高速泵機(jī)械密封故障研究

尤靜輝，劉 曉

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176）

0 引言

高速泵又稱高速部分流泵，廣泛應(yīng)用于石化及航空航天等領(lǐng)域，如液氮、液氨和液化石油氣等易氣化介質(zhì)的輸送[1]。離心泵的組成部分包括電機(jī)、增速器和泵，利用增速齒輪、皮帶增速和變頻器來實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。泵的內(nèi)過流部件一般包括誘導(dǎo)輪、葉輪、壓水室、導(dǎo)流支座等[2]，結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良。泵的密封裝置主要有靜密封和動(dòng)密封兩類（表1）。

表1 密封種類和具體形式

目前世界上主流的軸密封方法為機(jī)械密封（圖1），其具有壽命長、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代工業(yè)泵行業(yè)最受歡迎的密封方式[3]。機(jī)械密封又稱端面密封，是一種用于旋轉(zhuǎn)軸和泵機(jī)之間的密封裝置，由至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線端面的流體壓力與補(bǔ)償機(jī)構(gòu)在彈力作用以及輔助密封的配合下保持貼合，防止流體泄漏的裝置[4]。

圖1 機(jī)械密封的基本結(jié)構(gòu)形式

機(jī)械密封根據(jù)零部件相對運(yùn)動(dòng)是否接觸可以分為接觸式和非接觸式兩大類，二者的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)見表2。影響機(jī)械密封性能的因素有很多，不同槽型的密封效果也有很大不同。載荷是影響密封效果的重要因素，溫度也在很大程度上影響著機(jī)械密封的性能。密封所使用的介質(zhì)及工作一段時(shí)間后介質(zhì)中的雜質(zhì)會對密封件造成影響，導(dǎo)致機(jī)械密封失效。還有一個(gè)重要因素是機(jī)械密封零部件的加工與設(shè)計(jì)，提高加工精度可以提高密封性能。

表2 接觸式與非接觸式機(jī)械密封對比

機(jī)械密封在工作過程中會出現(xiàn)各種各樣的問題，機(jī)械密封的檢測也需要各種各樣的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)。我國的機(jī)械密封發(fā)展起步比較晚，但取得了很大的進(jìn)步，機(jī)械密封技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品未來將會逐漸的系統(tǒng)化、高端化和智能化。

在石油化工企業(yè)中，高速泵主要用于一些流量小、揚(yáng)程高的生產(chǎn)場合，在經(jīng)過長期運(yùn)行之后會出現(xiàn)一定程度的磨損，不可避免地導(dǎo)致機(jī)械密封性能下降，最終導(dǎo)致密封失效、產(chǎn)生泄漏[5]。

高速泵用的機(jī)械密封一般構(gòu)成形式有：①介質(zhì)密封；②增速箱密封；③高位油罐密封。高速泵機(jī)械密封失效的位置一般出現(xiàn)在軸套與軸之間、動(dòng)環(huán)與軸套之間、動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間、靜環(huán)與靜環(huán)座之間、密封端蓋與泵體之間等位置[6]。在旋轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)行中，密封端面經(jīng)常會出現(xiàn)磨損、熱裂、變形、破損等情況，彈簧也會出現(xiàn)松弛、斷裂和腐蝕等現(xiàn)象。輔助密封圈也會出現(xiàn)裂口、扭曲、變形、破裂等情況[7]。機(jī)械密封的故障表現(xiàn)及其原因有：①振動(dòng)、發(fā)熱；②介質(zhì)泄漏；③周期性或陣發(fā)性泄漏；④經(jīng)常性泄漏；⑤振動(dòng)偏大。

1 機(jī)械密封改進(jìn)案例分析

以某型苯加料泵為例，其流量為Q=2 m3/h，H=200 m，n=9900 r/min，機(jī)械密封為雙端面，動(dòng)環(huán)靠軸套、O 形圈的摩擦力傳動(dòng)，靜環(huán)為浮動(dòng)式，冷卻介質(zhì)為軟水，動(dòng)環(huán)平均線速度為18 m/s，密封機(jī)構(gòu)形式如圖2 所示。

