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关于泵用机械密封使用寿命的影响因素探讨
添加:2023-11-29 16:09:05    游览:3053    来源:www.aosailuo.com

  在化工生产装置中,实现泵类设备长周期稳定运行的关键在于其机械密封使用寿命的长短,因此对于泵类设备机械密封选型、安装、消除振动、优化操作和维护,提高机械密封的稳定性、长期性十分必要。笔者结合离心泵机械密封的应用实例,探讨泵类机械密封长周期使用的影响因素。

  1 机械密封选型

  1.1 选型基本原则

  (1) 根据密封腔体压力,确定密封结构采用平衡型或非平衡型,单端面或双端面等。

  (2) 根据工作速度,确定采用静止式或旋转式,流体动压式或非接触式。

  (3) 根据温度及流体性质,确定摩擦副和辅助密封材料,正确选择润滑、冲洗、保温、冷却等机械密封循环保护系统。

  (4) 根据安装密封的有效空间,确定采用多弹簧或单弹簧或波形弹簧,内装式或外装式,内流式或外流式。

  1.2 机械密封摩擦副的要求

  (1) 在防腐蚀方面具有良好的化学稳定性、物理机械性能、耐磨性、自润滑性以及不渗透性等。

  (2) 在热力性能方面具有良好的导热性、耐热、耐寒性和耐温度的急变性。

  (3) 摩擦副一般选择一软一硬的配对形式。

  1.3 机械密封动静环密封圈要求

  (1) 辅助密封圈应具有良好的弹性和低的摩擦系数,耐介质的腐蚀、溶解和溶胀,耐老化。

  (2) 辅助密封材料主要使用各种橡胶、聚四氟乙烯、柔性石墨和金属垫片等。

  1.4 应用实例

  兖矿鲁南化肥厂气体净化工艺采用NHD溶液脱除硫化氢、硫氧碳和二氧化碳等酸性气体,装置泵类设备均采用机械密封。以下以富液泵为例,分析机械密封选型情况。

  (1) 运行参数。富液泵的型号为HPK-S200-400,介质为NHD溶液,温度-5℃,流量600m³/h,扬程52m,吸入压力为常压,排出压力为0.5MPa,轴功率132kw,转速为1480r/min。

  (2) 失效分析。富液泵原选用的机械密封内装式、单弹簧、平衡型机械密封。通过拆检,发现机封动环经常卡死在轴套上,弹簧无法补偿,从而液膜平衡被破坏,造成液体大量泄漏。

  (3) 原因分析。富液泵介质为NHD溶液,外观淡黄色透明液体。该有机溶剂对机械密封的辅助密封橡胶O型圈具有变形膨胀的破坏效应。

  (4) 改进措施及效果。改用波纹管机械密封,该机封为单端面、平衡型,动静环为碳石墨-碳化硅,解决了机封因辅助O型圈的泡胀导致的泄漏。辅助密封圈和轴套之间的密封是静止的,依靠波纹管起到机械密封于运动主轴之间的恒定调节作用,从而补偿动静环端面的磨损,使密封端面良好贴和。自2005年6月2台富液泵改用波纹管机械密封以来,密封效果非常好,使用寿命达到3年。

  2 机械密封安装

  2.1 机械密封压缩量的调整

  2.1.1 弹簧的压缩量

  单弹簧机械密封的压缩量为50%~70%,密封压死后放开3~5mm。多弹簧(碟形簧)的压缩量为90%左右,即机械密封压死后放开1.5~2.5mm即可。同时还要考虑密封面的宽窄、弹簧的力度、工作时受力状态等。

  2.1.2 机械密封定位

  机械密封定位图如下图1所示。

图1 机械密封定位

  (1) 机械密封定位前,转子安装到正常运转的位置。转子轴向固定,轴向串量不大于0.30mm。对于用平衡盘确定轴向位置的转子,应将平衡盘和平衡环座推靠(即平衡盘与平衡环座接触),压缩量即为动环到密封箱的距离与静环到静环座的距离之差。转子盘车均匀、轻快,泵内无零件接触和摩擦。在此基础上才能进行机械密封的定位工作。

