高溫油泵雙端面機械密封的研究與應用
2018-10-12 17:37:15
密封是機械設備(組成：驅動裝置、變速裝置等)的重要組成部分。凡與流體接觸的可拆卸的設備以及機器中將兩個流體空間隔開并作相對運動(旋轉或往復)的部件之間都存在密封問題(Emerson)。在煉油業(yè)中，存在大量高溫熱油類易燃介質(起決定作用的物質)，這類介質包括常減壓渣油、焦化原料油、催化油漿等，具有高溫、高粘度、低自燃點、高污染性等特性。在輸送高溫重油類介質的機泵中，離心泵應用最廣泛。這類泵軸封一般采用機械密封，端面之間因介質易結焦，機械密封可能在顆粒摩擦不穩(wěn)定狀態(tài)下工作，導致(cause)密封失效，機封發(fā)生泄漏，引起著火，不僅損失大量物料，還造成嚴重的安全問題和環(huán)境污染。隨著環(huán)境保護和安全生產(chǎn)要求的提高，對設備密封的要求也在提高。高溫熱油泵需一種性能優(yōu)良的密封以滿足安全生產(chǎn)和環(huán)境保護的要求。
1、高溫油泵機械密封失效原因分析
機械密封基本類型有：
(1)接觸式和非接觸式密封;
(2)內(nèi)裝式和外裝式機械密封;
(3)內(nèi)流式和外流式機械密封;
(4)非平衡式和平衡式機械密封;
(5)單端面、雙端面及多端面機械密封。密封的基本形式有：波紋管機械密封、窄環(huán)刃邊機械密封、集裝式機械密封、開淺槽機械密封等。
高溫油泵機械密封的選用一直是一大難題，如催化裂化油漿泵、常壓塔底泵、初餾塔底泵、減壓塔底泵、減壓蠟油泵、延遲焦化的輻射進料泵等。上海凱泉如安裝過高，則不吸水；此外，由于山區(qū)比平原大氣壓力低，因此同一臺水泵在山區(qū)，特別是在高山區(qū)安裝時，其安裝高度應降低，否則也不能吸上水來。高溫油泵的工作介質具有以下特點：
溫度高：一般在 300~400℃;介質粘度大：在300~400℃時，運動粘度為12~180mm2/s;介質含顆粒：如催化劑、焦炭、砂粒等雜質;機械密封形式為波紋管機械密封。
重油溫度高(300℃以上)，密度大、粘度高、凝固點低、油品酸值較高，預熱不充分時，粘稠的介質包裹著機械密封的動、靜環(huán)及彈性體。當機泵開始運轉時，波紋管扭曲不平衡，動靜環(huán)脫開泄漏;高溫介質進入密封腔后，極易造成密封面裂紋泄漏;渣油酸值高，對機械密封的密封面和波紋管都有一定的腐蝕;高溫熱油極易造成各密封點O形圈的老化失效;常壓塔底渣油和減壓塔底渣油內(nèi)有很多泥沙顆粒，進入機械密封動密封面，造成密封面磨損高溫油泵泄漏。
由于原機械密封存在問題，造成了機封大面積的頻繁泄漏，其密封失效的原因有：
(1)波紋管（Corrugated pipe）機封失彈或斷裂引起的密封失效
波紋管（Corrugated pipe）在使用過程中，其剛度或彈性會慢慢減小，試驗和實際應用表明，當波紋管的失彈量超過設計初始壓縮量的18-20%時，整個波紋管機械密封會發(fā)生泄漏。凱泉泵業(yè)開動前，先將泵和進水管灌滿水，水泵運轉后，在 葉輪高速旋轉而產(chǎn)生的離心力的作用下，葉輪流道里的水被甩向四周，壓入蝸殼，葉輪入口形成真空，水池的水在外界大氣壓力下沿吸水管被吸入補充了這個空間。繼而吸入的水又被葉輪甩出經(jīng)蝸殼而進入出水管。使用中發(fā)現(xiàn)，金屬波紋管機封在溫度低于200℃時，失彈現(xiàn)象不明顯，但在高溫工況下(溫度超過300℃)使用，泵很快發(fā)生泄漏。還有一種情況，工作介質結晶沉淀甚至凝固在波紋管的縫隙中，波紋管變形能力減小甚至喪失變形能力。高溫和載荷是造成波紋管失彈的主要原因。
