泵用机械密封

泵用机械密封（精选八篇）

泵用机械密封 篇1

1 机械密封的基本结构

机械密封结构形式很多, 但工作原理基本相同, 主要是根据摩擦副的对数、弹簧、介质和端面上作用的比压情况以及介质的泄漏方向等因素来划分。以最常见的内装式非平衡型单端面机械密封为例, 其基本结构如图1所示。

固定螺钉1, 将弹簧座2固定在轴上, 弹簧座2、弹簧3、推环4、动环6和动环密封圈5均随轴转动, 静环7、静环密封圈8装在压盖上, 并由防转销9固定, 静止不动。

从结构上看, 机械密封将容易泄漏的轴封改为较难泄漏的静密封和端面径向接触的动密封, 动环及静环组成的摩擦副、动环密封圈、弹簧是机械密封的主要元件, 而动环随轴转动并与静环紧密贴合是保证机械密封达到良好效果的关键。

2 机械密封的密封途径

根据以上机械密封的结构图, 可以清楚的看到机械密封中有四个可能的泄漏点A、B、C和D, 泄漏点同时也意味着是密封点, 如图1。

(1) 密封点A属于动密封点, 是机械密封的关键。机械密封的泄漏90%是由于摩擦副的密封端面, 即密封点A失效引起的。密封主要靠泵内液体压力及弹簧力将动环压贴在静环上, 两环的接触面A点上总会有少量液体泄漏形成液膜, 一方面可以阻止液体继续泄漏, 另一方面又可起到润滑密封面的作用。

(2) 密封点B、C、D属于静密封点。静密封点多采用密封圈来密封, 密封圈材料具有弹性, 能对密封环起弹性支撑作用, 并对密封端面的歪斜和轴的振动有一定的补偿和吸振效果, 可提高密封端面的贴合度。

(1) 密封点B在静环与压盖之间, 用有弹性的O形或V形密封圈压于静环和压盖之间, 靠弹簧力使弹性密封圈变形而密封。

(2) 密封点C在动环与轴之间, 考虑到动环可以沿轴向窜动, 可以采用具有弹性和自紧性的V形密封圈来密封。

(3) 密封点D在密封腔与压盖之间, 可以采用密封圈或者垫片作为密封元件。

安装机械密封时, 如果能同时保证上述各密封点充分发挥作用, 就能够有效阻止泵内介质的泄漏, 达到密封的目的。

3 机械密封安装前的准备

3.1 检查清洗零部件, 做好硬件准备

检查要进行安装的机械密封的型号、规格对否正确, 清洗干净机械密封零件、轴表面、密封腔体等。安装过程中应保持清洁, 特别是动静环的密封端面及辅助密封圈表面应无杂质、灰尘。为了便于装配, 应在轴或轴套表面、压盖与密封圈配合表面涂抹机油或黄油。动静环密封端面上也应该涂抹机油或黄油, 以免启动瞬间产生干摩擦损坏密封端面。

3.2 检查辅助密封元件

核对密封圈尺寸是否合适, 主要包括动环密封圈及静环密封圈, 它们分别构成动环与轴、静环与压盖之间的密封。密封圈最常用的主要是橡胶O形圈和聚四氟乙烯V形圈两种。

(1) 安装在动、静环上的橡胶O形密封圈的压缩量要掌握适当, 过小会使密封性能差, 过大会使安装困难, 摩擦阻力加大, 且浮动性差。其压缩率一般取截面直径的6%~10%, 对轴的过盈量一般为1%~3%。

(2) 聚四氟乙烯V形圈由两侧密封唇进行密封, 属于自紧式密封, 介质压力越高, 密封性能越好。V型圈内径要比轴径尺寸小0.4~0.5mm, 外径比安装处尺寸大0.3~0.4m m, 特别需要注意的是V型圈安装时开口朝向介质。

(3) 检查动静环表面是否光滑平整, 有无碰伤、裂纹和变形等缺陷。密封面合格与否可用简单的方法来检验, 使动环与静环的接触面贴合在一起, 两者之间只能产生相对滑动, 而不能用手轻易分开, 这就表明密封面是合格的。

(4) 检查轴的径向跳动及轴向窜动是否符合要求

(1) 径向跳动允许值根据测量部位直径d (m m) 不同而要求不同, 以单级离心泵为例, 其转轴径向跳动允许值应符合表1要求。

(2) 轴向窜动量允许值因设备型号不同而要求不同, 从理论上来说, 轴向窜动量越小, 对于机械密封的安装越有利。轴向窜动量对于机械密封压缩量的确定十分重要, 对于离心泵来说, 轴的窜动方向是由高压指向低压, 所以轴向窜动量加上预设的弹簧压缩量才是离心泵开车投运后机械密封真实的压缩量, 如果安装机械密封时没有考虑到窜动量, 将造成动静环摩擦力过大, 超过允许值而损坏机械密封。

4 机械密封的安装

安装准备工作完成后, 就可以按照一定的顺序进行机械密封的安装, 先完成静止部位在压盖内的安装和旋转部位在轴上的安装, 最后完成机械密封的总体组合安装。安装过程中决不允许用工具直接敲打密封元件, 以防密封元件的损坏。以常见的非平衡型单端面机械密封为例, 如图2, 安装过程如下。

4.1 静止部分的安装

将防转销1插入压盖相应的孔内, 再将静环密封圈2从静环3尾部套入, 然后使静环背面的防转销槽对准防转销装入压盖内, 同时检查确认静环无偏斜。防转销的高度要合适, 应与静环防转销槽的根部保留1~2mm的间隙。

4.2 确定弹簧座在轴上的安装位置

确定安装位置应在调整好轴与密封腔壳体的相对位置的基础上进行。

(1) 在沿密封腔端面的泵轴上划一条基准线;

(2) 测量静环端面到压盖端面的距离A并记录;

(3) 机械密封在工作状态下的压缩量为δ, 设计的允许压缩量极限为δ1, 转轴的轴向窜动量为δ2, 那么δ≤δ1-δ2;

(4) 弹簧座的定位尺寸B可以由下式得出

式中:

B-弹簧座背端面到基准线的距离;

L-机械密封在工作状态下的长度, L=L´-δ;

L´-机械密封在自由状态下的长度;

δ-机械密封在工作状态下的压缩量;

A-静环端面到压盖端面的距离;

S-密封端压盖垫片厚度。

4.3 旋转部分的安装

组装推环7、弹簧8、弹簧座9以及动环密封圈6, 使之成为组合件套在轴或轴套上, 弹簧座背面对准规定的位置, 分几次均匀拧紧固定螺钉10, 用手压迫动环, 看是否能够轴向浮动。

4.4 总装

将已经安装好静止部分的压盖安装到密封腔壳体上。

(1) 压盖与轴套的直径间隙为0.75~1m m, 与密封腔的垫片厚度为1~2m m, 压盖螺栓均匀上紧, 防止压盖端面偏斜。

(2) 弹簧压缩量要按规定进行并且考虑到轴向窜动量, 不允许有过大或过小的现象, 要求误差±2.00mm, 过大会增加端面比压, 加速端面磨损, 过小会造成比压不足而不能起到密封作用。

(3) 安装结束后, 应予盘车, 观察有无碰触之处, 盘车应该感觉均匀、轻快, 如感到盘车很重, 卡涩或有异常声响, 必须检查轴是否碰到了静环, 密封件是否碰到了密封腔。引入液体介质静压试验后, 如果泄漏量不超过5滴/min, 那说明本次机械密封的安装基本符合要求, 可以进行离心泵的开车运转了。

5 结论

按照以上方法安装的机械密封, 使得离心泵连续运转一年未出现任何泄漏现象, 在年度装置停车检修时, 对离心泵进行解体检查, 动静环均未出现磨损现象, 摩擦副端面依然光滑平整, 处于良好的工作状态, 此类机械密封可以重复使用, 节约了大量的备件费用。