  (2) 将装有静环的压盖先装到泵上,转子定位后在轴上做一标记,见图1(a)。标出压盖背面在轴或轴套上的位置,并量出包括静环的压盖厚度L1。测量出包括弹簧的动环组件自由高度L2,见图1(b)。从轴上的A点量一长度为(L1+L2-S),在轴上得到B点,见图1(c)。从B点固定传动座,机械密封定位工作即完成。S是机械密封的压缩量。

  (3) 如果原来配备有机械密封,安装工作从拆卸时就要做好准备,拆卸前先刻出A点的标记,同时校核原机械密封传动座的安装位置是否正确[1]。

  2.2 机械密封冲洗方案

  机械密封工作中产生的摩擦热,会使密封端面温度升高,密封端面间液膜汽化,还会导致辅助密封圈老化、变质。辅助冲洗的目的是消除杂质集积,避免气囊形成,同时保持和改善密封端面处于良好的润滑状态,使机械密封各零件正常工作。严格来说,机械密封没有冲洗设施是不能使用的。

  2.3 应用实例

  以下以冷凝液泵为例,分析机械密封安装的情况。NHD气体净化变换系统变换气降温分离后的冷凝液需送往气化工段再次利用,由于所配置冷凝液泵机械密封经常泄漏,运行时间仅为20~30天。

  2.3.1 运行参数

  冷凝液泵型号为WAN80-50-250,介质为变换冷凝液,温度为129℃,流量为50m³/h,扬程80m,吸入压力0.3MPa,排出压力1.1MPa,轴功率22KW,转速2950r/min。

  2.3.2 失效原因

  冷凝泵原机封为内装式、单弹簧、非平衡型机械密封,辅助设施选用自冲洗。摩擦副选取硬对硬,均为硬质合金。运行仅30天便出现泄漏,拆检发现动静环磨损严重,密封面磨掉3mm以上,出现环向沟纹。机械密封失效原因分析如下。

  (1) 冷凝泵摩擦副选用硬质合金对硬质合金,在非平衡机械密封中pv值为44MPa.m/s,pv值过低。由于采用非平衡机械密封,加上弹簧的静压力,造成pv值大于44MPa.m/s,这样密封端面产生大量的摩擦热。

  (2) 由于介质温度过高,采用本身自带的压差冲洗,冲洗液温度也高,造成摩擦副产生的热量无法冷却散热。轻者使液膜汽化,密封失效;重者使密封端面磨损严重,产生沟纹,甚至出现裂纹。

  2.3.3 改进效果

  (1)改进密封结构。采用机械密封密封端面为单端面、平衡型,动静环为碳石墨—碳化硅,O型圈为氟橡胶,较好地解决了pv值过高问题。

  (2)调整密封压缩量,延长摩擦副运行时间。

  (3)改进自冲洗结构。借鉴先进技术,采用自冲洗用冷却器对辅助设施冲洗系统进行改造。冷却器为盘管式,管内为被冷却介质,管外为冷却水,冷却面积为1m²。在使用过程中控制被冷却流体的流量,满足冲洗要求即可。否则,如果高温流体过多,冷却管表面温度过高,水垢很快形成,不得不更换管束。

  2台冷凝液泵自2006年6月改造以来,现场密封效果大为改观,运行寿命均超过1年。

  3 消除设备振动

  3.1 安装和检修

  (1) 泵用机械密封对机器精度的要求。安装机械密封部位的轴(或轴套)的径向跳动公差最大不超过0.04~0.06mm。转子轴向窜动不超过0.3mm。

  (2) 设备检修。采用高标准轴承,提高轴承运转寿命。严格执行检修规程,控制好零件各部分的间隙,消除泵类不平衡轴向力使密封压缩量过大或破坏密封液膜造成的泄漏。联轴器对中采用百分表进行找正,轴向和径向偏差在0.03mm之间。检查联轴器的膜片、柱销、弹性块、弹性圈等是否损坏,必要时更换。

