周樂才

(泰格林紙集團技術中心,湖南岳陽,414002)

·高濃磨機械密封·

延長P-RC AP MP高濃磨機械密封壽命的有效途徑

周樂才

(泰格林紙集團技術中心,湖南岳陽,414002)

從P-RC APMP高濃磨機械密封的基本結構、作用原理和設計特點,分析了P-RC APMP高濃磨機械密封的主要磨損形式和磨損規(guī)律,以控制機械密封磨損速率的關鍵參數(shù)為手段,達到延長機械密封耐磨壽命的目的。

機械密封;磨損形式;磨損規(guī)律;磨損速率

(E-mail:lclxiaohe@263.net)

Abstract:Wear is one of the common failures of contactmechanical seal.The main wear types,seal law of the mechanical seal in high consistency refiner of P-RC APMP line are analyzed based on the basis structure,working principal and design feature of itsmechanical seal.In order to extend the life ofmechanical seal,controlling the critical parameters affecting the wear rate is proposed.

Key words:mechanical seal;wear types;wear regulation;wear rate

1 機械密封的基本結構及密封原理

普通機械密封是一種依靠彈性元件對靜、動環(huán)端面密封副的預緊和介質壓力與彈性元件壓力的壓緊而達到密封的軸向端面密封裝置,故又稱端面密封。典型機械密封的基本元件有:端面密封副、彈性元件、輔助密封、傳動件、防轉件和緊固件(見圖1)。

2 機械密封基本元件的作用和要求

2.1 端面密封副

端面密封副(如靜、動環(huán))的作用是使密封面緊密貼合,防止介質泄漏。它要求靜、動環(huán)具有良好的耐磨性,動環(huán)可以軸向靈活地移動,自動補償密封面磨損,使之與靜環(huán)良好地貼合;靜環(huán)具有浮動性,起緩沖作用。為此密封面要求有良好的加工質量,保證密封副的貼合性能良好。

圖1 典型機械密封示意圖

2.2 彈性元件

彈性元件(如彈簧、波紋管、隔膜)主要起預緊、補償和緩沖作用,要求始終保持足夠的彈性來克服輔助密封和傳動件的摩擦和動環(huán)等的慣性,保證端面密封副良好的貼合和動環(huán)的追隨性,材料要求耐腐蝕、耐疲勞。

2.3 輔助密封

輔助密封(如O形圈、V形圈、U形圈)主要起靜環(huán)和動環(huán)的密封作用,同時也起到浮動和緩沖作用。要求靜環(huán)的密封元件能保證靜環(huán)與壓蓋之間的密封性和靜環(huán)有一定的動性,動環(huán)的密封元件能保證動環(huán)與軸或軸套之間的密封性和動環(huán)的浮動性。材料要求耐熱、耐寒并能與介質相容。

2.4 傳動件

傳動件(如傳動銷、傳動環(huán))起到將軸的轉矩傳給動環(huán)的作用。材料要求耐磨和耐腐蝕。

2.5 緊固件

緊固件(如緊定螺釘、彈簧座)起到靜、動環(huán)的定位、緊固作用。要求軸向定位正確,保證一定的彈簧壓縮量,使密封副的密封面處于正確的位置并保持良好的貼合。與輔助密封配合處,安裝密封圈要有導向倒角和壓彈量,應特別注意動環(huán)輔助密封件與軸套配合處要求耐磨損和耐腐蝕,必要時與軸套配合處可采用硬面覆層。

2.6 防轉件

防轉件(如防轉銷)起到防止靜環(huán)轉動和脫出的作用。要求有足夠的長度,防止靜環(huán)在負壓下脫出,并要求正確定位,防止靜環(huán)隨動環(huán)旋轉。防轉件的材料要耐腐蝕,必要時中間可加四氟乙烯套,以免損壞碳石墨靜環(huán)。

3 機械密封的可能泄漏途徑分析

3.1 動密封處泄漏

密封副密封面處泄漏(見圖1Ⅰ處),這是主要密封面,是決定機械密封摩擦、磨損和密封性能的關鍵,同時也決定機械密封的工作壽命。據(jù)統(tǒng)計,機械密封的泄漏大約有80%～95%是由于密封端面密封副造成的。因此,要求接觸面保持平行,表面粗糙度要求高,Ra=0.02～0.05μm,平面度0.92μm。對于不同介質,要求用合適的密封副材料組合,注意耐磨損、耐腐蝕,選用合適的幾何參數(shù)(面積比和寬徑比等)和性能參數(shù)(比壓、彈簧載荷等)。

