焊接金属波纹管机械密封的应用与存在的问题

焊接金属波纹管机械密封的应用
与存在的问题
杨宝亮,王汝美
(齐鲁石化公司胜利炼油厂,山东淄博　255434)
摘　要:分析了波纹管机械密封在使用中出现的问题,并针对提高机械密封的可靠性,降低成本等方面提出了几点看法,以期对密封研究、制造、使用者有所帮助。

关键词:波纹管机械密封;弹簧密封;故障分析
中图分类号:T B42　文献标识码:B　文章编号:100628805(2002)0520064203
焊接金属波纹管机械密封(以下简称波纹管密封)是机械密封的一个分支。

它的出现比推压式弹簧机械密封(以下简称弹簧密封)晚几十年。

高温下弹簧密封的辅助密封圈多用聚四氟乙烯(PTFE)制造,最高使用温度在200℃左右,满足不了高温泵密封的要求。

柔性石墨虽耐高温,但其强度低、易破损,不能适应弹簧密封动环密封圈沿轴向滑动的工况。

而波纹管密封则将辅助密封圈的滑动结构改为静密封结构,不仅消除了一个动密封点,同时消除了动环辅助密封圈所产生的迟滞作用,波纹管具有较好的追随性。

这种密封是美国一个厂商于1957年为美国航空航天管理局(NAS A)研制开发的,两年后应用于工业领域,为解决高温泵的轴密封问题开辟了一条新路。

现在该技术日益成熟和完善,市场逐渐扩大。

但是,波纹管密封在应用中也存在一些不容忽视的问题。

胜利炼油厂自1993年初开始在高温重油泵上试用波纹管密封,经过近10年的实践,积累了一定的经验。

1　焊接金属波纹管
111　波纹管的焊接与选材
凡是焊接的金属,在焊缝两侧都有热影响区,在该区域内的强度和耐腐蚀性均低于母材,波纹管的焊接也不例外。

波纹管的工作条件是高温并带一定的腐蚀性(包括应力腐蚀),同时承受多种外力,如密封流体的径向压力、弹性力引起的轴向压力并传递扭矩。

波纹管的断面应力状态复杂而不均匀,波片本身又很薄(0115mm～0130mm),在应力与介质腐蚀的共同作用下,往往会产生破裂〔1〕。

波纹管常用的材料AM350还有一个缺点,在315℃以上长期使用时,由于金属间化合物不断沉淀使材料变脆而容易开裂。

若干年前,炼油厂从国外进口的高温泵配套的就是波纹管密封(型号E BU2604),使用几个月后密封泄漏,拆检发现波纹管破裂。

波纹管为双层焊接金属的波纹管,其材料为NK30(日本钢号),相当于Inconel 718。

为了改善波纹管的受力状态,延长使用寿命,国外出现了非对称型波纹管。

所谓非对称型波纹管就是相邻的波峰和波谷曲率半径不同。

受力时波峰的曲率半径减小、波谷的曲率半径增大(见图1),因此应力沿波纹管断面较为均匀。

图1　非对称型波纹管密封
另外,这种波纹管只有一条纵向焊缝,一个直
作者简介:杨宝亮(1966—),山东临朐人,1991年毕业于西北大学化机专业,获学士学位,现为华东石油大学化机专业在读硕士,现在齐鲁石化公司胜利炼油厂从事设备维修管理工作,任钳工车间主任、工程师,已发表论文1篇。