  3.2 应用实例

  3.3 鲁南化肥厂18万t/a甲醇装置,气体净化工艺脱碳系统于2004年进行扩产改造,新增1台150AY 150X2型脱碳泵。在生产中,机械密封频繁泄漏,并且机组振动,轴承超温。

  (1) 改造前。原脱碳泵高压端角接触轴承D46314,采用成对双联背对背安装,频繁出现问题。轴承损坏现象为:轴承游隙大,运转时间不长便发出异常响声;由于载荷过大,转速较高时,出现疲劳点蚀和塑性变形,滚动体与座圈滚道表面产生凹坑,同时出现超温和振动。

  (2) 改造后。对轴承进行改造,使用可分离型D30314圆锥滚子轴承。滚子与滚道为线接触,可承受较高的径向和轴向联合负荷。圆锥滚子轴承采用加强型结构,滚子的直径加大,长度加长,数目增多,因而使轴承的承载能力和疲劳寿命显著提高。两种轴承尺寸性能对比表见表1。

表1 两种轴承尺寸性能对比
序号 轴承型号 内径/mm 外径/mm 宽度/mm 基本额定载荷/kN 极限转速/r.min-1
动态 静态
1 D46314 70 150 35 99 96 5300
2 D30314 70 150 38 203 262 4800

  由表1可知,圆锥滚子轴承D30314在满足脱碳泵2950r/min的前提下,比角接触轴承D46314在承受额定载荷能力上更具优势,不仅耐冲击,泵运转后噪音小,且机组振动小。轴承安装示意图2。图2(a)为改造前靠背安装角接触轴承,图2(b)为改造后面对面安装圆锥滚子轴承。

图2 改造前、后轴承安装示意图

  (3) 改造效果。自2004年脱碳泵改造以来,设备故障大为降低,检修后运行时间长达2年以上。结合改造经验,将其他150AY150X2型及250AYS150X2型脱碳泵也进行了技术改造。

  4 优化操作

  以离心泵为例,分析优化操作对机械密封长周期使用的影响和作用。

  (1) 试车前准备工作。①检查泵的各连接螺栓及地脚螺栓是否有松动现象;②检查轴承润滑油是否充足、畅通、不滴不漏;③盘车若干转,检查是否轻重均匀,并注意泵内有无杂音;④将泵内充满液体,排除泵内气体,检查机封是否泄漏。

  (2) 试车。①电机电动试验,检查电机旋转方向,有无异常声音。②打开进口阀,启动电机,打开出口阀,避免轴承温度过高,损坏机械密封。③负荷试车应符合以下要求:机械密封无泄漏;运行平稳、无杂音;润滑、冷却系统均为正常;流量、压力平稳、无波动;电流不超过额定值。

  (3) 正常运行。①泵启动后若有轻微泄漏现象,应先观察一段时间,如果连续运行4h,泄漏量仍不减少,则应停泵检查;②泵的操作压力应平稳,压力波动不大于0.1MPa;③运转中避免发生抽空现象,以免造成密封面干摩擦及密封破坏;④确保机械密封有充分冲洗的液体,水冷轴承禁止使用过量水流;⑤产生操作人员发现设备有不正常情况,应立即检查原因,发现异常响声、振动、漏气、火花等紧急情况,应立即停车采取果断措施,并立即上报。

  综上所述。机械密封长周期运行要从零件的加工精度、密封结构、安装、维修等方面入手进行改进,同时,应提高工艺人员现场操作水平,以确保机械密封使用的稳定性和长期性。

  参考文献:

  [1]王汝美.实用机械密封技术问答[M].北京:中国石油化工出版社,1995

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