淺談機(jī)械密封的應(yīng)用及優(yōu)化改造

李劍暉，盧立飛，周　宇

(神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭　014010)

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淺談機(jī)械密封的應(yīng)用及優(yōu)化改造

李劍暉，盧立飛，周宇

(神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭014010)

摘要：機(jī)械密封已經(jīng)廣泛使用，是流體輸送機(jī)械應(yīng)用普遍的一種密封形式。機(jī)械密封的密封效果將直接影響單臺設(shè)備的運(yùn)行，嚴(yán)重的還將出現(xiàn)大面積的停產(chǎn)，影響經(jīng)濟(jì)效益、影響安全，根據(jù)機(jī)械密封在日常使用中出現(xiàn)的故障，分析其失效的各種因素同時(shí)提出一些優(yōu)化改造措施。

關(guān)鍵詞：機(jī)械密封；故障；優(yōu)化改造

0引言

機(jī)械密封是一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸封裝置，又叫端面密封。簡單的機(jī)械密封如下圖1：

圖1　機(jī)械密封圖1.軸套；2.動環(huán)；3.靜環(huán)；4.壓蓋；5.緊定螺釘；6.傳動環(huán)；7.彈簧組件；8.壓蓋密封圈；9.軸套密封圈；10.動火密封圈；11.靜環(huán)密封圈；12.動靜環(huán)密封面；13.沖洗口；14.定位塊

1機(jī)械密封的組成

如圖1所示是一套典型的機(jī)械密封，由摩擦副(動環(huán)、靜環(huán))、緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)(彈簧組件)、輔助密封圈、其他金屬構(gòu)件(壓蓋、軸套)等組成，另外機(jī)械密封外部會有一下輔助設(shè)施，通過沖洗、冷卻、過濾、分離等方式對機(jī)封的沖洗水進(jìn)行冷卻和潤滑，從而改善密封的工作環(huán)境，減少密封的泄漏量，延長使用壽命。

圖1還標(biāo)出了5個(gè)泄漏點(diǎn)，這也是所有機(jī)械密封的5個(gè)重要的密封點(diǎn)。

泄漏點(diǎn)1─摩擦端面泄漏點(diǎn)，依靠彈力和介質(zhì)壓力保持貼和，屬于動密封點(diǎn)，兩個(gè)摩擦副之間有相對轉(zhuǎn)動，圖中12。

泄漏點(diǎn)2─補(bǔ)償環(huán)密封圈，依靠密封圈的過盈量實(shí)現(xiàn)密封，屬于靜密封點(diǎn)，圖中11。

泄漏點(diǎn)3─非補(bǔ)償環(huán)密封圈，依靠密封圈的過盈量實(shí)現(xiàn)密封，靜密封點(diǎn)，密封圈與相配合件之間相對靜止，圖中10。

泄漏點(diǎn)4─軸套與軸之間的密封圈，依靠密封圈的過盈量實(shí)現(xiàn)密封，靜密封點(diǎn)，密封圈與相配合件之間相對靜止，圖中9。

泄漏點(diǎn)5─壓蓋與腔體間的密封圈，依靠密封圈的過盈量實(shí)現(xiàn)密封，屬于靜密封點(diǎn)，密封圈與相配合件之間相對靜止，圖中8。

2機(jī)械密封的使用工況

根據(jù)煤制烯烴生產(chǎn)工藝的需要，機(jī)泵機(jī)封使用情況的統(tǒng)計(jì)，大部分的機(jī)泵使用機(jī)械密封，還有部分采用干氣密封，很少一部分使用填料密封，由此可見，機(jī)械密封的使用率很高，所以在日常工作中對機(jī)械密封就是維護(hù)以及故障排除顯得尤為重要。機(jī)封在初期選型尤為重要，直接關(guān)系到泵的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至整個(gè)系統(tǒng)的長周期生產(chǎn)。

經(jīng)總結(jié)，在一般情況下，輸送介質(zhì)為工藝凝液、水等普通物料的機(jī)泵，通常選用普通的單端面機(jī)械密封。輸送介質(zhì)為甲醇、乙醇等有機(jī)危險(xiǎn)液體的機(jī)泵，通常選用雙端面的機(jī)械密封、或者干氣密封，這樣能保證使用過程的安全性。

原始設(shè)計(jì)的機(jī)泵軸封形式以及沖洗方案如下表1：

表1　原始設(shè)計(jì)的機(jī)泵軸封形式以及沖洗方案表

經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，對相應(yīng)機(jī)泵的軸封制定了一些優(yōu)化方案，并且在使用過程中也起到了效果，具體如下表2：