摘要：正确使用机械密封的安装技术, 能够大幅减小离心泵因泄漏而停泵检修的频率, 保障了生产装置的长周期平稳运行。

关键词：离心泵,机械密封,动环,静环,辅助密封,泄漏

参考文献

[1]魏龙.泵维修手册.化学工业出版社.2009

[2]傅伟.化工用泵检修与维护.化学工业出版社, 2010

泵用材料介绍 篇2

一、铸铁

1、灰口铸铁

最常用的一种铸铁，国标代号为HT。一般清水泵的泵体、叶轮、泵盖、悬架等均采用该材料，通常用到三种牌号：HT150、HT200、HT250。对于底座、垫板等非主要零件多采用HT150，泵体、泵盖、悬架等多采用HT200，而叶轮、口环、轴套等多采用HT250。

各国对灰铁的表示方法有所不同，如日本的代号为FC，德国的代号为GG，美国为Class。

2、球墨铸铁

是一种综合性能较好的铸铁，国标代号为QT。由于其力学性能接近钢，同时其铸造性能、加工性能优于钢，因此通常把它作为铸钢的替代品。最常用到的牌号有：QT450-

10、QT500-

7、QT600-3。由于受铸造等原因的限制，公司目前暂不做该材料。

DIN标准对球墨铸铁的表示方法为GGG，美国的表示方法为Ductile iron。

另外还有耐腐铸铁——高硅铸铁，耐磨铸铁——白口铸铁，高韧性铸铁——可锻铸铁等，公司现有产品尚未用到。

二、铸钢

由于铸钢的强度转高，通常当压力＞1.6Mpa时，承压零件多采用铸钢，其国标代号为ZG，最常用的牌号为ZG230-450。

日本和美国通常用CS表示铸钢。

三、不锈钢

应用最多的不锈钢为奥氏体不锈钢，如0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo2Ti等。除盐酸、稀硫酸等少数介质外，奥氏体不锈钢是优良的耐腐蚀材料，是化工泵最常采用的耐腐材料。日本和美国通常用SS304、SS316、SS316L来表示奥氏体不锈钢。

马氏体不锈钢如2Cr13、3Cr13，其力学性能优于奥氏体不锈钢，通常被用作泵轴和轴套的材料，日本和美国的对应代号为SS420。

另外，高合金不锈钢（20号合金）和双项不锈钢也是较理想的耐腐蚀材料。

四、碳素结构钢

通常分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。

最具代表性的普通碳素结构钢为Q235，各类钢板、型钢多采用该材料；最具代表性的优质碳素钢为45号钢，其广泛用于无腐蚀要求时的泵轴材料。

五、合金钢

最具代表性的合金钢为40Cr，通常用于高强度泵轴的材料。

六、非金属材料

泵用非金属材料主要用于密封，如聚四氟乙烯、氟橡胶、丁腈橡胶等。其中聚四氟乙烯因具有优良的耐腐蚀、耐高温性能而用于化工泵的密封垫以及机械密封的静密封，适用于250℃内几乎所有的化工介质，其缺点是硬度较高、装配难度大。

泵用机械密封的泄漏分析与检修分析 篇3

在现代化工生产中，泵用机械密封不可或缺，且用量很大，特别是在储运硫酸、烧碱等特殊液体物料方面，对密封性有着极为严格的要求，但机械密封泄漏是个难题，亟待解决。对此，本文分析了泵用机械密封泄漏问题，并就其检修进行了研究，希望对降低泵用机械密封泄漏几率和影响，延长密封使用寿命有所帮助。

【关键词】泵用机械密封 泄漏 检修

众所周知，泵用机械密封在化工领域十分常见，一旦发生泄漏便容易引发安全事故和重大损失，毕竟其运输的多为危险性物质，如硫酸、烧碱等，这就要求我们加强日常检修，以期将密封泄漏隐患降至最低。可是在正式着手该项工作之前，必须对泵用机械密封泄漏的原因和检修方法等有所掌握，唯有如此，才可能事半功倍，有效解决问题。

1.泵用机械密封泄漏分析

泵用机械密封之所以应用广泛，而这与其诸多优势关系密切，如较之软填料密封，其泄漏量小，状态稳定，密封性更为可靠；摩擦功率较小，轴套磨损几乎可忽略；而且抗震性好，使用寿命和维修周期较长，其中端面在发生磨损后仍可进行一定的修补并继续使用。虽然如此，可是泄漏问题并不能完全规避，而且后果不容忽视，具体情况如下所述：

1.1试验性泄漏

若泵用机械密封安装不规范，则易在静压或加水试验期间发生泄漏，常见的有动静环接触面因安装不当而损坏或碰伤，动静环夹入了砂尘或铁锈等异物，密封圈未压紧或损坏或尺寸有误等都可能引发泵用机械密封泄漏甚至失效。

1.2突发性泄漏

一般情况下，因泵抽真空、振动强烈等原因导致补偿弹簧、传动销、防转销等脱落或断裂，以及相关辅助装置出现故障灯，如此一来，动静环冷热状态便会骤变，最终造成密封面裂缝或变形，进而发生密封泄漏，此时需要对部分泵用机械密封部件进行更换[1]。

1.3运转性泄漏

在泵用机械密封使用期间，往往也面临着一些泄漏问题，如零件受力不均导致的端面变形，摩擦热和过大的端面比压导致的动静环热变形，圆套件与动静环存有水垢而无法及时对磨损位移进行补偿，动静环密封面中的轴线有着误差较大的不垂直度，选材不当导致工作介质失去弹性等，均易造成密封失效[2]。

1.4压力性泄漏

当启动或停运泵时可能会因进口堵塞或者介质中有气体致使密封腔存在负压，并由此引发端面干摩擦和密封泄漏；有时压力波和高压也会导致泵用机械密封泄漏，因为过大的总比压、弹簧比压、密封腔内压容易加大液膜的形成难度，这无疑加大了泄漏风险。

此外，在泵停运一段时间后重新启动容易因介质结晶、凝固、弹簧锈蚀等发生机械密封泄漏；泵轴的周期性振动、窜动量超标、参数不稳定、密封腔内压变动等情况则容易引发周期性泄漏问题。

2.泵用机械密封泄漏检修研究

泵用机械密封形式多样，原因复杂，但无论出自何种因素，均不利于硫酸、烧碱等物质的安全存储和运输，故进行科学有效的检修十分必要。

2.1尽量避开检修误区

在泵用机械密封检修过程中，常常面临着一定的误区，如：越紧的动环密封圈反而会影响密封效果，过大的弹簧压缩量容易造成密封失效，越紧的叶轮锁紧螺母可能会引发垫圈提前失效，过紧的静环密封可因发生偏磨而过早失效等等，而且在原因不明的情况下，并不建议一定要急于拆修或更换新的密封零件，降低引发新泄漏风险的概率[3]。因此为保险起见，我们在对泵用机械密封进行检修时，必须认清上述误区，并熟练掌握其基本结构和工作特点予以合理选型、规范安装和科学使用管理，特别是有关储运硫酸、烧碱等物质的泵用机械密封，更应予以高度重视。

2.2明确清扫检查重点

泵用机械密封要求内部无杂质，零部件无损，故动环、静环、轴套等结构需要彻底清扫干净，并重点检修：动静环是否存在裂纹、划痕等缺陷，最好借助专用工具对密封面的平整度进行检查，或者着手水压试验，以此消除泄漏隐患；检查动静环座与密封圈是否存在伤痕，补偿弹簧是否变形或损坏或者倔强系数偏大偏小，以便及时发现并消除异常隐患；密封轴套的沟痕、毛刺缺陷，密封胶圈的气孔、裂纹缺陷和直径偏差，螺旋线断线、裂纹等缺陷等均易引发密封泄漏，故应重点检查和维修。