圖2 密封結(jié)構(gòu)形式

該泵傳送的介質(zhì)為苯，介質(zhì)苯對橡膠材料的O 形圈有溶脹的影響，因此耐油橡膠密封圈使用壽命短，腐蝕和溶脹會很嚴(yán)重。密封結(jié)構(gòu)中動(dòng)環(huán)靠摩檫力傳動(dòng)，其中軸套與動(dòng)環(huán)之間的夾緊力靠葉輪螺母緊固產(chǎn)生，當(dāng)O 形圈被腐蝕后，會導(dǎo)致軸套與動(dòng)環(huán)之間的壓緊力減小，進(jìn)而導(dǎo)致螺母產(chǎn)生松動(dòng)的現(xiàn)象。動(dòng)環(huán)與軸套之間產(chǎn)生間隙會引起微量的相對運(yùn)動(dòng)，加速O 形圈和軸套的磨損。動(dòng)環(huán)所受夾緊力的變化會影響動(dòng)環(huán)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，產(chǎn)生振動(dòng)。動(dòng)環(huán)的振動(dòng)會傳到靜環(huán)，加快靜環(huán)的損壞。機(jī)械密封的壽命一般在30～60 d，有時(shí)甚至更短。機(jī)械密封的失效會導(dǎo)致所輸送介質(zhì)苯的泄漏，而介質(zhì)苯和冷卻水進(jìn)入增速箱，會導(dǎo)致齒輪打壞及軸承損壞，給檢修帶來了很大的困難，成本較高，同時(shí)會影響生產(chǎn)的持續(xù)性，造成經(jīng)濟(jì)損失。另外，動(dòng)環(huán)與軸之間也會產(chǎn)生相對滑動(dòng)，導(dǎo)致高速軸磨損、損壞。高速軸加工難度大、采購周期長，檢修更換成本高、困難大。

結(jié)合密封結(jié)構(gòu)對故障情況進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致機(jī)械密封失效的主要原因是動(dòng)環(huán)與高速軸的之間的傳動(dòng)方式存在不合理之處，傳動(dòng)過程中動(dòng)環(huán)與高速軸之間出現(xiàn)滑動(dòng)而導(dǎo)致一系列問題的出現(xiàn)。為了防止動(dòng)環(huán)與高速軸之間的相對滑動(dòng)，將動(dòng)環(huán)與高速軸之間的傳動(dòng)方式改為銷傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)形式改動(dòng)如圖3 所示。選用直徑為6 mm 的鋼珠作為傳動(dòng)銷，需要在高速軸的外徑上開孔，在動(dòng)環(huán)上開槽。由于動(dòng)環(huán)需要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，考慮到開槽之后可能會影響動(dòng)環(huán)的動(dòng)平衡，如果動(dòng)環(huán)的內(nèi)徑較小則不需考慮動(dòng)平衡問題，如果動(dòng)環(huán)內(nèi)徑較大可以在內(nèi)環(huán)面上對稱開槽。本文中動(dòng)環(huán)內(nèi)徑較小，可以不用考慮動(dòng)環(huán)動(dòng)平衡的問題。實(shí)際應(yīng)用證明，本次改進(jìn)達(dá)到了預(yù)期效果，消除了動(dòng)環(huán)與高速軸之間的相對滑動(dòng)，避免了故障的發(fā)生。

圖3 結(jié)構(gòu)形式改動(dòng)

2 應(yīng)用效果及展望

通過本次改進(jìn)，泵的機(jī)械密封壽命大幅度延長，從原來的30～60 d 延長至半年以上，減少泵因故障導(dǎo)致的停機(jī)，保證了產(chǎn)線生產(chǎn)的連續(xù)性，為企業(yè)節(jié)省成本。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)中，靜環(huán)一般采用石墨材料，動(dòng)環(huán)的壽命是靜環(huán)壽命的2 倍以上，所以該改進(jìn)具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

機(jī)械密封涉及摩擦學(xué)、流體靜力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等學(xué)科的知識，計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)今后會在密封方面大量應(yīng)用，推動(dòng)人們更加深入地理解密封的本質(zhì)。信息化也是未來的發(fā)展趨勢，機(jī)械密封在信息化時(shí)代將會實(shí)現(xiàn)更加方便的快速監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)測，自動(dòng)控制技術(shù)也將逐漸在機(jī)械密封中應(yīng)用，未來的機(jī)械密封裝置會更加智能化。表3 匯總了已有的和預(yù)期可以實(shí)現(xiàn)的機(jī)械密封智能化發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，也可能會出現(xiàn)新型的高效密封技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械密封技術(shù)。

3 結(jié)束語

綜上所述，機(jī)械密封在很多工業(yè)領(lǐng)域都起著至關(guān)重要的作用，智能化是其未來發(fā)展的重要方向之一。目前已經(jīng)具有一定的技術(shù)基礎(chǔ)，但很多關(guān)鍵問題還需要進(jìn)一步探索研究。機(jī)械技術(shù)與AI 技術(shù)、傳感器技術(shù)將會更加深入地交叉融合，成為機(jī)械密封技術(shù)的強(qiáng)大的推動(dòng)力，使機(jī)械密封技術(shù)在未來的裝備中發(fā)揮更大的價(jià)值。