機械密封在液態氣體中的工作壽命

陳勇

（成都仕倫密封有限責任公司，四川成都 610500）

引言

低溫機械密封，泛指輸送液氧、液氮、液氬、LNG和溫度低于-80℃液態碳氫化合物的離心泵中使用的接觸型機械密封，其使用工作溫度最低為-196℃。迄今為止，這類機械密封國內尚無國家標準，也無國際標準可借鑒。但社會生產實踐中，此類產品已廣泛用于航天、空分、能源、冶金、制藥、電子、玻璃等產業輸送液態氣體的離心泵中。

低溫機械密封有關研發和實踐經驗的論述，在國內期刊和網絡上的交流鳳毛麟角，殊難一見。

接觸型低溫機械密封的工作壽命有多長？工作壽命的決定因素是什么？如何正確使用可以讓低溫機械密封壽終正寢？這是下文要研究的內容。

1 國內外有關研究情況

圖1、圖2為網絡上搜索所獲國外著名機械密封制造商對工作于液態氣體介質中的低溫接觸型機械密封工作壽命的數據收集。

圖1 美國PPC公司副總的文章，發表在美國“泵和系統”期刊文載

圖2 美國約翰克蘭公司工程師對25輛槽車機械密封的平均壽命（星期）的統計：液氬6周，液氮14周，液氧25周

圖1未涉及低溫泵工作的工況參數和密封面材料。籠統地公布收集的最短和最長的低溫機械密封壽命數據：低溫機械密封工作壽命低于2 000 h。

圖2 的統計數據中，未公布開停車總次數和密封面材料，留下許多想象空間。

所以，我們認為圖1、圖2 因收集的數據數量不夠多，公開的信息有明顯欠缺，不具統計學的數據指導意義，但可以管中窺豹視為參考。

它告訴我們：工作于不同的液態氣體介質中低溫機械密封的工作壽命有很大的差異。這是我們無法改變的。

所有液態氣體的動力粘度極低，所以嚴格意義下均無潤滑能力，使用于其中的低溫機械密封比干摩擦狀態下的密封面間的磨損嚴重多倍（德國E.邁爾“機械密封”一書中，已有專門試驗論述）。

我們發現之前德國、美國某些著名密封公司對此類機械密封工作壽命描述為≥2000 h，現在均已取消。

界于條件，我們自己無法試驗（國外所有生產廠亦然），只有依靠“現場運行試驗”。

我們參與并收集的杭氧某公司的壽命試驗數據為：液氮、工作壓力0.5 MPa，軸徑35 mm,轉速3 000 r/min，只從泵預冷結束開車計，運行時長0.5 h，停車。累計時長500～550 h，即開車約1 000～1100 次。密封面配對為進口人工合成高分子塑料（軟環）對淬硬不銹鋼（硬環）。

2 影響低溫機械密封工作壽命的因素

多年實踐總結，低溫機械密封取得滿意工作壽命的關鍵條件是下面的內容：

（1）低溫離心泵的精度（泵軸精度、軸承精度等）。

（2）低溫機械密封的品質（波紋管材料，動、靜環密封面材料選擇，低溫處理，自然時效和密封面的平直度）。

總結：僅就低溫接觸型機械密封而言，密封面選用進口人工合成超高分子材料（紅環）和某種硬度不銹鋼是工作于液化氣體介質中最好的密封面配對，其配對低溫機械密封壽命高于碳石墨和改性四氟（綠色、灰色等）配對不銹鋼或硬質合金。

（3）安裝時適合的壓縮量

所有提供給客戶的低溫機械密封，都有書面文件提供安裝壓縮量范圍，以常見的低溫運輸槽車離心泵中的機械密封為例（法國Cryostar 公司的低溫機械密封型號：MFLC12/27.5）,提供的安裝壓縮值1.2～1.5 mm,對工作壓力0～0.6 MPa 的槽車而言，適合的安裝壓縮量是1.3～1.4 mm。

如果安裝時取下限1.2 mm 以下，機封的閉合力減小，承壓力降低，機封易發生泄漏。

如果安裝時壓縮值取上限1.5 mm 以上，工作時密封面（動、靜環端面間）可能會形成干摩擦，動環（硬環）端面迅速磨成凹槽，靜環（軟環）迅速磨損。密封面的平直度、光滑度一旦破壞，干摩擦現象將不可逆，機械密封的工作壽命極短。

安裝時選取適合的安裝壓縮值，是為了保證工作時機械密封的密封面間始終保持在臨界摩擦狀態（有不連續的液膜存在），低溫機械密封有較長的工作壽命。

（4）開車前，低溫離心泵及管線、閥門等環境必須充分預冷

低溫離心泵開車前預冷的操作，要求嚴謹有序，有條件的企業，已將這項工序改由計算機程序控制，效果很好。

不少企業還是現場人工操作，人工操作可靠的少，不可靠的多。預冷不充分，這是很多低溫機械密封工作壽命降低的主要原因。

預冷不充分除了造成泵軸急冷彎曲，泵精度破壞外，機械密封不能正常工作，同時因低溫離心泵開車無輸出，只能停車，再預冷，再開啟。這無謂地增高了開車成本。

工作于氣液兩相的液態氣體中的低溫離心泵，現場工作人員在保證泵的精度和脫脂的前提下，選擇安裝機械密封合適的壓縮量，開車前充分預冷，將泵體、管線、閥門等的環境溫度，降至輸送液態氣體介質入泵的汽化壓力在機械密封承壓值內，當泵運行時，葉輪輸送的是液體，不是氣體。這是低溫泵運行前必須充分預冷的物理原則。工作時將泵體內產生的攪拌熱和摩擦熱讓輸送流體帶出泵外，是低溫機械密封良好工作壽命的關鍵。

3 結語

綜上所述，低溫接觸型機械密封的工作壽命，目前沒有量化的指標，但如何提供出符合生產實踐中優秀的力學參數的機械密封，用嚴格規范的生產工藝，保證產品的質量，是制造廠家努力的方向。

與此同時，認真地參考生產廠家提供的操作和安裝文件，給低溫機械密封提供正常的工作條件，這是現場操作人員要努力做好的工作。