機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

戴 偉，張普天，任福森

（丹東合盛密封有限公司，遼寧丹東 118000）

目前，石油煉化行業(yè)高溫?zé)嵊捅蒙蠌V泛采用波紋管機(jī)械密封［1］。波紋管機(jī)械密封在高溫狀態(tài)下運(yùn)行，存在著失彈、斷裂等問(wèn)題，會(huì)形成早期失效，引起介質(zhì)大量泄漏，嚴(yán)重影響生產(chǎn)［2-8］。因此，通過(guò)模擬波紋管機(jī)械密封現(xiàn)場(chǎng)工況，進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)認(rèn)證試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證其可靠性勢(shì)在必行。

API 682—2014 《離心泵和轉(zhuǎn)子泵用軸封系統(tǒng)》［9］中對(duì)密封產(chǎn)品的認(rèn)證試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，將密封產(chǎn)品認(rèn)證試驗(yàn)分為動(dòng)態(tài)階段、靜態(tài)階段和循環(huán)階段，這3 個(gè)試驗(yàn)階段應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，其間不能拆解密封。動(dòng)態(tài)階段應(yīng)在基點(diǎn)條件（0.8 MPa、260 ℃）和3 600 r/min 下至少連續(xù)運(yùn)行100 h，靜態(tài)階段應(yīng)在基點(diǎn)條件（0.8 MPa、260 ℃）和0 r/min（停轉(zhuǎn)）下至少保持4 h，循環(huán)階段應(yīng)在變溫和變壓條件下進(jìn)行。API 682—2014 已經(jīng)被我國(guó)引用，并轉(zhuǎn)化為GB/T 14211—2019《機(jī)械密封試驗(yàn)方法》［10］。目前，國(guó)外的密封生產(chǎn)廠家普遍采用高溫試驗(yàn)臺(tái)對(duì)高溫機(jī)械密封進(jìn)行認(rèn)證試驗(yàn)，采用蒸汽加熱和電加熱2 種形式，配置各類儀表采集信息。而國(guó)內(nèi)的密封生產(chǎn)廠家多配備常溫試驗(yàn)臺(tái)，不能有針對(duì)性地進(jìn)行高溫試驗(yàn)。為完成機(jī)械密封產(chǎn)品認(rèn)證試驗(yàn)的3 個(gè)階段，驗(yàn)證機(jī)械密封的可靠性，筆者研發(fā)了機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)，主要針對(duì)介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力、機(jī)械密封轉(zhuǎn)速這3 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)能在介質(zhì)（通常用導(dǎo)熱油）溫度0～400 ℃、壓力0～5 MPa，機(jī)械密封轉(zhuǎn)速0～6 000 r/min［3］內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這些參數(shù)范圍涵蓋了所有泵用高溫機(jī)械密封的現(xiàn)場(chǎng)使用工況條件，并能滿足試驗(yàn)要求。

1 機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［3］

所設(shè)計(jì)的機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)分別見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)主視圖

圖2 機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)后視圖

圖3 機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)左視圖

機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)由加熱系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、保壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)組成。加熱系統(tǒng)包括加熱瓦和安裝在控制柜上的溫控器，加熱瓦包裹在熱油罐上，可對(duì)熱油罐內(nèi)的導(dǎo)熱油加熱，熱電偶可精確測(cè)量導(dǎo)熱油的溫度［10］。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括變頻電機(jī)、軸承箱、膜片聯(lián)軸器，主要為試驗(yàn)機(jī)械密封提供設(shè)定的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速可以通過(guò)變頻器在0～6 000 r/min 調(diào)節(jié)。保壓系統(tǒng)包括蓄能器、手動(dòng)補(bǔ)液泵、管線2 和管線3（圖3），主要作用是為試驗(yàn)機(jī)械密封提供穩(wěn)定的壓力［10］。冷卻系統(tǒng)主要包括熱交換器及管線（圖1），可以對(duì)導(dǎo)熱油快速降溫。循環(huán)系統(tǒng)是由腔體、熱油罐、管線1（圖3）及閥門共同組成的一個(gè)封閉循環(huán)系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)包括壓力變送器、熱電偶、冷凝器及安裝在冷凝器下方的燒杯。