表2　相應(yīng)機(jī)泵的軸封優(yōu)化方案表

經(jīng)過兩個(gè)表格對比可以看出，機(jī)封的形式以及沖洗方案的優(yōu)化，都可以提高機(jī)封的壽命。其中氣提系統(tǒng)冷凝液泵更是改回了填料密封，雖然有些許泄漏，但是還是達(dá)到了預(yù)期使用效果，但是要達(dá)到長周期運(yùn)行目的仍然需要考證和持續(xù)優(yōu)化。

3機(jī)械密封的失效形式、原因分析

凈化裝置的高壓冷凝液泵型號為200×150R2DM44，臥式離心泵，兩端支承，泵設(shè)計(jì)吸入溫度196℃，吸入壓力5.845MPa(a)，最大進(jìn)口壓力6.6MPa(a)，排出壓力8.2MPa(a)，該泵機(jī)械密封型號為CM291B-095FT-K080，機(jī)械密封設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為0～10MPa，設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度為-20～180℃。

此機(jī)封泄漏量≤300ml/h(CM291B型)。在適用范圍內(nèi)，使用壽命≥4000h。

機(jī)封沖洗水介質(zhì)成分(mol%)：H2O：99.7；H2S：0.004；NH3：0.05；CO2：0.1；CO：0.03；H2：0.08；CH4：0.07。

密封系統(tǒng)沖洗方案為自沖洗，由高壓高壓冷凝液泵出口管線引管，經(jīng)過循環(huán)水換熱器盤管，換熱冷卻后經(jīng)FI進(jìn)入機(jī)械密封的密封腔體，冷卻、沖洗機(jī)械密封端面。

該泵采用兩開一備的操作，自裝置開車后，該泵機(jī)械密封運(yùn)行周期很短，通常運(yùn)行一個(gè)月左右，兩端機(jī)械密封便開始泄漏然后逐漸加大，直至無法使用停泵檢修。在檢修過程中也發(fā)現(xiàn)了其故障原因，并針對這些原因進(jìn)行了分析，采取了一系列的措施。

3.1　機(jī)械密封動環(huán)端面損壞情況

拆卸機(jī)械密封檢查發(fā)現(xiàn)，機(jī)械密封腔體內(nèi)部聚集大量的白色粉狀物質(zhì)，導(dǎo)致機(jī)械密封動環(huán)端面損壞，具體情況如圖2所示：

圖2　損壞的機(jī)械密封動環(huán)

經(jīng)分析其白色粉末成分主要是三氧化二鋁，其主要用作催化劑和催化劑載體。整個(gè)工藝系統(tǒng)中的凝液本來是干凈無雜質(zhì)的水，但是在原始開車階段，壓力、溫度等操作工況波動比較嚴(yán)重，導(dǎo)致了工藝系統(tǒng)中三氧化二鋁瓷球部分粉化。經(jīng)過一個(gè)月的積累在機(jī)封密封腔聚積，凝結(jié)成塊狀后，進(jìn)入摩擦副之間，由于此處轉(zhuǎn)速很高，所以密封面在碰撞后嚴(yán)重?fù)p壞。

3.2　機(jī)械密封的動環(huán)斷裂情況

如圖3所示

圖3　斷裂的動環(huán)

這是由于機(jī)械密封端面摩擦發(fā)熱當(dāng)冷介質(zhì)進(jìn)入后造成摩擦副受熱不均，或者由于端面液膜破損會導(dǎo)致干摩擦，使密封面變得粗糙和磨損加速，甚至?xí)固蓟枧c超硬質(zhì)合金等硬質(zhì)耐磨材料產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致了斷裂

導(dǎo)致整個(gè)現(xiàn)象有兩個(gè)原因，一個(gè)是機(jī)封輔助系統(tǒng)的循環(huán)水換熱器管束內(nèi)部結(jié)垢嚴(yán)重，無法保障機(jī)封沖洗水的供應(yīng)量，導(dǎo)致機(jī)封端面溫度升高。另一個(gè)是循環(huán)水側(cè)污泥等雜質(zhì)較多，使得循環(huán)水堵塞，無法給沖洗水降溫。