靜環(huán)與壓蓋的輔助密封件(見圖1Ⅱ處)泄漏和動環(huán)與軸(或軸套)的輔助密封(見圖1Ⅲ處)泄漏,這是輔助密封面,是決定機械密封密封性和動環(huán)追隨性的關鍵,特別是動環(huán)與軸(或軸套)密封面,首先要防止因銹蝕、水垢、結焦或化學反應物料堆積而造成動環(huán)不能動彈。

3.2 靜密封處泄漏

壓蓋與密封箱體之間靜密封(見圖1Ⅳ處)、軸套與軸靜密封(見圖1Ⅴ處)和動環(huán)鑲嵌結構配合(見圖1Ⅵ處)泄漏,這3處均為靜密封。均應根據(jù)密封介質選用相容材料的密封墊或相應的配合。

4 P-RC AP M P高濃磨機械密封設計特點及密封原理

P-RC APMP高濃磨機械密封是一種依靠密封冷卻水的壓力產(chǎn)生對靜、動環(huán)端面密封副的壓緊力而達到密封的軸向端面密封裝置,靜環(huán)材料為碳化硅,動環(huán)材料為碳化鎢。密封冷卻水設計是在高濃磨機械密封設計中的創(chuàng)新點,既是機械密封的基本元件,又是保證靜、動環(huán)端面密封副正常溫度的關鍵,且該系統(tǒng)在設計時考慮到突然停機現(xiàn)象,設計了密封冷卻水應急系統(tǒng),防止機械密封缺水損壞。通過調節(jié)密封冷卻水的壓力、溫度,可調節(jié)機械密封靜、動環(huán)端面密封副的壓緊力和機械密封密封端面溫度,達到最佳密封效果。

S3068高濃磨機械密封元件有:端面密封副、密封冷卻水、輔助密封、傳動件、防轉件和緊固件(見圖2)。

圖2 S3068高濃磨機械密封示意圖

5 P-RC APM P高濃磨機械密封磨損分析

5.1 磨損的基本規(guī)律

摩擦表面上主要磨損形式有:黏著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、微動磨損和腐蝕磨損。各種磨損形式會相互轉化,與磨損形式轉化有關的臨界狀態(tài)一般有如下幾種:由表面彈性變形過渡到塑性變形或破壞;由表面塑性變形過渡到微觀切削或膠合;由于固體結構的改變而產(chǎn)生表面層的“犁溝”現(xiàn)象;由表層的固相焊合過渡到涂抹及材料轉移;由形成吸附膜過渡到形成反應物或膜的破壞。

材料的磨損是一個多階段的過程。一般磨損過程可分為:跑合(磨合)階段Ⅰ;穩(wěn)定(正常)磨損階段Ⅱ;劇烈(耗損)磨損階段Ⅲ。

延長機械密封使用壽命就是設法延長第Ⅱ階段使用時間。

5.2 P-RC APMP高濃磨機械密封磨損曲線

磨損量是磨損時間的函數(shù),它可以用磨損量-時間曲線和磨損速率-時間曲線來表示(見圖3)。

圖3 高濃磨機械密封磨損曲線

圖4 密封環(huán)溫度特性分布圖

這兩條磨損過程曲線反映了高濃磨機械密封磨損的基本規(guī)律:在磨合階段Ⅰ機械密封摩擦表面上的原始表面粗糙度發(fā)生了變化,表面經(jīng)磨合變得較光滑平整,磨損速率在此階段由快變慢到某個定值;在正常磨損階段Ⅱ,磨損速率等于常數(shù),磨損量均勻、穩(wěn)定增加;在劇烈磨損階段Ⅲ,由于表面受到損壞,表面溫度升高,材料機械性能變化,磨損速率增加,最終導致零件失效。這個階段常會出現(xiàn)磨損形式的改變。

5.3 控制機械密封磨損速率的關鍵參數(shù)

機械密封的壽命在正常情況下主要取決于密封面的磨損。軟密封面的承磨臺的高度是按照機械密封設計技術條件規(guī)定的磨損速率,即考慮要求的密封壽命來確定的。因此,在進行機械密封磨損速率估算時,理論使用壽命是根據(jù)平均磨損速率來推算的密封運轉壽命。降低機械密封磨損速率的關鍵參數(shù)是合理選擇靜、動環(huán)端面密封副的壓緊力和機械密封密封端面溫度,在生產(chǎn)使用中延長P-RC APMP高濃磨機械密封運轉壽命的關鍵是優(yōu)化密封冷卻水系統(tǒng)壓力和溫度。

