泵用机械密封运行可靠性分析

泵用机械密封运行可靠性分析
摘要:机械密封已经广泛应用于炼化企业泵类产品中,但机械密封设计制造精密,安装精度高,对使用环境要求严格,使之成为泵部件中最容易失效的部件。

保障机械密封可靠运行对炼化企业装置平稳运行具有重大意义。

关键词:机械密封运行可靠性分析
1 机械密封工作基本原理
在离心泵的液体端结构中,液体沿着叶轴线进至泵吸入口。

由于叶轮与泵壳间的间隙很小,当叶轮高速旋转时,液体充满泵壳与叶轮之间。

在别无出路情况下,液体靠离心力沿叶片甩向周边,经泵出口排走。

泵出口液体压力是入口处的若干倍。

但是,出口压力会传至叶轮背面驱动轴处．这就是任何离心泵在实际应用中必须有效地加以密封,这一密封基本上都靠机械密封来实现。

机械密封中流体可能泄漏的途径有4个,实际上两表面只是部分接触,且接触压力在界而上是均匀分布的,所需润滑液量很小,通过界面泄漏量也相当少。

机械密封面实际是点撑在一个能够漂移的很薄的液膜上,当此液膜进至大气中,可将其归类为泄漏。

这种泄漏量通常是很少的,往往在肉眼见到之前就蒸发了。

对不能很快蒸发的液体,如石蜡会慢慢积累．在操作若干小时后,可在压盖下部见到。

机械密封是比填料更好的正压密封。

因为弹簧总是压在动环上,对密封面能自动补偿,不需人工调整。

还由于支承面是在密封的动环与静环的界面上,对轴或轴套不会磨损,只有密封环而不是轴或轴套需要更换。

机械密封不需经常维护并能长期不泄漏,机械密封稳定运行一万五千小时以上是经常的事。

2 机械密封基本结构型式
2.1 按补偿元件进行的分类
2.1.1 单弹簧机械密封
单弹簧机械密封依照其动环的驱动方式分为摩擦驱动和强制驱动两种。

摩擦驱动是弹簧固定在轴上,顶推动环密封圈,靠“O”形环的摩擦力驱动动环。

这种机械密封由于其结构的简单化限制了它的应用范围。

因靠摩擦力驱动,它只能用在像水一类的非润滑型液体条件下,否则需用机械的办法强制驱动。

强制驱动是指卡环和动环之间有强制的驱动关系,一是把弹簧的两弯曲端分别卡在卡环和动环的缺口内;二是图卡环和动环之间止动销联接驱动。

单弹簧机械密封的使用限制在于一是单弹簧因在高速下有变形的倾向,它只能在较低速度下使甩．这种变形促使弹簧偏压于动环一侧的固有倾向更加显著,结果使密封面间的液膜不均匀,产生明显泄漏或磨损。