3.3　輔助密封圈的失效

如圖1中的四種密封圈均出現(xiàn)的老化現(xiàn)象，這都是由于溫度高造成的，工作溫度越高，O型圈的壓縮永久變形就越大。當(dāng)永久變形大于40%時(shí)，O型圈就失去了密封能力而發(fā)生泄漏。導(dǎo)致整個(gè)現(xiàn)象的原因與3.2中提到的一樣，都是由于沖洗水溫度過高。

3.4　緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈簧失效

由于沖洗水中雜質(zhì)在彈簧上結(jié)垢，或者雜質(zhì)直接卡塞在彈簧座內(nèi)，使得彈簧壓入彈簧座后無法回位，只要有兩組以上的彈簧無法回位，就會使其失去補(bǔ)償能力，導(dǎo)致機(jī)封泄漏。通常這種情況下，動靜環(huán)以及密封件無損壞，而且經(jīng)過更換彈簧和清理彈簧座后可以繼續(xù)使用。

圖4　失效后的彈簧

3.5　機(jī)泵檢修不當(dāng)或操作不當(dāng)導(dǎo)致機(jī)封損壞

機(jī)泵檢修過程中，機(jī)封安裝不到位、對中找正不良、軸承安裝不到位，都會造成運(yùn)行工況惡劣，另外操作不當(dāng)，反復(fù)開停或者汽蝕，都會造成機(jī)封的損壞。

3.6針對PLAN11+52沖洗形式的機(jī)封，主要是外加儲罐系統(tǒng)，為雙機(jī)械密封的沖洗輔助系統(tǒng)，其作用是儲存緩沖/隔離液，潤滑密封端面，并同時(shí)導(dǎo)出密封端面產(chǎn)生的摩擦熱和密封腔內(nèi)自身的熱量，從而改善機(jī)械密封的工作環(huán)境，提高機(jī)械密封的可靠性和使用壽命，擴(kuò)大機(jī)械密封的適用范圍。通常在儲罐內(nèi)添加白油作為緩沖液，然而在使用過程中發(fā)現(xiàn)雙端面機(jī)封的后端面，經(jīng)常有泄漏白油情況，這是由于密封圈在油系統(tǒng)內(nèi)長時(shí)間浸泡會造成老化，不利于密封。

4針對機(jī)械密封失效形式的改善措施

根據(jù)以上問題，有針對性的進(jìn)行了技術(shù)改造：

1)沖洗方式更改，由原來的自沖洗改為外部沖洗，由于裝置系統(tǒng)水中含有較多的懸浮顆粒物質(zhì)，從外部引入密封流體注入到密封腔中，改善密封工作環(huán)境。

經(jīng)過公司的總體設(shè)計(jì)后，將原來的機(jī)泵自沖洗水改為純凈的脫鹽水，而且是外沖洗。經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部高壓泵增壓后進(jìn)入機(jī)封的密封腔，對機(jī)封進(jìn)行冷卻沖洗。

2)由于擔(dān)心小固體顆粒的存在，長時(shí)間會造成累積，再此出現(xiàn)機(jī)封損壞現(xiàn)象。所以在機(jī)封沖洗水總管上加了兩組過濾器，定期對過濾器切換清洗，保證水質(zhì)。

3)摩擦副材料更換。由于介質(zhì)中含懸浮性顆粒，所以動環(huán)一般采用高硬度的材料，常用的有鈷基碳化鎢硬質(zhì)合金，但該材料粘接相的耐蝕性較差，一般不適用于有腐蝕性的場合。本單位介質(zhì)中由于成分復(fù)雜，含有腐蝕性成分，故動環(huán)選用碳化硅，碳化硅具有優(yōu)良的物理、化學(xué)及熱學(xué)性能，而且具有超高的硬度，同時(shí)具有良好的耐腐蝕性。

4)針對管路堵塞的問題，隨著介質(zhì)的改善自然會有好的效果，另外為了保證水量，把沖洗水管內(nèi)件加粗，比如將原來DN15的沖洗水管道改成DN20管道，這樣增大了沖洗水的有效流通面積，但是管線不能太粗，水量太大會造成資源浪費(fèi)，而且對機(jī)封無益。

5)針對密封圈無法承受高溫情況，將其改為進(jìn)口全氟橡膠，耐溫高可達(dá)200℃，耐酸堿，耐油性均優(yōu)良，即使在冷卻效果不佳的情況下依舊可以壽命很長，在實(shí)際使用過程中，采用進(jìn)口全氟橡膠O型圈后，使用壽命提高一倍。但是其加工性差，價(jià)格昂貴，也相應(yīng)的增加了成本。