2.3严格校核组装尺寸

由于泵用机械密封检修相对复杂，若要确保机械密封良好无泄漏，必须对其密封尺寸进行严格的校核，以免因零部件松脱或者偏紧影响密封效果。一般情况下，动静环硬摩擦密封面的径向宽度应比软质材料大1-3mm，动环内径大于轴径0.5-1mm，静环内径大于轴径1-2mm，以此对轴的偏斜与振动有所补偿，防止因密封圈卡入破坏密封[4]；合理校正密封紧力，保持合适的端面比压，以免因偏小导致泄漏或因偏大加重摩擦，具体应视静环与压盖端面、动环与压盖端盖之间的垂直距离差值情况而定；准确测量补偿弹簧、防转哨子长度、销孔深度等等，若发现异常并采取有效的补救措施。

2.4科学解决泄漏问题

针对泵用机械密封已经暴漏的泄漏问题，则应采取针对性的检修措施，如对于由动静环端面变形引发的密封泄漏，可拆开端面检查是否存在过热变形，必要时予以更换，并进行规范装配；若因选材不当致使辅助密封介质失弹，建议选择与泵用机械密封要求相匹配的密封部件；对于磨损严重的端面、存在的水垢、超标的泵轴挠度等可采取更换、清洁、修复等措施；对于突发性密封泄漏，要在明确成因和故障定位后更换新的机械密封；对于泵停启过程中的真空状态造成的密封泄漏，建议配用双端面密封，以期通过润滑条件的改善强化密封性能；对于压力波和高压引发的密封泄漏，可以尽量选择陶瓷、硬质合金等强度好、耐压的材料，结合冷却润滑方法，选择可变形的键、销等传动方式等，以此降低泵用机械密封泄漏的不利影响。

3.结束语

总之，泄漏问题历来是泵用机械密封的通病，而且尚未得到彻底根治，因此当务之急是采取科学合理、行之有效的检修方式最大程度的降低其泄漏风险和影响范围。这就要求我们先寻找泄漏根源，然后结合有效的日常检修和到位的定期养护，及时消除泄漏隐患，保障泵安全运行的同时，降低维修成本，延长使用寿命。

参考文献：

[1]付超帅.泵用机械密封失效原因分析[J].科技与企业.2012，（20）：15-16.

[2]陈先海.电厂脱硫泵用机械密封故障分析和维修[J].制冷空调与电力机械. 2010，（01）：09-11.

[3]尹志升.泵用机械密封检修中的几个误区[J].设备管理与维修.2011，（05）：23-24.

泵用机械密封故障分析及对策 篇4

1 泵用机械密封的原理及要求

泵用机械密封主要是运用物理学中的相对及相互运动原理, 让一个固定的面与一个旋转的面通过轴承相连接、相贴合。机械密封通常是指由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力或者磁力的作用下以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。通常在泵用机械装置中, 其密封通常由动环、静环、压紧元件和密封元件等组件组成。其中的动环和静环的端面组成一对摩擦副, 动环是依靠密封在泵用机械室中的液体压力使其端面压紧, 因此形成密封的空间。通过泵用机械密封两环端面上所产生的一定比压和形成的一层薄液体膜而达到密封的目的。压紧元件会跟随泵用机械的密封力产生一定的压力, 让泵用机械在运转与不运转的状态下, 都能够保持着端面贴合、密封介质不外漏、杂物不进入的一个密封的状态。在实际运行过程中, 机械密封不是一个孤立的部件, 它要与泵的其他零部件一起组合起来运行。同时机械密封的正常运行是有条件的, 例如泵轴的窜量不能太大, 否则摩擦副端不能形成正常要套求的比压;机械密封处的泵轴不能有太大的挠度, 否则端面比压会不均匀等等。

2 泵用机械设备密封故障的原因

2.1 根据磨损分析故障的原因

磨损对于泵用机械来说能够真实地反映出泵用机械的整体运动情况、磨损失效情况以及密封情况。其磨损的具体情况可以为泵用机械的密封故障分析提供准确的分析依据。当泵用机械的端面出现较大、较宽的磨损时, 就表明泵的轴转动角度已经发生改变, 泵在转动时机械密封振动偏大, 最终导致失去密封的效果。每转动一次, 泵用机械的密封端面会逐步降低并减少密封性能, 所造成的磨损会导致密封出现分离、泄漏等现象。如果泵用机械的联用轴出现不对称, 或是弯曲的现象, 就有可能产生泵轴偏斜的情况, 致使轴承的精确度不断地降低, 导致振动次数越来越频繁等。造成这一系列的原因主要是在安装泵用机械密封件时, 对其调整不够到位, 使其出现了过分的磨损现象, 整个泵用机械密封调节性基础薄弱或下沉的轴使得轴中心不断地发生变动, 或者是由于联动轴在进行运转时其螺栓孔的加工偏差, 导致轴线整体偏移等情况。这样所引起的泵用机械轴的振动都会导致密封的失效。

2.2 泵用机械密封泄漏失效原因

2.2.1 端面不平

由于泵用机械的端面在平整度、粗糙度上没有达到其机械设备整装的技术要求, 亦或者是在使用泵用机械前就受到了损伤而出现了泄漏状况, 不管何种情况, 我们都应该重新对泵用机械进行研磨抛光或是更换密封环、密封圈, 以此进一步控制其密封的效果, 减少密封故障的损失。

2.2.2 端面污物

泵用机械在使用运行的过程中, 夹杂了污染物或者在安装时不小心“混入”了污染物, 均会造成泵用机械的摩擦端面粗糙, 导致出现泄漏的故障。

2.2.3 安装不正确

如果泵用机械在安装时, 没有按照图纸或是相关技术规范进行安装, 就会导致泵用机械的安装位置不当, 造成比压过大或过小, 使机械密封磨损过快, 进而出现泄漏现象。

2.2.4 端面变形

如果泵用机械的密封端面材质选用的是碳石墨材料作为密封主原料, 那么其密封故障就会由于其弹性模量小而产生变形, 导致泄漏的发生。

2.2.5 密封质量问题

如果在选用泵用机械密封设备时所选取的橡胶密封圈尺寸出现差异, 就会使泵用机械的整体压缩率出现差异, 从而出现密封故障。

2.3 泵体与压盖之间的泄漏原因

如果泵用机械在泵体与压盖的相配合端面存在缺陷, 例如凹凸坑面、刻痕等, 都容易让泵体出现泄漏。另外, 当泵用机械的螺栓紧固能力小于泵的转动、运行力时, 其压缩垫片就不能将接触面上的凹凸面填满, 如此也容易出现密封的故障。当垫片或密封圈受损、变形、受力不均匀时, 也均会对泵的整体密封性能产生影响。所以, 我们必须针对其泄漏的具体原因提出具体的解决方案, 以保障泵用机械能够稳定的运行、使用。

2.4 轴套与轴之间的泄漏

在很多型号上的泵用轴承都设有保护性轴套。但是, 我们不排除轴套与轴之间的密封不严而出现的泄漏事件。泄漏通常是由于安装环节上出现了问题, 即不达标的密封圈或垫片严重损伤了运行中的轴承。由于在泵用机械运行时其轴套在很多情况下是不会伸出密封腔的, 因此轴套与轴之间的泄漏常会被人们忽视。

2.5 弹簧与波纹管的原因

在泵用机械密封的加载组件中, 其弹性元件一般都会运用在圆柱的压缩螺旋弹簧上。因此, 在使用过程中其泵用机械的机械密封弹簧或金属波纹管出现变形、断裂、腐蚀等情况时, 即是密封故障出现的时候。

3 解决泵用机械密封故障的相应对策

3.1 增强泵用机械密封润滑与散热

通过进一步地加强泵用机械设备的整体散热及密封性能, 来逐步强化密封圈的润滑性和换热性, 逐步改善泵用机械设备的密封工作环境, 提高其密封的使用寿命与效率。通过安装较完善的与距离较远的密封冲洗腔, 从而在外部直接让泵用机械的密封热能减低, 提高整体的运行效率。