(2)配對摩擦副中石墨環(huán)的過度磨損引起密封失效
發(fā)生泄漏后，將失效的機封拆下巡查，發(fā)現(xiàn)石墨密封環(huán)磨損嚴重，金屬波紋管機封的端面比壓受波紋管的有效直徑影響(influence)，而有效直徑隨壓力的變化而改變，當波紋管受外壓，其有效直徑隨壓力的加大而逐漸縮小;當波紋管受內(nèi)壓，其有效直徑隨壓力的加大而逐漸加大。由于壓力過大，導致摩擦副摩擦嚴重，石墨環(huán)過度磨損引起泄漏。
(3)配對摩擦副中硬質合金環(huán)的表面熱裂引起密封失效
在生產(chǎn)使用中發(fā)現(xiàn)，密封摩擦副的硬質合金環(huán)出現(xiàn)由硬面中心向外發(fā)散的許多粗細不一的徑向裂紋，這是熱裂導致(cause)的密封失效。產(chǎn)生熱裂的主要原因是過高的局部熱應力，其中硬質合金環(huán)與環(huán)座兩種材料的線膨脹系數(shù)存在差別，采用堆焊結構還是整體結構，密封冷卻沖洗系統(tǒng)(system)中沖洗液的類型、沖洗方式和流量的大小等因素，都可能引起密封端面發(fā)生熱裂。
2、雙端面機械密封的研究
單端面波紋管機械密封系統(tǒng)耐高溫、耐腐化侵蝕 、使用范圍廣，但在實際使用中存在許多問題，如密封介質易產(chǎn)生泄漏，造成物料損失和環(huán)境污染;密封端面存在摩擦磨損（零部件失效的一種基本類型）、使用的時長短;密封件易產(chǎn)生熱變形、熱裂、熱脹失效等。隨著安全、環(huán)境保護及節(jié)能要求的提高，煉化企業(yè)對高溫油泵密封裝置使用性能的要求越來越高。為改善高溫油泵機械密封的狀況，研究了一種新型非接觸式油膜機械密封。
2.1、雙端面機械密封的結構和工作原理
液膜潤滑非接觸式機械密封與接觸式機械密封相組合的雙端面密封結構：左側為一非接觸式波紋管機械密封，右側為一接觸式波紋管機械
密封。工作原理為：首先，通過(tōng guò)主壓蓋上的注入孔通進潔凈的冷卻沖洗臘油，其壓力可在一定范圍內(nèi)(0.3~0.5MPa)變化;右側的接觸式機械密封在運行狀態(tài)下主要是阻止沖洗臘油向大氣外泄漏，而左側非接觸式機械密封能把少量的潔凈臘油(不超過5L/h)增壓后泵送入密封箱內(nèi)。該密封結構的關鍵是設計的非接觸式機械密封能使低壓臘油增壓至超過重油的壓力，有效阻止重油進入機械密封的附近區(qū)域。
正常運行狀態(tài)下， 應通過壓蓋上的注入孔通進潔凈的沖洗蠟油， 其注入壓力控制在0.3~0.5MPa之間。此時，盡管沖洗油的壓力小于密封重油的壓力(大于0.6MPa)，但由于非接觸式機械密封具有增壓泵送作用，使臘油經(jīng)非接觸式機械密封后壓力增加至大于密封重油的壓力，從而使少量的潔凈臘油輸送進泵內(nèi)，能夠徹底消除重油的泄漏及對環(huán)境的污染，達到健康、安全和環(huán)保生產(chǎn)的要求。
2.2、雙端面機械密封工作參數(shù)
雙端面機械密封的參數(shù)主要有工況參數(shù)：轉速、壓力等，密封性能參數(shù)：泵入量、端面溫升、摩擦扭矩等。
(1)密封腔壓力的測量
采用外加設備(shèbèi)使密封流體循環(huán)和增壓的實驗臺，一般均直接測量密封腔的平均壓力。采用在密封腔上安裝精密壓力表測量密封腔介質和封液的壓力，壓力表便于直接讀數(shù)。
(2)泵入量的測量
泵入量是液膜非接觸式密封的一個重要指標，可采用流量計測量。
(3)摩擦扭矩的測量
