大型脫硫循環泵用新型機械密封裝置的優化設計

2012-07-04 09:43:24文華斌文傳順

制造業自動化 2012年17期

胡勇，文華斌，周敏，文傳順

（1.四川理工學院過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，自貢 643000；2.自貢兆強密封制品實業有限公司，自貢 643000）

0 引言

在火電、石化、鋼鐵等行業的燃煤機組脫硫系統中，脫硫循環泵及配套機械密封是不可缺少的重要裝置，機械密封性能直接影響脫硫循環泵和整個脫硫系統的正常運轉，直接影響燃煤機組廢氣的達標排放。2009年末煤電總裝機容量6.5億kW 左右，預計十二五期間煤電裝機將達到9億kW 左右[1]。給脫硫泵及配套機械密封研制與推廣應用提供了廣闊的市場前景，研制高效能機械密封對提高脫硫循環泵工作效率有重要作用；對防止二氧化硫大氣污染，改善生態環境有重要現實意義。

1 新型密封裝置簡介

脫硫循環泵輸送介質：石灰石、石膏漿液，固體顆粒含量30%～40%（質量百分比）；工作溫度：30～50℃ ；密封腔體壓力≤ 0.3Mpa；ph值 4～8；氯離子含量≤0.03～0.04%。國產脫硫循環泵工作時普遍存在 “窩氣”、“抽空”、“氣蝕”等現象，這些工況易造成機械密封的動、靜環摩擦副時常處于干摩擦狀態，易造成摩擦副的溫度急劇上升；還易導致泵的振動、軸向竄動等現象加劇。

文獻[2]報道了國內某企業研制的國家火炬計劃資助項目（2008GH051536）“大型脫硫循環泵機械密封裝置”，簡稱“火炬機械密封”結構如圖1、圖2所示。基本克服了 “窩氣”、“抽空”、“氣蝕”等現象對脫硫循環泵用機械密封的不良影響。采用的主要技術措施是：1）密封環采用“靜環YWN12+動環YWN12”的摩擦副形式，提高了耐腐蝕和耐磨性，提高了動、靜摩擦副的強度，

圖1 火炬機械密封結構圖

增強了抗沖擊和抗振動能力；2）采用橡膠L墊鑲嵌動、靜環，提高減震；3）抗振動、沖擊設計：采用在緊縮圓盤軸套開小槽技術，序號1（開口抱緊環）把序號3（緊縮園盤軸套）牢固安裝在脫硫循環泵傳動軸上，使機械密封平穩運行[2]。

2 新型密封裝置的優化設計

2.1 結構優化設計

火炬機械密封在批量生產與應用中，發現還有不足之處，通過結構優化與簡化，其經濟與技

圖2 摩擦副局部放大

術性能還有提升空間。其機械密封的優化措施為：

1）動、靜密封環耐腐蝕、耐磨損抗沖擊減震優化設計：用斜錐滑環式組合密封結構“靜環(聚四氟乙烯)＋動環(2Cr13)摩擦副形式”取代“靜環YWN12+動環YWN12的摩擦副形式，動靜環鑲嵌橡膠L墊減震”結構，如圖4、圖5所示。

圖3 產品實物圖

2）機械密封固定、振動、軸向竄動設計：對緊縮園盤軸套的受力狀態進行有限元分析，研究在工作狀態下應力應變情況，確定其結構優化方案，保證機械密封固定可靠，受力合理；保證機械密封能更加穩定運行。

2.2 斜錐滑環式組合密封性能分析

圖4 優化后的脫硫循環泵機械密封結構

1）耐腐蝕、耐磨損性、抗沖擊能力和防止摩擦環脆裂分析：聚四氟乙烯（英文縮寫：PTFE）具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性；突出的表面不粘性；良好的潤滑性。低摩擦因數（0.04）和自潤滑性而且與金屬無粘著作用，且起動摩擦力與運動摩擦力相等，聚四氟乙烯可以在-250℃至260℃的范圍內長期連續地使用和良好的抗老化耐力；機械強度較低；彈性模量較小抗沖擊能力較強[4]。

2）密封工作原理：有關聚四氟乙烯斜錐滑環組合密封的研究應用文獻報道較少。文獻[5、6、7]報道了錐滑環組合密封裝置的的設計、分析及應用。 “靜環(PTFE)＋動環(2Cr13)摩擦副”結構由彈簧、靜環、動環、O形橡膠圈構成，如圖4、5所示。安裝狀態時，彈簧推動靜環右移，使靜環和動環之間形成密封面并具有一定的預接觸壓力，并使O形圈具有一定的預壓縮量。工作狀態時，密封腔內壓力推動靜環右移，增大O形圈壓縮量，增大密封面的接觸壓力，達到良好的密封效果。當滑環厚度磨損減小后，O形圈壓縮量減小，則水平方向力的平衡關系消失，彈簧力及工作內壓將推動滑環右移，增大O形圈壓縮量，到達一個新的平衡位置，起到自動跟隨補償性作用。

圖5 摩擦副局部放大

表1 滑環厚度h與密封面、接觸面上最大接觸壓力的關系；滑環厚度h與O形圈Von-mises應力及壓縮量的關系

3）密封性能分析：有限元分析的計算模型、邊界及荷載等條件見文獻[7]，分析計算8～20mm厚度內，7 組不同壁厚的斜錐滑環在安裝和工作狀態下密封面和其他接觸面的接觸壓力，分析結論如圖6、圖7、表1所示。斜錐滑環密封具有良好的密封效果；滑環厚度在8～20mm變化都能實現良好的密封，說明具有磨損自動補償能力。

圖6 h=8mm時安裝狀態下Von.mises應力分布

圖7 h=8mm時工作狀態下Von.mises應力分布

4）密封副的溫度場分析：斜錐滑環密封是通過旋轉環（動環）與浮動環（靜環）端面的滑動摩擦實現的，由于動、靜環的相對運動而產生摩擦熱，隨密封環的溫度升高產生的降低密封件的使用壽命、增加端面間的磨損和泄漏、端面熱裂（熱應力裂紋）等一系列問題，文獻[8、9]作了較詳細的分析。

利用ANSYS有限元分析軟件對斜錐滑環的溫度場進行分析，得出機械密封的溫度場分布，如圖8所示是密封介質50℃，考慮了沖洗、攪拌熱和摩擦熱等因素的2Cr13和PTFE配對摩擦副的溫度場云圖。由圖8知，密封最低溫度為23.97℃，最高溫度87.51℃，溫升為63.54℃；滿足PTFE的工作溫度要求。

圖8 密封溫度場云圖

2.3 緊縮園盤軸套的優化設計

緊縮園盤軸套左端開R小槽（結構設計如圖9、圖10所示，裝配結構如圖4所示）的作用，可獲得的更好裝配緊固效果在文獻[2] 、[9]分別作了較詳細分析介紹。

影響緊縮圓盤軸套抱緊性能的主要因素分別為：軸套壁厚、開槽數量、開槽長度、開槽寬度（半徑R）等。按泵軸過盈配合（H8/v7）時，在徑向產生0.16mm位移抱緊泵軸所產生的應力大小為指標，優化緊縮園盤軸套結構。優化方法為每個因素安排3 個水平，試驗采用L9(34)正交表建立的實驗方案，建立9個有限元分析模型。