【摘 要】炼厂是机械密封应用密集区域，非平衡式机械密封是炼厂设备中最常采用的机械密封形式。然而当非平衡式机械密封在较高压力场合下应用时，发现其密封效果较差。以兰州石化公司 426 泵房 2 号泵为例， 分析了非平衡式机械密封在较高压力场合下故障频发的原因，并将该场合下非平衡式机械密封和平衡式机械密封的密封原理及效果进行了分析对比，最终得出通过改变机械密封的结构形式可以有效解决设备机封在较高压力场合下故障频发的问题。
【关键词】机械密封; 端面比; 非平衡式机械密封; 平衡式机械密封
炼厂是机械密封应用的密集区域， 在炼厂设备中普遍存在设备机械密封的使用要求与设备的实际运行条件不完全匹配的情况，但为了满足生产需要，不得不组装到设备上的情况。这种情况的存在，将导致设备运行存在隐患。设备机械密封运行周期短，损坏频率高等问题严重影响了装置正常生产，为装置平稳运行埋下隐患; 许多介质对人体有害，频繁检修给员工带来很大安全隐患。
以兰州石化公司 426 泵房 2 号泵为例， 针对非平衡式机械密封在较高压力场合下应用时故障频发的现状进行分析，并提出解决方案。
1 存在的问题
兰州石化公司 426 泵房 2 号泵用于输送压力为1MPa 的水，设备转速为 2950r /min，机械密封型号为103 - 50 非平衡式机械密封。设备在运行过程中，故障频发，基本上每半个月损坏一次。每次拆卸检查，均发现设备机械密封的动、静环密封端面磨损严重。
2 故障原因分析
2. 1 非平衡式机械密封与平衡式机械密封的受力情况对比
按照机械密封的密封端面流体为卸荷或者不卸荷，机械密封可分为非平衡式机械密封和平衡式机械密封，如图 1，2 所示。
对于非平衡式机械密封， 介质给密封环的压力完全等于 P介 × A，且该力无法被平衡。如果介质给密封环的压力特别大， 将会使密封端面承受很大的压力。而对于平衡式机械密封， 介质对密封环的作用面积 A1 明显小于 A，密封环之间的端面压力也会相应减小。
2. 2 机械密封要素
2. 2. 1 密封端面上的膜压 P3
机械密封在旋转过程中， 在动静环之间形成一层液膜。该液膜有一定的压力， 即膜压。膜压直接影响机械密封的端面比压，膜压大则端面比压小，反之则大。而端面比压是机械密封的要素之一，端面比压过大，密封端面磨损严重，反之则泄漏量大。
膜压P3= 膜压系数λ×密封介质压力 P1
其中膜压系数 λ 一般取经验数据， 重油介质推荐 1/3，液化气等易挥发介质为 0. 707， 水为 0. 5，气体通常为 2 /3。
2. 2. 2 弹簧比压 P2
弹簧作用于密封端面单位面积的力叫弹簧比压，它是端面比压的重要组成部分，其作用是在介质压力很小或者波动时仍能保持一定的端面比压，使介质不致泄漏。
弹簧比压 P2 = F/A ，即弹簧力与摩擦副面积的比值。
2. 2. 3 平衡程度β
机械密封的平衡程度将影响机械密封的密封性能、 端面的摩擦与磨损。对于机械密封而言，平衡程度β = A1/A 。
由于机械密封结构原因，对于非平衡式机械密封:β ≧ 1;平衡式机械密封: 0≤β≤1。
2. 2. 4 端面比压 P
端面比压是作用于密封端面单位面积上的力。为保证机械密封具有长久的使用寿命与良好的密封性能，必须选择合理的端面比压，其原则如下:
1) 端面比压必须是正值;
2) 端面比压不宜过大， 以避免磨损加剧; 也不宜过小，以防止泄漏。考虑到膜压和机封平衡性的影响，端面比压 P = P2 + ( β - λ) P1。
2. 3 103 - 50 非平衡式机械密封端面比压分析
兰州石化公司 426 泵房 2 号泵使用的设备机械密封型号为 103 - 50 非平衡式机械密封。动环材质为碳化钨，静环材质为石墨。其结构如图 3 所示。103 - 50 机封尺寸见表 1.
2. 3. 1 计算平衡程度 β
2. 3. 2 弹簧比压的确定
按照弹簧压缩量为总压缩量的 50% 确定该机封的弹簧力 F = 143N。
2. 3. 3 计算密封面上膜压 P3
因为介质为水，取膜压系数 λ = 0. 5
膜压 P3 = λP1 = 0. 5 × 10 - 6 = 0. 5MPa
2. 3. 4 计算端面比压 P
P = P2 + ( β - λ) P1 = 0. 083 + ( 1. 09 - 0. 5) × 1= 0. 673MPa
2. 4 故障原因分析
103 型非平衡式机械密封在运转时， 端面比压理论值应该在 0. 3 ～ 0. 5MPa 之间。经过计算发现，兰州石化公司 426 泵房 2 号泵使用的 103 - 50 的非平衡式机械密封的其端面比压明显偏大不合适，导致机封在运转过程中摩擦面的摩擦力较大， 机封极易磨损失效，这与机封故障现象相符。这是造成机封损坏频繁的主要原因。
3 解决方案
从端面比压计算公式 P = P2 + ( β - λ) P1 可以看出，对于 426 泵房 2 号泵使用的 103 - 50 的非平衡式机械密封该机封， 弹簧比压对端面比压的影响很小。为满足装置需要，介质和介质压力不能变化。所以 P1 和 λ 均为定值。要想改变机封的端面比压，只能从平衡程度 β 入手。为调整平衡端面比压在 0. 3 ～ 0. 5MPa 之间， 由 P = P2 + ( β - λ) P1 计算易知平衡程度 β 应在 0. 72 至 0. 92 之间。
考虑到两类机封安装尺寸基本相同， 决定采用109B - 50 平衡式机械密封。
109B - 50 平衡式机械密封的结构如图 4 所示。109B - 50 机封尺寸见表 2。
3. 1 109B - 50 非平衡式机械密封端面比压分析
3. 1. 1 计算平衡程度 β
3. 1. 2 弹簧比压的确定
按照弹簧压缩量为总压缩量的 50% 确定该机封的弹簧力 F = 143N。
3. 1. 3 计算密封面上膜压 P3
因为介质为水，取膜压系数 λ = 0. 5，膜压 P3 =λP1 = 0. 5 × 106 = 0. 5MPa。
3. 1. 4 计算端面比压 P
P = P2 + ( β - λ) P1 = 0. 123 + ( 0. 74 - 0. 5) × 1= 0. 363MPa
109B 型平衡式机械密封在运转时，端面比压应该在 0. 3 ～ 0. 5MPa 之间。经过计算可知，新采用的109B - 50 型平衡式机械密封的端面比压理论上合适。
3. 2 效果检验
通过对轴进行改进， 将 103 - 50 的机封改换为109B-50。经过巡检观察发现，改进后 426-P-2运行平稳，机械密封再没有出现任何异常情况。
4 结论
非平衡式机械密封在介质压力相对较高时， 机封的端面比压相对较大， 机封摩擦端面极易磨损。因此非平衡式机械密封不宜应用于介质压力较高的场合。而平衡式机械密封则在一定程度上克服了该问题。炼厂中存在许多该类设备，采用平衡式机械密封是解决该类故障的一种有效方法.
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