機械密封端面摩擦扭矩的測量主要采用支反力法和傳遞法。支反力法根據(jù)動力機械在轉動扭矩的作用下所產(chǎn)生支座反力的變化來測量扭矩;
傳遞法根據(jù)彈性元件在傳遞扭矩時所產(chǎn)生的物理參數(shù)的變化來測量扭矩。凱泉泵業(yè)由此可見，若離心泵葉輪不斷旋轉，則可連續(xù)吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚到高處或遠方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉所產(chǎn)生的離心力的作用下，將水提向高處的。采用在電機與密封主軸之間安裝扭矩傳感器，傳感器將測得的信號傳遞給扭矩轉速儀，然后將扭矩儀的信號輸入計算機，通過計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)(data)采集卡，用已編寫的機械密封測控軟件進行信號采集和數(shù)據(jù)處理，可獲得轉軸扭矩。
(4)溫度的測量
機械密封端面溫度的測量主要有熱電阻法、熱電偶法和紅外測量法。熱電阻法利用導體或半導體的電阻隨溫度變化的性質進行測量;紅外測量法是用紅外色譜儀測溫的一種方法。采用紅外測量法可測量密封端面溫度和密封腔流體溫度。
3、雙端面機械密封的優(yōu)點
雙端面機械密封具有許多優(yōu)良性能，主要表現(xiàn)在以下方面：
(1)密封效果好
利用螺旋槽可實現(xiàn)封油向介質泵送，避免熱油向外泄漏。上海凱泉由于葉輪進口不可能形成絕對真空，因此離心泵吸水高度不能超過10米，加上水流經(jīng)吸水管路帶來的沿程損失，實際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠小于10米。而密封外側接觸式密封防止了封油泄漏問題(Emerson)。
(2)端面溫度低
雖然溫度較高，但是最高溫度約100℃，比現(xiàn)場應用中摩擦副處于350℃的情況改變很大，如果再采用背冷方式，溫度會更低。
(3)冷卻水用量少
只有在背冷時才用冷卻水，比原來現(xiàn)場冷卻水用量大幅度降低。
(4)端面磨損（零部件失效的一種基本類型）小、壽命長
通過對連續(xù)運轉后的密封動、靜環(huán)的分析研究，非接觸式動、靜環(huán)的端面幾乎未磨損，接觸式端面磨損比原來用密封端面時大大減輕，且熱裂情況未發(fā)生，使用壽命大大增加。
4、工業(yè)應用要求
為確保雙端面機械密封的正常運轉，實現(xiàn)其優(yōu)良的密封功能，應用中應滿足如下要求：
(1)雙端面機械密封之間需注入沖洗冷卻蠟油，其壓力控制0.3~0.5MPa，且應將蠟油進行過濾。
(2)根據(jù)高溫油泵現(xiàn)場條件，選擇采用外沖洗冷卻輔助系統(tǒng)(system)，冷卻蠟油的溫度控制在150℃以下。
(3)密封運行過程(guò chéng)中應定期對外側密封溫度進行監(jiān)測，確保其溫度控制在200℃以下。
5、結論
高溫油泵原采用接觸式波紋管（Corrugated pipe）機械密封，易發(fā)生熱油泄漏著火，造成物料損失，還帶來嚴重的安全隱患等問題。雙端面機械密封解決了密封介質頻繁泄漏問題，密封效果好，使用的時長長，端面溫度低，有效控制了因高溫造成的端面熱裂和環(huán)烷酸對密封件的腐化侵蝕 ，此外，輔助系統(tǒng)結構簡單，冷卻水用量少，經(jīng)濟(jīng jì)效益好，符合長周期安全運行的要求及環(huán)境保護要求，具有工業(yè)推廣價值。