料許用的熱強(qiáng)度準(zhǔn)數(shù)，并推導(dǎo)出不發(fā)生熱裂的熱強(qiáng)度準(zhǔn)數(shù)最大值(Pbv)max[12-13]為：

(Pbv)max=2λσb/(faαE)

(2)

式中，Pb為比壓；v為線(xiàn)速度；λ為導(dǎo)熱率；σb為抗拉強(qiáng)度極限；f為摩擦系數(shù)；a為密封環(huán)厚度；α為膨脹系數(shù)；E為彈性模量。

從公式(2)可以看出，機(jī)械密封的熱強(qiáng)度準(zhǔn)數(shù)與材料導(dǎo)熱率成正比，與材料抗拉強(qiáng)度成正比，與摩擦系數(shù)成反比，與膨脹系數(shù)成反比，與彈性模量成反比。

常用材料的熱強(qiáng)度準(zhǔn)數(shù)見(jiàn)表1。

表1 常用材料的熱強(qiáng)度準(zhǔn)數(shù)Table 1 Thermal intensity criterionsof general materials

(4)顧永泉[14]則將濕運(yùn)轉(zhuǎn)與干運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)分開(kāi)，提出一種壽命計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)方法：

①當(dāng)Pcv≤[Pcv]時(shí)，機(jī)械密封處于濕運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，按照公式t=Pcv/[Pcv]×15 000 h來(lái)估算壽命。

②當(dāng)Pcv>[Pcv]且Pgv≤[Pgv]時(shí)，機(jī)械密封處于干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，按照公式t=Pgv/[Pgv]×9 000 h來(lái)估算壽命。

③當(dāng)Pgv>[Pgv]時(shí)，機(jī)械密封不能正常工作。

式中，Pc為密封面比壓；v為線(xiàn)速度；Pg為密封面比載荷；[Pcv]為Pcv的許用值；[Pgv]為Pgv的許用值。

機(jī)械密封壽命的主要影響因素有：接觸壓力、摩擦系數(shù)、滑動(dòng)速度、溫度異常升高、啟停次數(shù)、材料熱強(qiáng)度準(zhǔn)數(shù)。這六個(gè)主要影響因素與機(jī)械密封壽命大小存在的規(guī)律為：

1)接觸壓力越小，壽命越長(zhǎng)；

2)摩擦系數(shù)越小，壽命越長(zhǎng)；

3)滑動(dòng)速度越小，壽命越長(zhǎng)；

4)溫度的異常升高會(huì)損害機(jī)械密封的壽命；

5)水淬輥的啟停次數(shù)越少，機(jī)械密封壽命越長(zhǎng)；

6)材料熱強(qiáng)度準(zhǔn)數(shù)越大，機(jī)械密封壽命越長(zhǎng)。

3 改進(jìn)措施分析與實(shí)驗(yàn)方案選擇

根據(jù)以上分析得出機(jī)械密封壽命的六個(gè)主要影響因素，分析改進(jìn)措施，并結(jié)合實(shí)際情況選擇實(shí)驗(yàn)方案。從上述六個(gè)主要影響因素來(lái)考慮改進(jìn)措施。

3.1 改進(jìn)措施分析

3.1.1 減小接觸壓力

減小接觸壓力可以延長(zhǎng)機(jī)械密封的壽命。具體措施：

(1)根據(jù)介質(zhì)溫度，手動(dòng)調(diào)整彈簧比壓，抵消熱膨脹導(dǎo)致的額外彈簧比壓。優(yōu)點(diǎn)是可行性較高，投資小，缺點(diǎn)是維護(hù)人員工作量大。

(2)減小彈簧剛度，從而減小彈簧比壓和彈簧比壓的變化量。

(3)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使PLC可以獲得介質(zhì)溫度，并根據(jù)介質(zhì)溫度自動(dòng)調(diào)整彈簧比壓。

(4)在密封端面上開(kāi)淺槽，使介質(zhì)產(chǎn)生動(dòng)靜壓效應(yīng)，抵消部分彈簧比壓，減小甚至徹底消除密封端面上微凸體的接觸，并利用上游泵送效應(yīng)將泄漏量甩回高壓側(cè)。

3.1.2 減小摩擦系數(shù)

采用摩擦系數(shù)更小的動(dòng)靜環(huán)材料，應(yīng)與后面的提高熱強(qiáng)度準(zhǔn)數(shù)的措施綜合考慮。

3.1.3 減小滑動(dòng)速度

這一點(diǎn)受機(jī)組速度和結(jié)構(gòu)的限制，難以改變?？梢試L試在強(qiáng)度與剛度滿(mǎn)足的條件下，減小機(jī)械密封安裝軸段的尺寸，從而使密封端面的相對(duì)滑動(dòng)速度減小。

3.1.4 避免溫度升高

水淬槽工藝要求使水溫維持在47℃左右，比室溫高27℃。這是水淬工藝的要求，無(wú)法改變。輥?zhàn)娱L(zhǎng)期被高溫帶材包覆，溫度在80℃±1℃。也無(wú)法改變。故這一措施無(wú)法實(shí)施。

3.1.5 減少啟停次數(shù)