6)根據(jù)現(xiàn)場密封彈簧易堵塞后失去補(bǔ)償能力的問題，如管路改造后，后期依然存在密封彈簧堵塞嚴(yán)重的情況，從結(jié)構(gòu)上可以進(jìn)行改進(jìn)，即將密封結(jié)構(gòu)更改為彈簧外置型式。

7)針對密封圈耐油性能差的情況，更換為四氟墊以及耐油橡膠雙密封，目前使用效果良好。

5機(jī)械密封選型不適當(dāng)以及改進(jìn)

對于輸送甲醇、乙醇等有機(jī)溶劑的機(jī)泵，選用軸封形式時(shí)，采用雙端面密封或者干氣密封比較合理，在凈化裝置內(nèi)的熱再生塔回流泵典型的選型不當(dāng)，造成機(jī)封使用壽命非常短，而且泄漏出來的介質(zhì)有毒有害，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。

圖5　機(jī)封失效，同時(shí)造成污染環(huán)境

5.1　工藝系統(tǒng)改造介紹

裝置的熱再生塔回流泵，將系統(tǒng)內(nèi)蒸餾后的富甲醇，加壓后再送回系統(tǒng)。經(jīng)過濃縮后，泵輸送的介質(zhì)中含有的硫化氫等含量很高，機(jī)械密封的壽命在三個(gè)月左右。經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)后，將其形式改為雙端面干氣密封。

雙端面干氣密封可以看做介質(zhì)側(cè)和大氣側(cè)背靠背布置的兩組單端面干氣密封，在兩組密封之間通入氮?dú)庾鳛榻M塞氣體，(密封氮?dú)庀牧浚?0NL/h)而成為一個(gè)性能可靠的阻塞密封系統(tǒng)，控制氮?dú)鈮毫Γ蛊涫冀K維持在比工藝介質(zhì)壓力稍高0.3MPa的水平，使其在大氣與工藝介質(zhì)之間起到阻隔作用。由于氮?dú)獾男孤┓较蚩偸浅に嚱橘|(zhì)和大氣，從而保證了工藝介質(zhì)不會向大氣泄漏。在密封環(huán)的端面上加工有均布的流體動壓槽。特殊的設(shè)計(jì)的槽型結(jié)構(gòu)在使用條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的流體動壓效應(yīng)，使動靜環(huán)間形成具有極高剛度的氣膜，由氣膜作用力形成的開啟力與彈簧和介質(zhì)作用形成的閉合力達(dá)到平衡，使密封面分開3～5um，在非接觸狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)密封，使密封面在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中不會放棄磨損，保證密封在正常情況下能夠較長時(shí)間地穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2　機(jī)封控制系統(tǒng)

該密封設(shè)計(jì)有專門的控制系統(tǒng)如下圖6，可保證干氣密封長期可靠的工作在最佳狀態(tài)，干氣密封的系統(tǒng)的測量儀表、過濾器、閥門均安裝在現(xiàn)場的干氣密封儀表盤上，操作人員能及時(shí)了解密封的運(yùn)行情況，保證該系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

圖6　干氣密封系統(tǒng)圖

干氣密封從現(xiàn)場氮?dú)鈿庠匆鲆宦返獨(dú)?.0～1.6MPa，經(jīng)過截止閥V1，過濾器FL1(精度為1um)、調(diào)壓閥PCV1調(diào)節(jié)壓力至所需壓力，一般高壓密封腔介質(zhì)側(cè)壓力0.175～0.3MPa，作為干氣密封的工作氣體，在經(jīng)過流量計(jì)FI、單向閥V2，進(jìn)入泵干氣密封的密封腔。

要求入口壓力1.0～1.6MPa，開啟截止閥V1，調(diào)節(jié)閥PCV1至壓力表PG101顯示為所需壓力(干氣密封工作壓力)時(shí)，將泵投入運(yùn)行。進(jìn)入密封腔的氮?dú)鈮毫κ冀K維持在高壓被密封介質(zhì)壓力0.157～0.3MPa，只能通過干氣密封兩個(gè)端面向介質(zhì)端和大氣端泄漏，并且泄漏量極小。從而保證在正常情況下，工藝介質(zhì)對大氣的零泄漏。處于安全考慮，系統(tǒng)在密封氣入口前設(shè)有單向閥V2，當(dāng)一級干氣密封失效，或氮?dú)庠炊虝r(shí)間壓力低于被密封介質(zhì)壓力時(shí)，此時(shí)第二級干氣密封起安全密封作用，工藝介質(zhì)仍然不會泄漏到大氣。此時(shí)檢測到一級密封端面泄漏，及時(shí)切出處理，實(shí)現(xiàn)安全檢修。