石油化工设备技术
Petro2Chemical Equipment T echnology　
径50mm 的波纹管焊缝长度不到100mm 。

而市场
上供应的折叠式波纹管,相邻的波峰和波谷形状相同,曲率半径相等,故称为对称型波纹管,焊缝完全是环向的。

直径50mm 的波纹管焊缝长度达几米,这就增加了焊缝开裂的可能性,使密封的可靠性下降。

112　关于波纹管堵塞问题
炼油厂中最难处理的是“三底泵”,即常压塔底泵(重油)、减压塔底泵(渣油)和催化分馏塔底泵(油浆)。

它们的共同点是温度高达360℃～380℃,含有固体颗粒并易结焦。

解决这类泵的密封问题,常采用温度较低的(100℃左右)清洁油品(如蜡油)做冲洗,为密封创造一个良好的工作环
境。

但若是在单端面密封上采用轻质油品冲洗,经济上不划算。

如果采用双端面密封,又会导致结构复杂,安装困难。

有的用户根本不冲洗,但无论是泄漏量还是使用寿命都不理想。

这种情况下往往求助于波纹管密封。

在密封压盖处注入低压蒸汽,一方面起冷却密封的作用,另一方面,泄漏出来的重油(或渣油)用蒸汽吹走,以防止堵塞波纹管。

由图2可见,从密封端面泄漏出来的介质仍然沉积在波纹管的波谷内,时间久了,
使波纹管失弹。

图2　波纹管密封的蒸汽吹扫
据统计,因波纹管堵塞而失效的密封占故障
总数的60%左右,其中静止式波纹管密封较严重,旋转式密封较轻。

值得指出的是吹扫蒸汽量(或压力)相当大时才能起到应有的作用,这就出现了另一个问题,吹扫蒸汽窜入轴承箱中,使润滑油带水。

简而言之,吹扫蒸汽量在实际操作中很难控制,它并没有起到预期的效果,导致波纹管密封在“三底泵”上的使用效果并不好,泄漏出来的油附着在泵的轴承箱和密封处,黑糊糊一片。

有时还冒烟,即污染环境,又不卫生。

2　波纹管组件中环座与密封环的连接问题
密封环和环座大都采用镶嵌结构(见图3),
在镶嵌处要作到即能传递扭矩又有良好的密封性,一般采用过盈配合。

这就要求环座和密封环材料的线膨胀系数接近,以防高温下密封环松脱。

普通不锈钢的线膨胀系数为碳化钨的2～3倍,与碳化钨(YG 6)和石墨的线膨胀系数接近的只有4J42,这是一种铁镍合金(又称低膨胀合金)。

最
高使用温度370℃〔2〕
,线膨胀系数在400℃以下为(418～519)×10-6/℃,相当于国外的Carpenter42,价格昂贵。

其缺点是耐腐蚀性不好,
因为其氧化膜和基体结合不牢。

从实际应用来看,拆检下来的环座光亮如初,没有什么腐蚀,由此可以断定环座是用不锈钢制造的,而不是4J42。

于是可知,引起失效的主要原因是环座和密封环线膨胀系数不同。

这种情况下,若镶嵌紧力太小,高温下密封环松动;若镶嵌紧力过大,容易造成密封面变形,这样势必导致高温下密封失效。

因此,环座和密封环的联接是波纹管密封的另一个难题。

有的厂商在密封环和环座之间加了密封圈和传动销,虽然联接的问题解决了,但带来的是密封结构复杂、轴向尺寸加大、波纹管组件的质量加大、波纹管组件的密封端面下沉、对密封性有不良影响,尤其是对直径较大的密封这种影响更大。

此外,在镶嵌密封环时,在结合面处任一零件的加工误差,哪怕是0101mm ～0102mm 的锥度或椭圆度,都会引起密封端面的变形。

由于石墨的弹性模量比碳化钨小40多倍,石墨环的变形大。

图3　波纹管组件
3　价格和成本问题
波纹管密封的价格高是不争的事实,其中有历史的原因,也有市场的因素;另一方面,与制造
波纹管的材料贵和工艺复杂、工序多也有关系。