壓力變送器可精確顯示試驗(yàn)壓力，選擇量程時(shí)應(yīng)考慮盡量使正常工作點(diǎn)處于儀表全量程的中間［9］。機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)的所有系統(tǒng)和部件集成在箱體中，箱體由槽鋼做骨架，外表焊有面板，用地腳螺栓緊固，具有足夠的剛性和穩(wěn)定性［10］。變頻器和溫控器集成在控制柜中，起到調(diào)節(jié)試驗(yàn)參數(shù)的作用。支架1、支架2（圖3）用于固定熱油罐和蓄能器。

2 機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)工作原理

所設(shè)計(jì)的機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)工作原理示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)工作原理示圖

試驗(yàn)時(shí)，將機(jī)械密封裝入腔體中，沿軸向共裝2 套，靠近電機(jī)端是副密封，其作用是阻止熱油向電機(jī)方向泄漏，另一側(cè)是主密封，即試驗(yàn)機(jī)械密封。將機(jī)械密封緊固后打開(kāi)排氣孔，從注油漏斗開(kāi)始注入導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油會(huì)逐漸注滿熱油罐、腔體、熱交換器及連接管線所組成的封閉系統(tǒng)。排氣孔冒油后關(guān)閉閥門，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)充滿了導(dǎo)熱油。通過(guò)充氣工具將蓄能器氣囊的壓力調(diào)整到試驗(yàn)壓力的85%后（壓力低時(shí)接氮?dú)馄砍錃猓瑝毫Ω邥r(shí)放氣），用手動(dòng)補(bǔ)液泵繼續(xù)注油，導(dǎo)熱油開(kāi)始擠壓蓄能器氣囊，產(chǎn)生壓力，達(dá)到試驗(yàn)壓力時(shí)停止注油。此時(shí)，氣囊內(nèi)氮?dú)獾膲毫蜌饽彝鈱?dǎo)熱油的壓力是一致的。蓄能器氣囊能有效穩(wěn)定試驗(yàn)壓力，這是因?yàn)閷?dǎo)熱油加熱后體積膨脹，氣囊內(nèi)的氮?dú)饪捎行阵w積膨脹量，不論試驗(yàn)溫度如何變化，都能穩(wěn)定試驗(yàn)壓力。實(shí)踐表明，公稱體積越大，蓄能器穩(wěn)壓效果越好。本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)采用35 L 的蓄能器，穩(wěn)壓精度能達(dá)到±0.05 MPa。將溫控器調(diào)至試驗(yàn)溫度，啟動(dòng)加熱瓦開(kāi)始加熱，同時(shí)啟動(dòng)變頻電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可由變頻器調(diào)節(jié)，加熱后的導(dǎo)熱油由裝在副密封上的泵送環(huán)導(dǎo)入腔體內(nèi)，泵送環(huán)類似泵的葉輪，推動(dòng)導(dǎo)熱油循環(huán)。當(dāng)腔體內(nèi)的溫度達(dá)到試驗(yàn)溫度后，熱電偶將信號(hào)傳至溫控器，加熱瓦停止加熱。當(dāng)導(dǎo)熱油溫度比試驗(yàn)溫度低2.5 ℃時(shí)，加熱瓦再次啟動(dòng)，這樣反復(fù)循環(huán)，試驗(yàn)溫度精度始終保持在±2.5 ℃。蓄能器起到調(diào)節(jié)并穩(wěn)定試驗(yàn)壓力的作用，試驗(yàn)壓力由高精度的壓力變送器顯示，精度可達(dá)±2%。

試驗(yàn)臺(tái)上安裝有熱交換器，通過(guò)閥門切換后高溫導(dǎo)熱油進(jìn)入熱交換器的盤管內(nèi)，盤管外通入冷卻水，對(duì)導(dǎo)熱油進(jìn)行降溫，此時(shí)導(dǎo)熱油在腔體、熱交換器之間循環(huán)，加熱瓦不工作。試驗(yàn)表明，260 ℃的導(dǎo)熱油經(jīng)熱交換器冷卻后，能在30 min內(nèi)降至常溫，可模擬溫度劇烈變化對(duì)波紋管機(jī)械密封的影響及變溫情況。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的壓力變化可通過(guò)在蓄能器充放氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)械密封端面有微量的泄漏，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)的油量減少，壓力下降，需設(shè)置手動(dòng)補(bǔ)液泵，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)液，穩(wěn)定壓力。泄漏的導(dǎo)熱油在高溫下是氣態(tài)，為了測(cè)量機(jī)械密封的泄漏量，在腔體的下部設(shè)置冷凝器，泄漏的高溫導(dǎo)熱油經(jīng)冷凝器冷卻后進(jìn)入燒杯進(jìn)行測(cè)量。