P-RC APMP高濃磨機械密封配備的密封冷卻水系統(tǒng)要求:水的過濾精度為25μm;水回流溫度不應超過71℃;系統(tǒng)配壓力、流量參數(shù)連鎖保護;系統(tǒng)在盤磨電機運行時絕對不能手動停止。先進的密封冷卻水系統(tǒng)能有效地調節(jié)密封冷卻水流量、壓力等參數(shù),最佳的運行參數(shù)值能讓P-RC APMP高濃磨機械密封達到最佳密封效果的同時延長使用壽命。

5.3.1 密封冷卻水系統(tǒng)流量的控制

P-RC APMP高濃磨機械密封屬接觸式端面密封,不僅密封環(huán)端面、旋轉元件因摩擦產(chǎn)生熱量,而且高濃磨機械密封腔內的高溫、高壓工況也會產(chǎn)生大量的熱量,使密封環(huán)端面溫度過高且溫度曲線分布不均勻。密封環(huán)端面溫度過高和溫度曲線分布不均勻會導致密封工作不正常。例如:溫度過高和溫度曲線分布不均勻將會促使磨損和腐蝕加劇,端面間液膜汽化造成液膜的損壞,密封面熱裂或熱變形造成熱彈失穩(wěn)。因此,為了保證P-RC APMP高濃磨機械密封正常工作,必須嚴格控制密封環(huán)端面溫度,通過分析機械密封端面溫度特性,調節(jié)密封冷卻水流量,達到控制磨損率的目的。

圖4是通過試驗和動態(tài)分析P-RC APMP高濃磨機械密封密封特性后所作的密封環(huán)溫度特性分布圖。密封環(huán)溫度特性分布圖顯示了P-RC AP MP高濃磨機械密封密封端面內外側溫差高(約65℉)、機械密封整體溫差大(約90℉)的特性,并為密封冷卻水系統(tǒng)理論流量計算提供了可靠數(shù)據(jù)。P-RC APMP高濃磨機械密封水設計回流溫度不超過71℃,依據(jù)熱交換理論、機械密封幾何尺寸和密封環(huán)溫度特性分布圖可計算確定密封冷卻水系統(tǒng)理論流量值。在運行中不斷測量密封水回流溫度,通過密封冷卻水調節(jié)系統(tǒng)不斷修正密封冷卻水系統(tǒng)流量值使密封水回流溫度達到設計值,最終確定密封冷卻水系統(tǒng)流量值為22～25 L/min,從而保證P-RC APMP高濃磨機械密封的正常運行。

5.3.2 密封冷卻水系統(tǒng)的壓力控制

根據(jù)摩擦理論和密封技術可知,摩擦副材料黏著磨損的磨損量為:

式中,KW為磨損系數(shù);W為法向載荷;H為硬度,N/m2;L為摩擦路程。

則機械密封的磨損速率為:

根據(jù)磨損速率計算公式,在機械密封密封幾何形狀、密封材料和結構尺寸確定的前提下,只有降低法向載荷W才能降低磨損速率。P-RC AP MP高濃磨機械密封法向載荷W由密封冷卻水壓力提供,且與密封冷卻水壓力呈線性關系?？刂泼芊饫鋮s水壓力即控制了高濃磨機械密封法向載荷W,控制了機械密封的磨損速率。

通過對生產(chǎn)運行中數(shù)據(jù)進行采集、分析、試驗,確定了密封冷卻水壓力的最佳值,即在保證機械密封正常運行的前提下,取相同的運行時間,通過密封冷卻水調節(jié)系統(tǒng)設定不同的壓力值,精確測量軟密封面承磨臺的高度,得出密封冷卻水系統(tǒng)在不同壓力工況下,摩擦副材料的磨損量,確定機械密封磨損量與密封冷卻水系統(tǒng)壓力的關系。通過大量數(shù)據(jù)的對比、分析,得出P-RC APMP高濃磨機械密封密封冷卻水壓力在(5.5～6.0)×105Pa下運行,能達到機械密封最合理的使用壽命。

6 結 語

延長機械密封耐磨壽命,首先應該充分了解機械密封基本結構、作用原理和設計特點,充分分析機械密封主要磨損形式、磨損規(guī)律,控制與機械密封磨損速率有關的關鍵參數(shù),才能達到有效延長機械密封耐磨壽命的目的。

(責任編輯:趙旸宇)

The EffectiveWay to Extend the L ife ofM echan ical Seal for High Consistency Refiner of P-RC APM P Production L ine

ZHOU Le-cai

(Technique Center,Tiger Forest&Paper Group,Yueyang,Hu'nan Province,414002)

TS733+.3

B

0254-508X(2010)02-0044-04

周樂才先生,湖南泰格林紙集團技術中心機械設計室主任;主要從事制漿造紙機械設計和研發(fā)工作。

2009-08-14(修改稿)