3.2 改变泵用机械的动环运行结构

在这里, 我们可以借鉴与参考国外的先进技术与泵用机械的构造, 将泵用机械的动环由整体的碳化钨改为不锈钢材质的动环, 从而减少碳化钨在运行中的损耗与升华。由于泵用机械的动环在轴的定位与轴的运转上, 都承受着夹紧力、离心力、摩擦力等多种力, 其碳化钨作为密封圈, 是用来防偏转与差异连接的, 一旦动环座存在一定间隙时, 就会在受力后自由浮动, 在其受热后发生胀裂。因此, 这将会直接导致泵用机械的白油外漏。如果将其换为不锈钢材质的动环就能够有效地降低与减少动环碎裂后出现的泄漏事件。其不锈钢动环具有韧性强、材质坚硬等特点, 能够有效地保障泵用机械设备的正常运转, 防止密封油泄漏。

3.3 定期冲洗、清理泵, 合理选用冲洗方式

对于泵用机械使用前、后的清理及其善后工作, 要做到停止使用后及时地冲洗、清理其泵中的污垢, 在泵用机械启动时严格检验运行环境。如果泵用机械的浆液浓度过高时, 一定要采取冲洗的原则, 以保障浆液能够得到稀释。在不断地更新与变化泵用机械的冲洗方式、方法时, 一定要注意其清洗浆液的精确度, 保障密封面、密封圈等都没有沉积的粉末, 才能够有效地保障清洗后的泵用机械设备在安全、可靠的环境下运行使用。

4 结语

综上所述, 我们通过对泵用机械密封原理及要求的解析, 进一步了解了泵用机械设备在检测密封故障时的各项因素。全面完整地分析其影响因素与弊端, 进而提出了解决泵用机械密封故障的相关对策与建议, 使泵用机械始终能够保持高效的密封性能, 稳步地提升其使用价值。

参考文献

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[2]安瑞钧, 苏文学.液态烃泵机械密封失效分析及对策[J].甘肃科技, 2004 (5) :102～103

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[6]陈健, 李志山.高速泵机械密封故障原因分析及对策[J].机械, 2008 (8) :159～161

影响泵用机械密封外部条件的研究 篇5

随着机械密封技术的不断发展, 工业泵采用的密封装置正由传统的填料密封向性能可靠、泄漏量少、使用寿命长、功耗低、无需经常检修的机械密封转变。尤其是在石油化工领域内, 因处理的介质具有易燃、易爆、易挥发、剧毒等特性, 一旦出现泄漏, 将严重影响生产正常进行, 所以, 石油化工生产用泵的密封多数采用机械密封装置。

经对国内、外离心泵故障的统计分析发现, 机械密封故障仍占其中的50%～70%, 而机械密封故障中绝大多数属于事故性故障, 事故性故障是指一个或几个密封零件没达到预期的使用寿命便丧失了使用功能, 造成整个装置泄漏量超过了允许值。实践证明, 故障分析是技术改进和减少故障的一种行之有效的科学手段。在评定泵用机械密封优劣时, 采用的主要指标为泄漏量、使用寿命和可靠性, 这些指标贯穿在机械密封的设计、制造、选型、安装及使用管理等环节。由于流体机械的可靠性主要取决于密封装置, 因此, 提高密封装置的可靠性可大大减少离心泵的故障率。经统计分析, 除了密封设计、制造的原因外, 超过50%的失效都是用户使用不当或维护不及时造成的。

人们在进行故障分析时, 通常习惯于把故障原因放在机械密封装置本身, 很少有人在机械密封安装、使用等外部条件方面去查找原因。本文作者将通过分析影响石化行业泵用机械密封效果的几种外部因素, 提出提高密封装置运行可靠性和运行周期的建议。

2机械密封装置的工作原理

机械密封也称端面密封, 整个装置至少有一对垂直于旋转轴线的端面, 随轴旋转的动环端面在流体压力及补偿机构的外弹力 (或磁力) 作用下, 并配以辅助密封与另一固定在端盖上的静环端面保持贴合并作旋转式相对滑动而达到阻止流体泄漏的轴封装置。两个紧密贴合的密封端面之间存在一微小间隙, 当具有一定压力介质通过此间隙时, 会形成一层极薄的液膜, 该液膜的阻力阻止介质泄露, 且使端面得到润滑。典型机械密封结构见图1。

机械密封装置主要由以下四大部分组成: (1) 由静环和动环组成的一对或几对密封端面, 有时称密封端面为摩擦副; (2) 以弹性元件 (或磁性元件) 为主的补偿缓冲机构; (3) 辅助密封圈; (4) 保证动环和轴一起旋转的传动机构。

生产实际中, 泵用机械密封装置流体可能泄漏的途径有以下几处: (1) 端面摩擦副的密封面处泄漏。这是决定机械密封装置摩擦性能和密封性能的关键部位, 也是决定机械密封装置工作寿命的关键所在, 因此, 对接触端面的要求应给与高度重视。由于动环与静环端面作旋转式相对滑动的动密封, 对密封端面的加工要求很高, 其平面度为0.0009mm, 硬环表面粗糙度Ra≤0.1μm, 软环表面粗糙度Ra≤0.2μm。为了使密封端面间保持必要的润滑油膜, 必须严格控制端面上的单位面积压紧力。端面上单位压力过大, 不易形成稳定的润滑液膜, 会加速端面的磨损;端面上单位压力过小, 泄漏量会增加。所以, 要获得良好的密封性能和较长的寿命, 在安装机械密封时, 一定要保持端面单位压力值在最适当的范围内。 (2) 静环与压盖的辅助密封件处泄漏和动环与轴 (或轴套) 的辅助密封件处泄漏。这两处是辅助密封面, 静环与压盖间的密封属静密封, 端面磨损时, 动环仅能沿轴向作微量的移动, 此处仍可看作是一个相对静密封。工程实际中, 动环的追随性是此处辅助密封的关键, 因此, 动环与轴 (或轴套) 密封面, 特别应防止锈蚀、水垢或化学反应物料堆积而造成的动环卡死现象。 (3) 压盖与密封箱体之间静密封和轴套与轴的静密封。这两处均为静密封, 可根据密封介质选用相容的材料。另外, 动环采用镶嵌结构也可能在配合处泄漏。

1-轴;2-防转销;3-静环;4-动环;5-传动销;6-弹簧;7-弹簧座;8-紧定螺钉;9-传动螺钉;10-压环;11-动环O形圈;12-静环O形圈;13-压盖;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ-泄漏点

通过机械密封装置工作原理可以看出, 机械密封装置正常运行应满足以下基本条件:首先, 动静环端面应保持良好的润滑和散热, 防止端面热变形、热裂、泡疤、炭化等现象发生;其次, 泵轴的窜量不能太大, 否则摩擦副端面不能形成正常要求的比压;另外, 泵轴不能有太大的挠度, 泵的振动应在规定范围之内, 否则密封端面比压会不均匀。只有满足以上的外部基本条件, 再加上良好的机械密封装置自身性能, 才能达到理想的密封效果。

3离心泵运行时机械密封故障及分析

机械密封装置发生泄漏主要有以下四种情况:一是加水或静压试验时发生泄漏;二是安装后、运转时产生周期性泄漏;三是经常性泄漏;四是突发性泄漏。

对机械密封静压试验时发生泄漏故障, 经统计分析, 其原因是由于检修、安装未达到标准要求。主要有以下几种现象存在: (1) 动、静环接触表面不平, 安装时碰伤、损坏。 (2) 动、静环密封圈尺寸有误、损坏或未被压紧。 (3) 动、静环表面有异物。 (4) 动、静环V形密封圈方向装反, 或安装时反边。 (5) 紧定螺钉未拧紧, 弹簧座后退。 (6) 密封圈未装或压紧力不够, 造成轴套处泄漏。 (7) 弹簧力不均匀, 单弹簧不垂直, 多弹簧长短不一或个数少;密封腔端面与轴垂直度不够。 (8) 静环压紧不均匀。

