高溫油泵機械密封失效分析與對策

矯健

摘要：高溫油泵機械密封問題是長期困擾機械行業的一個問題。因工作環境溫度高、壓力大、介質粘度大且催化劑含有固體顆粒，在長期的工作下密封面會產生磨損或松脫，致使密封圈失效。作為機械熱工工藝中的核心設備，高溫油泵機械密封失效將嚴重影響機械熱工生產的安全。基于高溫油泵機械密封的重要性，本文主要探討了高溫油泵機械密封結構，分析了密封面失效的主要原因，從材質、制造工藝、密封結構、系統四個方面探討了高溫油泵機械密封失效改進的對策。旨在為機械熱工生產工藝中高溫油泵機械密封安全提供一些參考。

關鍵詞：高溫油泵機械;密封面;密封失效;結構;磨損

中圖分類號：TE964? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0075-02

0? 引言

機械業是一個非常重要的基礎產業，使用機械熱工生產技術可以生產出品類繁多，應用及其廣泛的機械毛坯、半成品，它在現代工業中占據著非常重要的地位，是國民經濟發展的基礎產業。高溫油泵是機械熱工生產中的專用泵，它常用于機械熱工中的焦化工藝、熔化工藝、減壓蒸餾工藝等中，主要承擔著傳輸的功能。生產工藝均需要高溫高壓的環境，因此對機械設備的密封性能要求極高。高溫油泵機械作為機械熱工的核心設備，設備密封性能一旦失效將直接引發火災、爆炸等安全事件，威脅著生產的安全。研究高溫油泵機械密封失效的原因及對策對于提高機械生產的安全有著重要的意義。

1? 高溫油泵機械密封結構

高溫油泵機械的密封結構有彈簧式機械密封和焊接金屬波紋管機械密封兩種，不同機械密封選擇的材料及處理工藝不同，對應用工況的適應性也存在差異性。機械密封的基本結構由傳統件、防傳件、輔助密封系統、彈性元件、摩擦副等組成。傳動件包括鍵、銷、螺釘、彈簧盒等元件。防傳件主要元件之防傳銷。輔助密封系統主要包括柔性石墨圈、聚四氟乙烯圈、V圈、O圈等元件。彈性元件包括波紋管、碟簧、彈簧等元件。摩擦副主要指動環、靜環元件。以上這些元件的質量及性能都會影響機械密封結構的密封性能。

當元件結構磨損嚴重時，就會導致密封面密封失效。傳動件主要負責將軸的轉矩傳遞給東環，傳動件元件在主機運動過程中發生的磨損較大，一般建議選擇耐磨、耐蝕的材料。防傳件主要的作用是固緊、盛裝及定位東環與靜環的作用，需要有較好的彈性性能，來確保摩擦副使用處于正確的位置。輔助密封系統主要起密封東環、靜環的作用，同時還有輔助浮動和緩沖的作用。當動靜環失效時，密封面的密封性必然松脫而失效，因此要求輔助密封的材料不僅要和介質有較好的相容性、耐腐蝕性，還要具備耐寒、耐熱的性能，防治主機長期在復雜工況下運行而發生變形。彈性元件主要起預報緊、補償、緩沖的作用，依靠彈簧的彈性輔助主動件的摩擦和東環的慣性，才能維持密封副緊密的貼合性。建議采用耐疲勞、耐腐蝕的材料。

1.1 彈簧式機械密封

彈簧式機械密封結構的金屬元件選用耐熱合金，密封面的材料選擇耐高溫的四氟，密封底座還設計有低膨脹的合金材料作為密封環座的墊圈。法蘭側設計有急冷機構，用于密封失效時利用急冷對高溫流體進行冷卻。密封結構中采用較多的彈簧結構作為彈性元件。這種結構可適應的工況≦200℃。由于金屬彈簧在高溫環境下易發生碳化問題，因此長期的高溫環境可能導致彈性結構失去彈性，影響高溫密封結構的綜合密封性能。

1.2 焊接金屬波紋管機械密封

焊接金屬波紋管機械密封的密封管采用金屬波紋管的設計，金屬材質的介質輸送管道耐高溫性能更加突出。金屬波紋管道的連接采用焊接工藝，密封結構上又增加了金屬材質彈性補償元件。彈性補償元件結構為波片組合，與彈簧類似，但手里更加均勻，彈性指數更好且不易失彈。金屬管的焊接部位為主要的薄弱環節。金屬管作為密封結構的組成部分，管道一旦失效，同樣會導致截肢滲漏。機械的密封面采用鋁合金或柔性石墨材料作為墊片，具有較好的耐高溫性能。

2? 高溫油泵機械密封失效的原因

2.1 密封材質原因

高溫油泵機械密封結構對元件的材料要求極高，要求能夠耐高溫、耐磨損、彈性指數好且穩定，膨脹系統差較小。彈簧式機械密封結構的彈簧材料在高溫高壓環境下易發生彈簧失效，焊接金屬波紋管機械密封結構的波紋管選歐陽的普通耐高溫合金在超高溫環境下也會發生彈力失效的問題。金屬墊片在高溫環境下，受力較大易發生磨損，導致墊片失效，而耐高溫的膠圈在高溫、受力不均環境下易發生松動或變形，甚至是脫落，從而影響密封面的密封效果。