AM350,Inconel 718和哈氏合金2C 价格高,比普通1828和316不锈钢贵3～5倍。

AM350要经过850℃以上的高温和-73℃以下的低温处理,才能
杨宝亮等.焊接金属波纹管机械密封的应用与存在的问题
得到沉淀硬化的不锈钢。

还要把波片的内外径节
点处逐片焊接起来,才能称为波纹管。

评价一种产品不能单纯看价格,按单位费用的设备运转周
期来衡量是合适的〔1〕。

应以可靠性为首要指标,
同时参考其价格合理程度〔1〕。

同样轴径的波纹管密封价格为弹簧密封的8～10倍,与国外进口的弹簧密封价格相当。

而可靠性方面,波纹管密封比弹簧密封高不了多少。

以使用寿命为例,无论是高温泵还是常温泵的波纹管密封寿命基本上在8～10个月,与弹簧密封的寿命接近。

炼油厂经过几年的努力,在机泵轴封改造方面取得了显著的效果,大大延长了密封的使用寿命。

例如,三底泵、轻烃泵等都在5～6个月,离心压缩机使用的高速机械密封寿命达两个生产周期(20多个月),这些密封的泄漏量都在允许的标准以内。

该项成果于1989年获得中国石化总公司科技进步二等奖,国家科技进步三等奖。

这说明弹簧密封用好,退一步说,如果波纹管密封的使用寿命比弹簧密封长一倍,从单位费用的运转周期考虑仍不划算。

保守的计算,平均弹簧密封的使用寿命应为5～6个月,按单位费用运转周期计算,波纹管的使用寿命应为40～60个月。

这样长的使用寿命,不用说国内,在世界范围也是极为罕见的。

另外,造成机械密封发展迟缓的原因,其中对机械密封辅助系统的开发和应用是不可忽视的,尤其是高温泵、轻烃泵冲洗系统的开发和应用相当落后,并且很难被用户接受。

从而大大降低了机械密封的使用寿命,如果机械密封的辅助系统得到开发和应用,将会大大改善机械密封的工作状态,延长使用寿命,提高可靠性。

热裂、石墨碳化和辅助密封件为高温泵机械密封的三大故障,现在使用的柔性石墨耐高温、耐腐蚀性较好,但其回弹性差,而且易脆裂,安装时
容易损坏〔1〕
,只有波纹管密封的辅助密封件才使用柔性石墨,从这一点看不出波纹管有什么优势。

此外,由于波纹管组件带一个密封环,如果密封环是碳化钨制造的易热裂,如果是石墨制造的则易磨损。

一个密封环造成波纹管组件报废要花几千元(波纹管组件价格占每套密封价格的60%～80%)。

而在弹簧密封中换一个石墨环仅几十元钱。

这些费用如果进入维修成本,就不得不考虑单位费用的设备运转周期,选择可靠性高的密封就至关重要。

希望研究单位和制造厂针对波纹管存在的问题开展工作,积极探索价格低又能胜任工作条件的新材料和新结构。

克服现有的弊端,努力提高可靠性,把我国的机械密封技术提高到一个新水平,更好地为生产服务。

参考文献:
1　高武民1机械密封的失效原因分析及实际应用〔J 〕1
石油化工设备技术,2002(2):53～56。

2　膨胀合金手册编写组,膨胀合金手册〔S 〕1冶金工业出
版社,1979:36～37。

(上接第63页)
a )降低泵内丙烯介质的温度,如增大冲洗液孔、增加壳体水套、格兰通上冷却水。

在塔与储存
罐之间增加中间冷却器的面积,同时改循环水冷却为单线低温水冷却等。

如果介质温度高且降不下来,则需要使用蒸汽,以提高端面温度。

b )提高整个系统的压力,从而提高轴封箱压力,使轴封箱压力p s 满足:
p s ≥p t +Δp V +Δp F
式中:p t ———轴封箱温度下介质饱和蒸汽压;
Δp V ———与汽化温差Δt V 相当的蒸汽压增值;Δp F ———与摩擦加热温差Δt F 相当的蒸汽压增值。

c )开泵时,若介质温度低,则正常操作。

若介
质温度高,则先用蒸汽加热格兰1～2min ,然后慢慢打开泵入口阀,再启动泵,以使密封处在稳定的汽膜下工作。

若现场无蒸汽,则在泵入口阀微开时就启动泵,以提高端面温度。

d )在密封装配时,每次都要校核端面比压,校核端面比压时应根据膜温来考虑膜压系数的选择。

参考文献:
1　北京石油设计院编1石油化工工艺计算图表[M]1北
京:烃加工出版社,1985
2　李继和,蔡纪宁,林学海合编1机械密封技术[M]1北
京:化学工业出版社,1988
3　顾永泉著1机械端面密封[M]1东营:石油大学出版
社,1994
石　油　化　工　设　备　技　术 。