安装后、运转时产生周期性泄漏, 经统计分析发现, 运转中如泵叶轮轴向窜动量超过标准, 转轴发生周期性振动, 工艺操作不稳定及密封腔内压力经常变化均是导致机械密封周期性泄漏的原因。

机械密封发生泄漏现象的原因主要有以下几种: (1) 动、静环接触端面比压过大, 摩擦热引起动、静环的热变形。 (2) 安装时零件受力不匀等, 造成密封端面发生变形。 (3) 弹簧比压过小。 (4) 动、静环密封面对轴线不垂直, 误差过大。 (5) 转轴振动。 (6) 动、静环与轴套间形成水垢不能补偿磨损位移。 (7) 安装密封圈处轴套部位有沟槽或凹坑腐蚀。 (8) 动环浮动性差。 (9) 辅助装置有问题。

对机械密封突发性泄漏现象, 经统计分析, 其原因主要有以下几种: (1) 泵强烈振动、抽空破坏了摩擦副。 (2) 弹簧断裂。 (3) 防转销脱落或传动销折断而失去作用。 (4) 辅助装置出现故障, 使动、静环冷热骤变导致密封面变形或产生裂纹。 (5) 由于温度变化, 摩擦副周围介质发生冷凝、结晶影响密封。 (6) 停泵一段时间再开动时发生泄漏。这是由于摩擦副附近介质的凝固、结晶, 摩擦副上有水垢;弹簧锈蚀、堵塞而丧失弹性, 均可引起泵重新开动时发生泄漏。

4机械密封故障防治措施

从前面对离心泵运转时机械密封故障及统计分析, 可以看出, 除了密封设计、制造工艺本身的原因外, 大部分失效原因都是由于用户使用不当或维护不到位造成的。以下就离心泵运行中常见的故障给出防治措施和解决方案。

机械密封装置是泵的一个重要部件, 泵的安装及运转情况无疑要对密封产生一定的影响。一台振动很大的泵, 密封寿命和泄漏量不可能正常, 密封的可靠性明显下降。此外, 轴串量、密封箱端面和轴的垂直度、压盖和密封箱止口间隙、泵盖和泵体的止口间隙、轴套和径向跳动等, 这些部位的尺寸超标, 对密封性都会产生影响。仅仅提高密封本身的安装精度是很不够的, 必须全面提高泵的安装质量 (包括密封) 才能达到预期的密封目的。

4.1满足泵安装的基本要求

4.1.1转子部分。为使转子平衡和运转中不至于产生较大的振动, 安装时应注意做到以下几点。

(1) 轴的径向跳动最大不超过0.03～0.05mm。转子的径向跳动分别为, 叶轮口环不超过0.06～0.10mm, 轴套等部位不超过0.04～0.065m m (小直径对应较小值, 大直径对应较大值) 。见图2轴弯曲的测量及曲线图。

(2) 叶轮应找静平衡。在3000r/min工作的叶轮不平衡量不得大于以下规定。

(3) 属于下列情况之一者还要检查转子的动平衡。

单级泵的叶轮直径超过300mm时;两级泵的叶轮直径超过250m m时。

(4) 对于弹性柱销式及其他用铸铁制造的联轴器, 当直径超过￠125m m, 总长度超过300m m时也需进行动平衡校验。

4.1.2各部件的相对位置公差。密封箱与轴的同轴度0.10m m;密封箱与轴的垂直度0.05mm;转子的轴向串量0.30mm;压盖与密封箱配合止口同轴度0.10mm。

4.1.3与电机的同心度。电机单独运转时其振幅不超过0.03m m;工作温度下泵与电机的同心度, 轴向0.08m m;径向0.10m m;立式泵采用的刚性联轴器同心度, 轴向0.04m m;径向0.05m m。

4.1.4泵运转时双振恒值最大不超过0.06m m。

4.2减小泵轴窜量

合理地设计轴向力的平衡装置, 减小泵轴窜量消除轴向窜量。为了满足这一要求, 对于多级离心泵, 比较理想的设计方案有两个:一个是平衡盘加轴向止推轴承, 由平衡盘平衡轴向力, 由轴向止推轴承对泵轴进行轴向限位;另一个是平衡鼓加轴向止推轴承, 由平衡鼓平衡掉大部分轴向力, 剩余的轴向力由止推轴承承担, 同时轴向止推轴承对泵轴进行轴向限位。第二种方案的关键是合理地设计平衡鼓, 使之能够真正平衡掉大部分轴向力。对于其它单级泵、中开泵等产品, 在设计时采取一些措施保证泵轴的窜量在机械密封所要求的范围之内。

4.3增加辅助冲洗系统

在条件允许的情况下, 尽量设计辅助冲洗系统。冲洗压力一般要求高于密封腔压力0.107～0.11MPa, 如果输送介质属于易汽化的, 则应高于汽化压力0.1175～0.12MPa。密封腔压力要根据每种泵的结构型式、系统压力等因素来计算。轴封腔压力很高时或者压力几乎接近该密封使用最高极限时, 也可由密封腔引液体至低压区, 使轴封液体流动以带走摩擦热。

5结论

通过对泵用机械密封的工作原理及结构分析, 结合对生产实际中泵用机械密封装置故障的分析统计, 我们发现, 影响时机械密封可靠性的因素不仅与机械密封装置的设计和制造有关, 更重要的是要考虑机械密封装置的安装、维护和保养等外部的各种影响因素。统计并分析离心泵运行时的机械密封故障, 其中绝大多数出现在安装与维护过程中, 由于安装未达到技术要求, 使得机械密封装置的运行周期大大降低。对天津石化运行泵的故障统计分析, 其泵用机械密封装置的正常运行周期高于国内同类用泵的平均值, 其原因与天津石化长期以来重视职工专业技能培训工作分不开, 职工理论水平的提高和熟练掌握国内、外设备的设计和结构对泵用机械密封装置的维护, 保障其长期安全、正常运行具有重要意义。

摘要：通过对石油化工生产中泵用机械密封装置的工作原理和在实际应用中出现故障的统计分析, 发现影响泵用机械密封实际密封效果的因素不但与机械密封的设计和制造有关, 更重要的是在使用和维护环节, 企业维护人员的技术水平和企业的管理水平作为影响泵用机械密封的外部条件对机械密封的正常工作具有重要影响。

关键词：离心泵,机械密封,故障分析

参考文献

[1]化工密封技术, 胡国桢, 石流, 阎家宾.化学工业出版社, 1990.

[2]流体动密封, 上册, 顾永泉, 中国石化出版社, 1990.

[3]机泵维修钳工, 中国石油化工集团公司人事部, 中国石化出版社, 2011.