應(yīng)盡量減少非必要的停機(jī)次數(shù)。這一點(diǎn)受實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀況限制，難以控制，可行性不高。

3.1.6 提高熱強(qiáng)度準(zhǔn)數(shù)

與前述的減小摩擦系數(shù)措施綜合考慮，希望能研發(fā)出更小摩擦系數(shù)、更高熱強(qiáng)度準(zhǔn)數(shù)的配對(duì)材料來(lái)代替現(xiàn)有的密封端面材料。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案選擇

總結(jié)以上措施，發(fā)現(xiàn)減小接觸壓力是可行性相對(duì)較高的方向。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，選取該方向的兩個(gè)措施作為實(shí)驗(yàn)方案。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)方案一：手動(dòng)調(diào)整彈簧比壓

在圖2彈簧底座的外周壁刻刻度線(xiàn)，在透蓋上設(shè)置標(biāo)尺和頂絲。常溫下，標(biāo)尺指向刻度線(xiàn)的零位。當(dāng)熱膨脹發(fā)生時(shí)，可以根據(jù)標(biāo)尺所指刻度線(xiàn)讀出熱膨脹量，調(diào)整頂絲，使刻度線(xiàn)重新指向零位，從而維持彈簧比壓。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)方案二：減小端面比壓

國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封備件的彈簧比壓由12根彈簧提供，彈簧材質(zhì)為合金276，切變模量76 GPa，絲徑?1 mm，中徑?5.2 mm，有效圈數(shù)13圈，壓縮量8.8 mm，代入圓柱壓縮彈簧壓力公式得：

F=NfGd4/(8nD3)=548.8 N

式中，F(xiàn)為總彈簧力，單位N；N為彈簧數(shù)量，N=12；f為壓縮量，f=8.8 mm；G為切變模量，G=76 GPa；d為絲徑，d=1 mm；n為有效圈數(shù)，n=13；D為彈簧中徑，D=5.2 mm。

動(dòng)環(huán)外徑d2=254 mm；動(dòng)環(huán)內(nèi)徑d1=245 mm；密封端面面積S=3527 mm2；平衡系數(shù)K=0.65。

介質(zhì)對(duì)端面造成壓力為：

F2=ΔpS(1-K)=12.3 N

端面比壓為：

Pc=(F1-F2)/S=0.15 MPa

端面比壓通常設(shè)計(jì)范圍0.1～0.3 MPa[7]，成大先[8]給出外裝式機(jī)械密封設(shè)計(jì)范圍0.15～0.4 MPa，但李繼和[7]提到對(duì)于低壓介質(zhì)，端面比壓可以擴(kuò)充到下限0.05 MPa。水淬槽工況介質(zhì)壓力低至0.01 MPa，符合該要求，故設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案二，降低端面比壓至0.05 MPa，降低接觸壓力。

實(shí)驗(yàn)方案二的具體內(nèi)容：將彈簧材料修改為不銹鋼316，切變模量G為69 GPa，絲徑?0.8 mm，中徑?5.2 mm，有效圈數(shù)13圈，壓縮量8.8 mm。代入圓柱壓縮彈簧壓力公式可知F3=204.1 N。

端面比壓Pc=(F3-F2)/S=0.05 MPa

4 實(shí)施情況

自2009年投產(chǎn)至2021年，操作側(cè)機(jī)械密封執(zhí)行實(shí)驗(yàn)方案一后，1.5年泄漏，執(zhí)行方案二后，至今未泄漏。根據(jù)JB/T 4127.1—2013[2]的規(guī)定：對(duì)于軸徑大于?50 mm的機(jī)械密封，泄漏量不超過(guò)5 ml/h。通常1 ml按20滴來(lái)估算，也就是100滴/h，約1.67滴/min。2014年9月以后的水淬槽操作側(cè)機(jī)械密封的泄漏量實(shí)際記錄情況見(jiàn)圖3。

圖3 操作側(cè)泄漏量趨勢(shì)圖Figure 3 Leakage tendency of operation side

根據(jù)圖3可以看出，國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封壽命原為半年，實(shí)驗(yàn)方案一將國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封壽命增加至原來(lái)3倍，實(shí)驗(yàn)方案二將國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封壽命增加至原來(lái)8倍。

5 結(jié)論

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，可以得出結(jié)論：

(1)手動(dòng)調(diào)整使彈簧比壓維持在出廠水平，可以提高機(jī)械密封的壽命。

(2)對(duì)壓力較低的介質(zhì)，可適當(dāng)減小彈簧的剛度，降低端面比壓，可以提高機(jī)械密封的壽命。

建議可以嘗試以下三種措施：

(1)增加檢測(cè)溫度的檢測(cè)元件和驅(qū)動(dòng)彈簧比壓變化的機(jī)械裝置，并配備自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

(2)在密封端面開(kāi)淺槽，使介質(zhì)產(chǎn)生動(dòng)靜壓效應(yīng)，抵消部分熱膨脹引起的彈簧比壓增加量，甚至徹底消除密封端面上微凸體的接觸，并利用上游泵送效應(yīng)將泄漏量甩回高壓側(cè)。

(3)更換熱強(qiáng)度準(zhǔn)數(shù)更高的材料。