2.2 元件加工工藝原因

焊接金屬波紋管機械密封結構的密封性受管材熱處理工藝及焊接工藝的影響較為明顯。焊接管道的焊縫特處理工藝不佳，波紋管的組件在高溫、受力較大的情況下會發生扭斷，這也是導致負壓環境下柔弱部位發生介質滲漏的原因之一。

2.3 系統故障問題

高溫油泵機械系統的主機在運行期間受壓力波動、介質供給波動、沖洗工藝短暫失效、冷卻水結垢、軸承失效等故障的影響，會導致密封面長期受較大的摩擦力，同時受高溫和抽空影響，導致晃動密封圈發生松脫、翻邊等問題的出現，從而影響高溫油泵機械的密封性能。

如圖1所示，密封沖洗系統存在問題及密封腔溫度過高是造成機械密封頻繁失效的主要原因。原設計的機械密封外沖洗系統是自該泵出口引出的水經過冷卻器后，流入密封腔對機封端面進行沖洗。但經計算，沖洗液壓差密封沖洗系統實際為外沖洗。

2.4 密封結構設計問題

高溫油泵機械密封結構的設計直接影響著主機的運行性能。當結構設計與實際工況適應性較差時，主機運行期間易發生周期性的停頓，或存在切換異常、工作負壓等問題。長期運行異常加劇了密封結構的失效。

3? 解決高溫油泵機械密封失效的對策

3.1 選擇耐性較好的材料

高溫油泵機械在不同的工藝中的工況環境不同，因而對密封結構的性能要求不同。在設計高溫油泵機械密封結構時，應根據主機設備運行的工況選擇材料。選擇材料考慮的屬性包括耐高溫性、耐腐蝕性、耐磨損性。在材料選擇上，處于長期的市場競爭考慮，務必選擇復合行業標準規定的材料。有特殊需求的主機密封機構金屬合金可選擇C-276、合金718，切記以次充好。

3.2 優化元件及材料處理工藝

要提高高溫油泵機械密封結構的密封效果，首先要對材料熱處理工藝進行優化，增強高溫油泵機械密封結構元件的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損性能。特別是在制造焊接金屬波紋管及補償元件時，需要經過多次測試最終選擇對金屬材料耐高溫屬性提高較為明顯的熱處理工藝，確保密封結構在長期高溫工況環境下能夠保持較為穩定的彈性性能。熱處理后加強對波紋金屬管質量的檢查，剔除表面存在裂紋或質量有明顯薄弱環節的金屬波紋管。

3.3 優化系統設計

系統故障是造成高溫油泵機械密封失效的外部原因，因此需要通過優化系統設計來穩定系統運行的狀態，提高系統運行的流暢性。對系統的軸承、沖洗結構進行優化，將串聯的設計更改為面對面式的設計，在系統中直接接入外來沖洗接口，同時設計高溫油泵機械密封輔助系統。相當于為主機增加了一套循環沖洗系統，在發生緊急泄漏時，系統可根據泄漏的介質屬性選擇沖洗液，摒棄單一的水來沖洗的方案，防止了沖洗過程中汽化、結晶問題的產生，促進系統排渣、節流、抗溫、抗壓、潤滑，有助于改善機械密封的工作環境。這對于降低介質汽化引發的爆炸事件有著重要的意義。

3.4 優化結構設計

對高溫油泵機械密封結構進行設計時，盡可能的選擇雙端面的密封結構。單端面的機械密封結構只有一對摩擦副，耐摩擦性能較差，易發生變形或松動，因而易發生泄漏問題。雙端面的密封設計采用兩套密封結構，分別是一套主密封結構，一套外端的輔助密封結構，具有雙重保護作用，增加了密封結構的穩定性，同時增加了摩擦副，耐磨損性能增強，在負壓或高壓波動環境下發生有更強的抗變形和抗松動性能。即便是在內端密封結構失效后，外端的密封結構仍舊可以起到保護作用，防治油類介質、有毒介質等泄漏，確保主機運行的安全。

4? 結語

高溫油泵機械內部結構復雜，在機械熱工生產工藝系統中的運行工況更加復雜。高溫油泵機械運行要受高溫、高壓及其他特殊環境的影響，增加了高溫油泵機械運行的危險系數。高溫油泵機械內部的油類介質一旦突破機械密封結構的薄弱環節滲出或發生泄漏，在高溫高壓環境下極易引燃或引爆，將釀成不可挽回的后果。根據高溫油泵機械密封結構的分析，增強密封結構的安全性和密封性能，可以從選用耐磨損的材質、優化密封結構及機械系統，優化金屬管道的熱處理工藝等多個方面入手，增強密封結構連接縫及密封面的可靠性，加強高溫油泵機械密封結構的薄弱環節，盡可能的延長高溫油泵機械元件及機械本身的使用壽命，加強設備維護及檢修，從而有效的確保高溫油泵機械在長期的高溫高壓環境運行下的安全性。

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