泵用机械密封选型时的技术因素分析 篇6

一、旋转环与静止环材料及比压分析

在液泵的正常操作中，旋转面和静止面之间因填料盒中的液体所产生的压力而使其保持在密封状态，在启动和停机时，泵体内无液体压力时，动静环的压力由弹簧或者波纹管产生的压力维持。

大部分机械密封的设计采用较软的材料来制作旋转面(动环)，如碳材料。较硬的材料作静止面(静环)如陶瓷、不锈钢、碳化钨或碳化硅。不管采用什么材料，在接触面之间必须保持一层液体薄膜，以起到润滑作用。然而，在填料盒内，采用弹簧负载和液体压力相结合的方式，可以使密封面之间起到很好的密封作用。但密封压力太高，则会影响接触面之间形成液体薄膜，导致热量增加和过早磨损。如果密封压力太低，接触面之间的间隙增大，容易造成液体泄漏。所以动静环的材料及比压，是机械密封选型的重要技术参数。

二、弹簧和波纹管弹性补偿力分析

早期设计的许多机械密封采用单一的大型弹簧围绕主轴排列，可为密封面提供很强的密封力，密封依靠主轴的旋转来绷紧弹簧卷。后期设计的密封采用一系列较小的弹簧，排列于主轴的周围，可对密封面产生均匀的压力。由于较小的弹簧可以事先安装，因此这类密封完全与泵的液体相隔离。

对腐蚀性较强的场所，通常是采用金属波纹管密封装置。金属波纹管由一系列金属圆盘焊接而成。采用波纹管装置，可使密封面之间的密封压力更加均匀，而且在密封面上不需要增加二次密封，不会产生腐蚀现象。

一般来说，弹簧和波纹管可补偿泵在启动和停机过程中主轴运动的压力不足，使密封面始终保持一定的密封压力。

三、密封与主轴磨损情况分析

由于多种原因，例如轴承误差、轴端余隙、振动和主轴偏差，都会使泵的主轴产生径向和轴向运动。此外，接触面之间保持绝对平十分困难，因此，机械密封本身的内部产生移动也很正常。这类移动往往是由于设备和安装误差、热膨胀、管路应力或主轴调试不当所造成。

为了使密封面之间始终保持互相贴合，弹簧等弹性体起到了机械密封与运动主轴之间的恒定调节作用。弹性体会在主轴上来回运动，这种重复摩擦动作，会磨蚀主轴上的防腐层(氧化膜保护层)，会在主轴的摩擦面上形成磨损沟槽，造成泄漏。为解决这一问题，一般在填料盒内安装一个可更换的轴套。

四、平衡和非平衡式密封技术分析

机械密封的平衡对接触面的密封压力有很大影响。这一密封压力取决于密封本身的有效截面以及填料盒内的压力。非平衡型密封的旋转面，相反一侧的截面完全在填料盒的压力范围之内，这种情况会使密封面之间产生很高的密封压力，工作温度提高，加快磨损速度。在高温工作条件或液体具有较大腐蚀性情况下，会大大降低机械密封的使用寿命。

对机械密封加以平衡，可降低密封压力，延长密封的使用寿命。一般采用带有台阶的主轴和轴套，降低旋转面的有效截面，就可达到上述目的。不过，千万别将静密封压力调节到接近零，否则可能会造成密封面的工作状况不稳定。

五、机械密封技术动态

1. 随着特种加工技术的发展，一种激光加工多孔端面机械密封面世，端面微孔产生的动压效应可有效地提高机械密封的最大pv值。在机械密封端面上加工微孔，激光表面处理技术是唯一有效的加工方法。激光加工多孔端面机械密封可明显降低密封面间的摩擦力矩，实现端面间的流体润滑，因而延长密封寿命。

端面微孔机械密封，动环为平端面密封环，静环平端面上均匀布置规则的微孔，形成多孔端面。微孔为圆孔、椭圆孔或圆锥孔。孔径从几微米至数百微米，孔深从几微米到几十微米，孔隙率(孔面积占整个端面面积的百分数)5%～30%。多孔端面的表面粗糙度与静环的表面粗糙度相同，Ra为0.01～0.02μm。

试验表明，在端面载荷和转速相同时，多孔端面机械密封环之间的间隙大于普通机械密封环之间的间隙。端面载荷增加时，普通机械密封环的端面间隙骤然减小，以至于端面直接接触，液膜遭到破坏，使磨损加剧。对于多孔端面机械密封环，端面载荷增加时，端面间隙减小，液膜刚度增加，而很小的间隙又恰好将泄漏量降低到最小，同时减少了密封面的磨损。因此，多孔端面机械密封可有效地延长密封寿命。其最大pv值约是普通机械密封的2.5倍。多孔端面机械密封已经应用于石油化工行业，如轻烃和甲苯密封介质，温度为266～320℃，压力为0.67MPa的多孔端面机械密封。

2. 广州水泵厂的组合密封式无泄漏泵(中国实用新型专利ZL99236406)，在其旋转主轴、叶轮、泵盖和机封盖之间，设置并联套装的两套机械密封，外层密封为贴近泵盖的单端面平衡型静环补偿式机封(第一级密封)，内层密封为贴近旋转主轴的双端面机封(第二级密封)，这种泵通过泵体内所安装的组合式机封，使输送介质与隔离液介质分离，能避免输送液介质通过旋转轴面向外部空间泄漏。

3. 日本NIPPON PILLAR PACKING CO LTD的用于旋转机械的非接触式轴封(申请的美国专利US5501470)，在轴封端面的高压侧产生流体膜密封。旋转密封面上成辐射状或外周方向排列着多个压力凹槽，在流体膜内产生动态压力。

日本三菱重工的轴封(申请日本专利JP8219297)适用于高压旋转机器，高压室和低压室相互密封，旋转环上有多个凹槽，以便于随着旋转轴转动将环形凹槽内的流体沿外周方向输送。

日本NIPPON PILLAR PACKING CO LTD的轴封装置(申请的日本专利JP2003185030)采用二道机封，用于高压设备。第一机封通过双级密封部件使第二轴套可以沿轴向相对移动地插入旋转密封环内，这样第一静止侧固定器，能够保持第一静止密封环插入在第一轴套内。这种结构可以减小体积和重量。

六、机械密封选型原则

选型时要先调查以下因素： (1) 工作参数，如介质压力、温度、轴径和转速。 (2) 介质特性，如浓度、黏度、腐蚀性、有无固体颗粒及纤维杂质，是否易汽化或结晶等。 (3) 主机工作特点与环境条件，即连续或间歇操作。主机安装在室内或露天，周围气氛性质及气温变化等。 (4) 主机对密封的允许泄漏量、泄漏方向(内漏或外漏)要求，寿命及可靠性要求。 (5) 主机对密封结构尺寸的限制。 (6) 操作及生产工艺的稳定性。

1. 根据工作参数p、v、t选型

这里p是指密封腔处的介质压力，根据p值的大小可以初步确定是否选择平衡式的结构以及平衡程度。对于介质黏度高、润滑性好的，p≤0.8MPa，或低黏度、润滑性较差的介质，p≤0.5MPa时，通常选用非平衡式结构。p值超过上述范围时，应考虑选用平衡式结构。当p>15MPa时，一般单端面平衡式结构很难达到密封要求，此时可选用串联式多端面密封。

v是指密封面平均直径的圆周速度，根据v值的大小确定弹性元件是否随轴旋转，即采用弹簧旋转式或弹簧静止式结构，一般v<20～30m/s的可采用弹簧旋转式，速度更高的条件下，由于旋转件的不平衡质量易引起强烈振动，最好采用弹簧静止式结构。若p和v的值都高时，可考虑选用流体动压式结构。

t是指密封腔内的介质温度，根据t的大小确定辅助密封圈的材料、密封面的冷却方法及其辅助系统。t在0～80℃范围内，辅助密封圈通常选用丁腈O形密封圈;-50℃≤t<150℃时，根据介质腐蚀性强弱，可选用氟、硅或聚四氟乙烯成型填料密封圈。-50℃80℃时，在密封领域中通常就要按高温来考虑，此时必须采取相应的冷却措施。

2. 根据介质特性选型

腐蚀性较弱的介质，通常选用内置式机械密封，其端面受力状态和介质泄漏方向都比外置式合理。对于强腐蚀性介质，由于弹簧选材较困难，可选用外置式或聚四氟乙烯波纹管式机械密封，但一般只适用p≤0.2～0.3MPa的范围内。

易结晶、易凝固和高粘度的介质，应采用大弹簧旋转式结构。因为小弹簧容易被固体物堵塞，高黏度介质会使小弹簧轴向补偿移动受阻。易燃、易爆、有毒介质，为了保证介质不外漏，应该采用有封液(隔离液)的双端面结构。