在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，為了防止熱量散失，同時(shí)防止?fàn)C傷試驗(yàn)人員，試驗(yàn)臺(tái)的高溫部位需用巖棉進(jìn)行保溫處理。

3 變頻電機(jī)功率確定

機(jī)械密封總的摩擦消耗功率包括摩擦副的摩擦消耗功率Nf和攪拌消耗功率Na。假定使用極限參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，選用的耐高溫波紋管機(jī)械密封規(guī)格為120 mm（靜環(huán)內(nèi)孔直徑），試驗(yàn)介質(zhì)為油，試驗(yàn)壓力6 MPa，機(jī)械密封轉(zhuǎn)速5 000 r/min。

摩擦消耗功率計(jì)算公式為［11］：

其中

式（1）～式（4）中：Nf為摩擦消耗功率數(shù)值，單位kW；f 為摩擦副摩擦因數(shù)，試驗(yàn)機(jī)械密封副為石墨對(duì)SiC，其f=0.12［12］；pg為端面比壓數(shù)值，ps為彈簧比壓數(shù)值，p入為試驗(yàn)壓力數(shù)值，單位MPa；v 為端面平均線速度數(shù)值，單位m/s；A 為端面接觸面積數(shù)值，單位m2；K 為載荷系數(shù)，λ 為反壓系數(shù)；D1為摩擦副窄端面內(nèi)徑數(shù)值，D2為摩擦副窄端面外徑數(shù)值，D中為摩擦副窄端面中徑數(shù)值，單位mm；n為轉(zhuǎn)速數(shù)值，單位r/min。

取ps=0.2 MPa、p入=6 MPa、K=0.7、λ=0.33［11］，代入式（2）計(jì)算得pg=2.42 MPa。假定D1=130 mm、外徑D2=142 mm，則D中=136 mm，將各數(shù)值帶入式（3）～式（4）計(jì)算得v=35.6 m/s、A=0.002 6 m2。根據(jù)式（1），有Nf=26.7 kW。

在實(shí)際試驗(yàn)中，考慮到攪拌消耗功率Na，變頻電機(jī)功率取30 kW 較為適宜。

4 機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用

設(shè)計(jì)的高溫試驗(yàn)臺(tái)自使用以來(lái)，主要對(duì)耐高溫的金屬波紋管機(jī)械密封進(jìn)行了運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，機(jī)械密封規(guī)格分別是60、80、100 mm（靜環(huán)內(nèi)孔直徑）。試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照API 682—2014 的要求進(jìn)行，多次試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)，介質(zhì)溫度控制和壓力控制達(dá)到了預(yù)期要求，采用該試驗(yàn)臺(tái)能夠精確測(cè)量機(jī)械密封的泄漏量。機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片見(jiàn)圖5。

圖5 機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)能對(duì)試驗(yàn)介質(zhì)的溫度、壓力，試驗(yàn)機(jī)械密封的轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，并能達(dá)到很高精度。據(jù)實(shí)際測(cè)量，機(jī)械密封轉(zhuǎn)速精度達(dá)到±2 r/min，試驗(yàn)介質(zhì)溫度精度在±2.5 ℃，試驗(yàn)介質(zhì)壓力精度在試驗(yàn)壓力的±2%，滿足了API 682—2014 和GB/T 14211—2019 對(duì)機(jī)械密封的認(rèn)證試驗(yàn)要求，并能滿足用戶指定的試驗(yàn)要求。該高溫試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，充分考慮了密封生產(chǎn)廠家的現(xiàn)場(chǎng)條件，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)機(jī)械密封高溫試驗(yàn)的空白。