5.3　干氣密封的泄漏判斷

判斷介質(zhì)側(cè)的兩級干氣密封是否正常工作，主要通過觀察流量計(jì)(FI101)的流量變化。一級干氣密封如果失效，氮?dú)饬髁繉@著增大，此時(shí)第二級干氣密封起安全密封作用。工藝介質(zhì)不會泄漏大氣。當(dāng)?shù)诙壐蓺饷芊馐Ш螅罅康獨(dú)鈱⒅苯有孤┲链髿猓斐擅芊馇坏膲毫︼@著下降，隨之流量也會顯著增大。

5.4　投用及維護(hù)

對干氣密封的氮?dú)饩彌_氣所流經(jīng)的管線，開始投用前應(yīng)該用用干凈、干燥的壓縮空氣進(jìn)行徹底的吹掃，能夠進(jìn)行打靶試驗(yàn)最好，尤其注意清除干凈焊縫處可能留下的焊渣，務(wù)必保證氣源的潔凈。

干氣密封的旋向是單項(xiàng)的，與泵的運(yùn)行方向一致，因此一定要避免反向旋轉(zhuǎn)。同時(shí)應(yīng)該避免在小于1000r/min的低速狀況下長時(shí)間運(yùn)行，這些情況都會造成機(jī)封的損壞。

確保密封氣壓力和流量的穩(wěn)定，否則在運(yùn)行過程中容易造成密封面直接接觸，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)碰撞損傷。

注意觀察過濾器濾芯，當(dāng)視窗顏色有變化，通常變黑時(shí)，說明過濾器內(nèi)部很臟，應(yīng)及時(shí)清理或者更換濾芯。

6結(jié)束語

通常情況下，如果備件不存在質(zhì)量問題時(shí)，使用新機(jī)械密封的效果好于舊的。但是在更換機(jī)封時(shí)，必須要先判斷機(jī)封損壞的原因和機(jī)封的材質(zhì)結(jié)構(gòu)。動環(huán)、靜環(huán)如果沒有出現(xiàn)過度磨損，還是不更換為好。因?yàn)殪o環(huán)在靜環(huán)座中長時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，使聚合物和雜質(zhì)沉積為一體，起到了較好的密封作用。在這種情況下，機(jī)械密封都是沒有問題的，可以繼續(xù)使用的，既可以節(jié)約成本，又可以減少工作量。

干氣密封使用簡單，但是一次性投入相對較高，但是如果長周期來看，還是起到降本增效的作用。另外干氣密封的密封氣源通常都是氮?dú)猓绻到y(tǒng)無法接收大量氮?dú)獾那闆r下，需要酌情考慮干氣密封的使用。而且雙端面干氣密封會有部分氮?dú)庑孤┑酱髿庵校m然危害不大，但是還是會造成資源浪費(fèi)。如果不是很重要的系統(tǒng)，需要評估利弊后再進(jìn)行改造。

串聯(lián)式雙端面機(jī)械密封系統(tǒng)較復(fù)雜，靜密封點(diǎn)較多，一旦白油泄漏，容易造成環(huán)境污染，所以平時(shí)一定要維護(hù)好輔助系統(tǒng)的密封工作。

不同工藝下的機(jī)泵，要根據(jù)實(shí)際工況選擇機(jī)封形式，而且在原始選型時(shí)，要多權(quán)衡利弊，盡量做到一次投入，保障長周期正常運(yùn)行，即能節(jié)約成本又降低檢修的工作量。

設(shè)計(jì)總結(jié)

Application and Transformation of Mechanical Seal

LIJian-hui，LULi-fei，ZHOUYu

(Baotou Coal Chemical Industry Co.，Ltd of Shenhua Group，baotou，014010)

Abstract：Mechanical seal has been widely used in fluid transfer. This article introduces the fault causes and puts forward some suggestions.

Key words：mechanical seal；fault；transformation

中圖分類號：TH136

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1003-6490(2015)01-0054-05

作者簡介：李劍暉(1985-)，男，山東煙臺人，工程師，主要從事設(shè)備管理技術(shù)工作。

收稿日期：2015-02-10