3. 根据特定工作要求选型

泵用干气密封工作原理及应用 篇7

离心泵作为石油化工生产装置中最常用的动设备, 约占机泵总用量的90%左右。机械密封是离心泵比较常见的轴端密封形式。由于泵输送的大多是容易燃烧、发生火灾爆炸、泄漏后对环境污染严重危险介质, 因此对机械密封的要求就相对比较高, 普通的接触式机械密封满足不了生产的要求, 以保证安全、满足生产为目标, 密封研究人员研发具有非接触、无磨损、低能耗等特点的新型机械密封就显得尤为重要。

新型机械密封具备干运转、动静环不接触、动静环之间利用工作时形成气膜来润滑的特点, 是对机械密封的另一种诠释。为了达到工艺介质的零逸出、零泄漏, 新型机械密封采取“以气封气”或“以气封液”两种方式 (表1) 。

2 泵用干气密封的工作原理

由旋转环 (动环) 、静环、弹簧、密封圈以及弹簧座和轴套组成典型的干气密封形式, 并在旋转环的密封面上加工流体动压槽并进行抛光打磨处理。工作原理如图1所示:旋转环被安装在机泵转动轴上, 当转动轴转动时旋转环跟随一起转动, 致使密封气体沿着动压槽由外沿向内运动, 动压槽围堰的节流作用使进入动压槽内的气体被压缩, 随着动静环之间气体压力的逐渐升高, 在密封面之间形成气膜使动静环分开, 由于气膜的压力是一定的, 当动静环之间的距离达到一定程度时, 气膜被破坏, 压力开始降低, 动静环之间的距离开始变小, 当距离减小至开始条件时气体压力又开始升高, 形成新的气膜。如此周而复始的重复建立新气膜、旧气膜被破坏的过程。这个过程时间极短以至于被密封的介质来不及发生泄漏。

3 干气密封静环受力分析

由于干气密封的静环是非平衡型, 静环所受力为弹环的弹力、密封气体的压力、气膜的压力, 其中密封端面闭合力是指弹环的弹力与密封气体的压力作用方向相同, 它使动环、静环紧贴在一起, 密封端面开启力是指气膜的压力正好与闭合力作用方向相反。

4 应用实例

某装置的液态烃泵 (P-304AB) 为一国产卧式单级离心泵。现场安装两台, 一开一备。其作用是用液化气打进稳定塔上部, 提供回流。液化气泵的运行条件为:介质名称:液化气;机泵入口压力:1.0Mpa:额定流量:44 m³/h;机泵出口压力;1.68Mpa;密封介质:液化气;正常流量:29 m³/h;最小稳定流量8m³/h;入口温度:50℃;电机转速:2950rpm;密封轴径:43mm。采用单端面波纹管式机械密封 (此种密封在P-309发生过密封失效情况) , 2012年10月高危泵改造时将P-304AB改为串联式干气密封, 第一级为平衡型机械密封, 密封介质为液化气;第二级为干气密封, 密封介质为干净氮气, 氮气压力为0.3MPa左右, 由于干气密封端面上加工有单向螺旋动压槽, 因此密封只能单向运转, 正常情况下, 机械密封 (介质侧即第一级密封) 作为主密封起作用, 干气密封 (第二级) 为辅助密封, 其主要作用:第一:提高主密封的背压, 减少密封面的磨损, 延长主密封使用寿命;第二:当主密封失效时, 干气密封可以短时间起到备用密封的作用, 同时干气密封腔出口压力表达到0.5MPa时, DCS显示压力高报, 说明内侧主密封泄露过大, 需检修更换;防止意外事故发生, 增加了安全系数。

5 结语

从P-304AB改造为串联式干气密封的运行情况可以看出, 此类串联式干气密封完全可以满足具有易气化、易挥发、危险性大的液态烃泵的运行要求, 从而保证装置长周期安全运行, 实现被密封介质的零逸出与零泄漏。

泵用干气密封在日常操作中应注意:

(1) 启动安装串联式干气密封的离心泵时, 启动前必须先充入氮气, 与密封腔内被密封的液体介质压力相比充入氮气压力要高出0.2-0.3Mpa, 根据机泵本身的结构、轴向力平衡方式等条件计算密封腔内被密封的液体介质压力;

(2) 当介质侧主密封损坏, 液化气大量泄露时, 应立即停泵并打开限流孔板旁路阀, 将介质快速泄放至火炬系统;

(3) 机泵停止运转氮气不能停止, 确保正常供气。机泵检修时先放完泵内介质, 然后关闭氮气。

(4) 若泵出现汽阻等现象造成流量压力发生大的波动, 应立即处理, 严禁干气密封腔压力高于介质压力, 反压导致主密封加速损坏, 带来大的风险。

摘要：分析了泵用干气密封的工作原理、特点及受力分析;介绍了在液态烃泵上采用双端面干气密封的一个应用实例。为用户在装置关键离心泵上选择、使用干气密封提供指导。

关键词：干气密封,离心泵,非接触

参考文献

[1]顾永泉, 零逸出密封技术[J].流体机械, 1997, 25 (6) :31-33

[2]顾永泉, 机械端面密封[M].山东东营:石油大学出版社, 1990

泵用机械密封 篇8

作为核电站主冷泵常用机械密封类型之一,流体动压型机械密封需要把握好3个重点参数,分别是高压、高速和高温。采用这种密封方式能够非常有效地大幅度改善毫米级深槽的端面间润滑状况,避免端面之间的直接接触,不过这同时也代表了复杂的密封机理。一般来说端面会由于介质压力和端面摩擦热的相互作用而产生径向和周向变形,此时密封间隙可以在周向形成周期性波度以及流体动压效应,而在径向形成收敛或发散锥度以及附加的流体静压作用,动静压之间相互作用,避免了两密封环端面之间的相互接触,同时也将泄漏量提升到可控的阶段,这就是所谓的热流体动力楔效应。对于热流体动力楔效应的研究最早可以追溯到德国的Mayer博士,他在大量实验基础上对自己提出的弧形槽密封结构的密封机理进行了详细描述,不过没有提出理论分析模型。Key等人建立了以核主泵为对象的密封端面外缘开有矩形深槽的流体动压型机械密封数学模型,并且以仿真分析的形式验证了热流体动力楔理论。华人科学家杨惠霞在考虑了多方面的因素后,提出了深槽机械密封的数值计算方法。王晓雪等研究了动静压波度机械密封,于明彬提出了几何结构优选范围等观点,并详细分析了密封性能受圆弧槽几何结构参数的影响。彭旭东和刘伟对核主泵用单、双锥端面机械密封的研究可以用来参考深槽密封周向波度和径向锥度的作用机理。以上研究均未联系到密封组件结构对密封机理及密封性能的影响,而局限于对密封环本身的研究。文献中对相关静压型机械密封研究证实了密封组件间的力学以及热学作用严重影响了密封性能。Djamai等人使用影响因子法结合密封环与环座间的互相接触详细分析了流体动压型机械密封机理和性能之间的关系,但处于非线性边界条件下的适用性尚未知,并与现存的核电站中的动压型机械密封结构相结合,结果表明密封结构严重影响了机械密封寿命及密封性能。

本文以某核电站主泵的机械密封作为研究对象,为了揭示流体动压型机械密封的密封机理,结合组件之间相互接触和弹性流体动力的润滑机理,为了便于研究密封状态下不同工况触发的变化,建立了流体动压型机械密封动、静环组件三维流固耦合模型,对此模型所表达出来的数据进行了分析。

1 理论模型

1.1 几何模型

图1为某核电站核主泵用流体动压型机械密封单级结构示意图。主泵的构成包括了完全相同的三级密封,并且压力均分到三级密封之中,由图1能够得到结论:弹簧及弹簧座支撑动环背面与动环座相接触,并且随主轴一起固定于主轴轴套上转动;静环与开有平衡孔的静环座相接触,为了在高压下不变形,将前一级的部分压力用次级密封压力来抵消。内外径分别交替布置半圆形槽与U形槽。

1.2 数学模型

在空化作用对软滑液膜流动性的影响下,机械密封端面间润滑液膜的流动性的强弱会发生变化,这就会影响密封性。对于这一过程的控制,这里采用满足质量守恒型式的Reynolds方程:

润滑液膜的压力分布可由给定端面间的液膜厚度以及压力边界条件获取。封环的密封效果会因为密封介质的压力和密封组件的接触力造成端面变形,这就会对液膜的厚度造成影响。所以在对机械密封性进行分析时,对端面变形进行精确的预测是非常重要的。为了考虑密封环两环座间的接触作用,以图2为例建立三维力学模型,计算密封动静环端面时采用有限单元法[1]。

动环组件力边界条件:弹簧力Fs和外压Po的相互作用约束了动环座给定轴向位移;动环的外径受外压Po,内径受内压Pi,外压Po作用到O型圈槽处;在动环与动环座之间形成一对接触副:静环座使用固定约束在内径侧受内压Pi,外侧面受外压Po在O型圈以上,内压Pi在O形圈以下;型槽内径处受内压Pi,外径处受外压Po,静环与静环座之间相互接触。

1.3 计算方法

根据上文论述,液膜厚度直接影响了端面间液膜压力,液膜厚度的大小以及液膜压力来自端面变形情况,所以说端面变形与液膜压力存在直接关系,对上述模型使用数值迭代算法求解。定ho为密封环之间初始基础膜厚度,控制方程使用有限差分法求解,得到液膜压力P并将其加入有限元程序中,进而求得动、静环的变形量以及总膜厚度。假若总膜厚度不收敛,就要重新迭代计算hi松弛程度,直至膜厚前后2次计算误差达到可以接受的程度;不满足的话继续修改基础膜厚ho,直到结果满足要求,最后得到密封性能参数[2]。

2 计算实例及结果

2.1 计算实例

本文计算所选用工况条件及参数如下:密封介质总压力为9.9 MPa,转速为1 500 r/min,第三级密封外压0.2 MPa。采用弹性模量为617 GPa、泊松比为0.28的碳化钨作为动环材料;采用弹性模量为23 GPa、泊松比为0.25的石墨作为静环材料。

2.2 计算结果及分析

2.2.1 端面压力分布

图3是不同密封压力下润滑液膜等压线的分布情况。在图3中Po值的变化会影响到等压线而发生不同程度的扭曲。图3(a)显示出端面外型槽右侧出现的高压区非常明显,与外压相比其最高压力增量为0.32 MPa,低压区则出现在内径槽左侧。等压线的扭曲程度随着Po的增大而减小,趋向于平缓,得出动压增大程度小于静压增大程度的结论。动压沟槽两侧的等压线因为动压效应而分布并不对称,而机械密封承载能力的提高,则是随着这种不对称向对称变化时,润滑液膜周向流体由于利用端面流体动压槽的作用而产生的动压效应实现的[3]。

2.2.2 端面膜厚分布

端面不同路径处的周向膜厚在不同Po值下的分布情况如图4所示。由图中发现端面在周向方向上产生了由动压沟槽引发的波度,产生的波度随着与密封环外径侧的距离减小而增大。由于U型槽径向处液膜最厚,而径向右侧的内径侧圆弧槽处液膜最薄,因此可以得出是外径处的U型槽使得端面产生表面的波度。端面力变形受内径处深槽的影响较小,可能开这个槽就是为了强制冷却端面,具体作用还需要进一步分析热弹变形的情况。最小膜厚和端面周向波度峰值随着Po值的增大而增大,因为U型槽在高压下发生了较大的局部变形而使周向波度也增大,周向波度和静压效应引发了动压效应,而动压效应的增强导致膜厚增大[4]。

图5为不同路径下密封端面膜厚分布情况。从图中知道端面在密封介质的压力作用下形成了收敛型锥度,使润滑液膜的静压效应增大,压力越大将造成越大的变形;同时4条路径下的膜厚分布线间距也随着Po值增大而增大,同时也增大了端面周向波度。对某种动压型机械采用密封结构的后期变型状况进行分析发现,由于端面产生变形,使得径向发散锥度产生,与本文研究的机械密封端面的变形特征截然不同,它能够有效提高端面润滑膜的保存性,并确保液膜正轴向刚度满足要求,与前者相比性能更好。

另一方面,Po的改变也会使4条不同路径上的液膜厚度的分布线相对位置发生改变,压力增大,其分离距离以及相对变形量也会增大,使得膜厚的相对变化量增高。压力改变引起的液膜厚度波动用交替变化的膜厚分布线表示,该分布线有助于波动规律的研究,这项研究对变压力工况下工作的机械密封性能分析也有着积极作用。

2.2.3 密封面变形分布

图6展现的是密封动静环的断面变形情况图。由于密封端面的润滑膜的压力以及介质压力作用,在密封动静环端面之上,波度不可避免地在其下周向产生,另外其径向变形作用加大了润滑液膜的锥度。同时,静环材料的弹性比动环材料的弹性模量小一个数量级,则静环端面也比动环端面产生更多的波度。

2.2.4 密封性能参数

摩擦系数f和泄漏率Q在不同Po值下的变化规律如图7所示。泄漏率随着Po值的增大而明显增大,原因是端面变形引起液膜厚度和端面内外半径处压差都随着Po值的增大而增大,因此扩大了泄漏流体的通流面积[5]。另外随着压力的增加,摩擦系数逐渐变小,符合Mayer的实验结论,得到相同的规律,主要原因是流体静压的不断增强和流体动压效应。

核主泵中三级动压型机械的密封性能参数如表1所示。其中泄漏率Q、最大膜hmax、最小膜厚hmin都随着主泵内外压力的减小而减小,而摩擦系数f则随主泵内外压力的减小而增大。符合正常工况下该核电站的泄漏量标准(14.175 L/h)[6]。

3 结论

(1)将核主泵用流体动压型机械密封用数值迭代算法构建出三维多体耦合数学模型,在端面膜压和密封介质作用下在动环端面和静环端面产生了径向锥度和周向波度,在静压效应和流体动压作用下密封环的液膜厚度较为稳定,保证了密封稳定性和安全性。

(2)核主泵三级串联密封的端面波度、收敛锥度和密封泄漏率都随着密封压力的增大而增大,而端面摩擦系数则随之减小;沿着压力降低的方向,三级串联密封液膜的平均厚度以及泄漏率都逐级降低,其摩擦系数渐渐增大。

(3)对于高压侧密封深槽来说,密封端面周向的波度有着很重要的作用,并且密封环的整体结构对密封端面锥度的形成起着决定性的作用。

摘要：为了研究密封环组件的接触和密封端面的流固耦合作用,以某型核主泵用流体动压型机械密封为例,然后采用有限差分法和有限单元法,利用数值迭代技术,并且与密封组件三维多场耦合模型相结合,最后确定耦合场的计算。主要对高压下密封端面变形的特点和规律以及密封压力对密封性能的影响进行研究。研究成果表明:高压侧密封深槽受密封环端面挤压所产生的径向收敛锥度和周向波度的影响最大,密封端面锥度的形成与密封环宏观结构密切相关。可以采用将动压深槽加工在软质密封环端面上的方法减小在高压下形成的大波度。

关键词：核主泵,耦合模型,有限元,密封性能

参考文献

[1]王磊,欧国勇,王立帅.核安全2,3级压力容器水压试验RCCM与ASME的对比分析[J].压力容器,2012(9)

[2]王小燕,孟祥铠,刘鑫,等.核主泵用流体动压型机械密封耦合模型与性能分析[J].摩擦学学报,2013(2)

[3]廖传军,黄伟峰,索双富,等.流体静压型机械密封的半解析式流固耦合模型[J].机械工程学报,2010(20)

[4]彭旭东,刘伟,白少先,等.热弹变形对核主泵用流体静压型机械密封性能的影响[J].机械工程学报,2010(23)

[5]魏琳宗,刘向锋,黄伟峰,等.静压式机械密封结构参数研究及优化设计[J].润滑与密封,2010(6)