二是泵轴颈规格很多,用户需有大量弹簧库存才能覆盖所需要的规格。

2.1.2 多弹簧机槭密封
机械密封常遇到操作环境条件不能使用单弹簧密封结构。

用的是环绕转轴等间距分布的小弹簧,这种小弹簧在高速下不易变形而且在任何时候作用在动环上的密封压都是均匀的。

此外,相同尺寸的弹簧可用在众多规格的机械密封中使用。

2.1.3 波纹管机械密封
波纹管机械密封按波纹管种类分为金属波纹管和合成橡胶波纹管两种。

目前在装置上多用金属波纹管。

波纹管机械密封的主要优点是当静环磨损后动环能自由向前移动,而不受轴与“O”形环问摩阻的影响。

相当多的场合下,当泵轴或轴套金属材料与工艺物料不适应并产生腐蚀时,常规”O”形环会回结在轴上,因其丧失补偿能力而发生泄漏。

波纹管机械密封避免了这一情况的发生。

金属波纹管允许用于比合成橡胶波纹管更高的转速和更高的温度。

金属波纹管本身提供必要的压力使密封面保持接触．从而不需要弹簧。

因金属波纹管沿其整个圆周和全长是一整体元件,其作用在动环上的压力是均匀的,因此它比单弹簧机械密封可用于更高的转速。

同时它还适用于高温和低温。

直至最近,常规机械密封还得依赖合成橡胶或聚四氪乙烯作副密封元件(如轴和静环上的“O”形环)。

这些材料的适用温度范围根窄,并与其成份有关。

纵然某种特定材料可以适应于很高的温度,但它未必能经受被密封液体的化学腐蚀。

尽管可以在填函处形成一个人工的能与之匹配的环境条件,使其与温度和腐蚀条件相适应,但这种环境条件控制是
很昂贵的。

对此,采用金属波纹管密封使之能解决高温和低温下的密封问题。

因金属波纹管密封在轴上不存在“O”形环可能卡住的问题,故不会妨碍波纹管的伸缩补偿性能。

合成橡胶波纹管在耐压和耐温方面低于金属波纹管,但其经济性比较好。

波纹管只是对疲劳失效更为敏感。

由于波纹管不“像0”形环那样受到制约,一旦损坏其后果会严重得多。

常规“O”形环类密封圈由于种种原因毁坏时,因受到拘束,其泄漏也受到限制,因此泄漏是轻微的,并随损伤继续扩大而逐渐增加,使用户有足够时间准备停车检修。

但是,波纹管一旦破裂,泄漏常会大得多,需要立即修理。

2.2 平衡型与非平衡型机械密封
机械密封必须注意被密封介质的压力。

如一内装机械密封承受高压,必须采取措施使作用在密封上的各处压力不会都把动环推向通大气一侧。

如闭合压力大到一定限度,密封面同液膜会被挤出来。

在丧失润滑和高的密封面压力下,机械密封端面会很快磨损失效。

平衡型与非平衡型机械密封就是保持密封面压力在一个合理的范围内。

2.3 其他机械密封变形
2.3.1 内装机械密封与外装机械密封
以卡环和动环在介质侧或在大气侧来确定是内装机械密封或是外装机械密封。

内装机械密封容易控制其操作条件和把填函中的高压
加以平衡。

但内装机械密封需要一个适当的安装密封腔,不拆开设备便不能进行维修。

如果是一种润滑性良好的强腐蚀性液体,用外装式密封代替贵重耐腐蚀金属材料制成的,外装式机械密封是经济的。

因它是外露的,虽然容易调整和发现缺陷,但它容易受冲(撞)击损坏。

更重要的是外装非平衡型机械密封的压力限制。

与内装密封相比,液体压力是把密封面撑开而不是闭合,因此完全靠弹簧保持密封面接触。

在目前的应用中,化工泵基本上不使用外装式机械密封。

在相关的规范API 682中,对外装式机械密封也未列入。

2.3.2 双端面机械密封
需泵送一种脏的有腐蚀的液体,它会磨坏密封面并需用贵重材料以抗腐蚀。

一种合乎逻辑的解决办法是采用干净的无腐蚀的液体作密封液而不使用泵送介质。

就是为密封制造出一个人工环境。

双端面机械密封是这种原理的极好例子。

例如,在双端面机械密封形成一个相对独立的腔体后,可让水以高于泵进介质的压力进入,保持填函压力在一适当水平上,并允许少量的水循环带走密封面摩擦产生的热量。

利用这种配置,水以比泵送介质高的压力进入填函,环绕双端面密封并为双密封面提供润滑。

内侧的密封防止水进入泵内,外侧的密封防止水漏至大气中。

这一双端面机械密封变成一个水封,和泵送介质无关。

2.3.3 串联双端面机械密封
串列双端面机械密封是另一种配置形式。

这种密封的目的不是为
了创造一个像双端面机械密封那样的人工环境,而是提供一个备用密封,以备万一内侧机械密封损坏时用。

内侧密封的作用与内装单端面密封相同。

而密封之问的空腔内灌满了由一密闭容器内流过来的液体。

此液体为外侧密封提供润滑。

因两密封间的空腔只是充满液体而没有压力,所以内侧密封由泵送介质润滑而不是用容器中的液体。

如内侧密封失效,两密封间压力升高并传至容器内由仪表显示或警报,一旦内侧密封失效则由外侧密封继续起作用,直至停机修理。

机械密封的良好运行说到底就是维持密封端面的良好液膜。

这是个最基本的观点。

防止对液膜的压力过大将液膜挤出形成干摩擦,又要防止这个压力太小密封面张开,两者都造成密封失效。

机械密封的理论和各种工况的实践基本上都是按这个中心运行的。

3 结语
综上所述,需要在设计及使用机械密封时注意以下因素对泵可靠运行的影响:
(1)增强对机械密封辅助系统的认识,尽可能配备完善的机械密封辅助系统。

在泵产品设计的时候就要充分考虑到介质和工况的影响,确定良好可行的冲洗方案,进行正确的密封腔和接口设计,使机械密封有良好的工作环境。

(2)防止抽空对机械密封的破坏。

抽空引起的密封故障,一般不是静压差造成的,而是相态变化导致密封振荡。

所以,稳定操作最重要,其次,要有合适的冲洗方案来缓解相态剧变。

(3)泵轴的轴向窜量应控制在容许范围内。

过大的轴向窜量会造成端面比压的大范围波动,使泄漏产生,并破会机械密封。

(4)在实际使用中,稳定工艺操作,防止在超温状态下运行,保障冲洗系统可靠运行。

以及在维修装配时保证机械密封有足够的装配精度,都是机械密封良好运行的可靠保障。

在高压法三胺装置的工程实践中,对泵用机械密封的运行状况正是从上述因素逐个分析,排查原因,进行整改,才使机械密封运行可靠性得到了很大的提升。

所以,在设备上配置合理的辅助系统,工艺操作上防止汽蚀,现场维修装配上严格按规范保证装配精度,是提高泵用机械密封运行可靠性最关键的因素。

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