許立太，宋 楊，許鵬星

(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060;2.蘭州石化公司 設(shè)備維修公司，甘肅 蘭州 730060)

1 機(jī)封泄漏現(xiàn)象概述

P304/2是300萬噸/年催化裂化裝置冷油泵房的重要裝置之一，它主要負(fù)責(zé)將C304底部的汽油補(bǔ)充吸收到C301。其工藝條件:該泵入口壓力為0.89 MPa，工藝壓力為2.4 MPa，出口壓力2.5 MPa，流量為208.35 m3/h，輸送介質(zhì)為穩(wěn)定汽油，工作溫度為40℃，轉(zhuǎn)數(shù)為2950 r/min。

2012年11月P304/2按計(jì)劃大修處理，同時(shí)按照原始記錄上的機(jī)封90B-65ZE換取機(jī)封，組裝好試車時(shí)打開管道入口閥門時(shí)機(jī)封沒有泄漏。當(dāng)啟動(dòng)電機(jī)試車時(shí)便開始滲漏，只能將機(jī)封拆卸下來重新檢查，發(fā)現(xiàn)機(jī)封端面有一道細(xì)小的裂紋，認(rèn)為這是造成這次滲漏的主要原因。于是更換一套新的機(jī)封，并對(duì)其端面進(jìn)行了仔細(xì)的檢查，確認(rèn)無誤后開始組裝，隨著第二套機(jī)封的安裝，試車時(shí)機(jī)封仍泄漏，但這次拆卸下來的機(jī)封完好無損并沒有缺陷，連續(xù)多次的更換機(jī)封，但都達(dá)不到理想的效果。由于汽油為易揮發(fā)介質(zhì)，極易氣化并產(chǎn)生相變，汽油泵機(jī)械密封的冷卻系統(tǒng)在結(jié)垢或堵塞時(shí)，由于端面摩擦產(chǎn)生的熱量使介質(zhì)飽和蒸汽壓上升，當(dāng)密封的工作壓力低于介質(zhì)的飽和蒸汽壓時(shí)，端面液膜發(fā)生閃蒸爆裂，喪失潤(rùn)滑，造成端面干摩擦，從而發(fā)生泄漏。汽油比較難封，故對(duì)泵304的機(jī)封前后更換了多次，但是效果甚微。

2 泄漏原因分析

P304/2機(jī)封泄漏的原因是多方面的:

(1)冷卻沖洗不良，在機(jī)械密封冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)垢或阻塞時(shí)，由于端面摩擦及旋轉(zhuǎn)元件攪拌液體產(chǎn)生熱量而使介質(zhì)的飽和蒸汽壓上升，造成介質(zhì)壓力低于其飽和蒸汽壓的狀況，端面液膜發(fā)生閃蒸爆裂，喪失潤(rùn)滑，造成端面干摩擦，從而發(fā)生泄漏。

(2)動(dòng)、靜環(huán)的壓縮量設(shè)定不當(dāng)，壓縮量過大會(huì)使機(jī)封端面磨損嚴(yán)重，容易發(fā)生泄漏，而壓縮量過小又會(huì)達(dá)不到密封效果。

(3)動(dòng)、靜環(huán)端面與軸中心線垂直度偏差過大，會(huì)加劇動(dòng)靜環(huán)的磨損。

(4)密封圈過大或過小，太軟或太硬，耐蝕、耐溫性能不好，會(huì)發(fā)生變形和老化，或者密封圈存在缺陷，也會(huì)發(fā)生泄漏。

(5)設(shè)計(jì)選型有誤，密封端面比壓偏低或密封材質(zhì)冷縮性較大等。

通過多次的安裝與調(diào)試，疏通冷卻沖洗水線，調(diào)整機(jī)封壓縮量，找正等方法都未能解決P304/2機(jī)封泄漏現(xiàn)象。造成泄漏的原因有可能是第五種，設(shè)計(jì)選型有誤，密封端面比壓偏低或密封材質(zhì)冷縮性較大等，但又由于機(jī)封90B-65ZE的端面材料是石墨與碳化鎢，在其它的同介質(zhì)泵中都有良好的密封效果，因而密封端面比壓低很有可能就是造成泄漏的原因。

3 解決方法

由于90B-65ZE機(jī)封多次安裝未能達(dá)到使用要求，而DTM70B-1又是臺(tái)帳上所記錄的備用機(jī)封之一，且具有較大的壓縮范圍，所以下面根據(jù)P304/2的實(shí)際情況對(duì)DTM70B-1進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.1 選 材

通過查詢工藝條件，選取與之相匹配的動(dòng)靜環(huán)材料，工藝條件查找主要零部件的材料，如表1所列［1］。

表1 常用機(jī)械密封主要零件材料

根據(jù)表1，由已知P304/2被密封的介質(zhì)為粗汽油，溫度為40℃，為此，其旋轉(zhuǎn)環(huán)可選石墨，相應(yīng)的靜止環(huán)材料選碳化鎢。

3.2 平衡系數(shù)與載荷系數(shù)的確定［2］

機(jī)械密封的載荷系數(shù)K是在摩擦副軸向力平衡條件下，各軸向力與密封上最大介質(zhì)壓力的比值，它反映了各種軸向力作用的大小。

式中:d1、d2分別為密封面內(nèi)直徑與外直徑;dB為平衡直徑。

平衡系數(shù)β同樣反應(yīng)各種軸向力的大小，正常情況下，平衡系數(shù)β不能超過0.5，否則機(jī)封就會(huì)失效。一般β值為(0.15～0.45)，β用公式表示為β=1-K。平衡系數(shù)β選用遵照以下原則:①平衡系數(shù)越大，則由介質(zhì)引起的端面比壓越小，雖然磨損小但容易泄漏，反之系數(shù)越小則端面比壓越大，加劇了磨損。②介質(zhì)粘度越小，適用β越大。③介質(zhì)粘度越大，適用β越小。根據(jù)以上討論，選取P304/2的β=0.4，則K=0.6。

3.3 密封環(huán)的主要尺寸

(1)靜環(huán)尺寸的確定 靜環(huán)端面寬度b1與端面內(nèi)經(jīng)d1和外徑d2，端面凸臺(tái)h，密封環(huán)與軸面配合間隙e均是密封環(huán)的主要尺寸。在強(qiáng)度，剛度允許的前提下，端面寬度b1應(yīng)盡量取較小值，過大則冷卻、潤(rùn)滑效果不好，但也不能過?。?］。一般靜環(huán)端面b1的寬度選取如表2所列。根據(jù)表2，再結(jié)合P304/2的軸徑為60 mm確定機(jī)封靜環(huán)寬度b=4 mm。

表2 窄環(huán)端面寬度b

(2)動(dòng)環(huán)端面寬度的確定 一般來說，動(dòng)環(huán)端面寬度要比靜環(huán)b1大1～3 mm，在本次設(shè)計(jì)中，選取動(dòng)環(huán)端面寬度b2=6 mm。

(3)端面凸臺(tái)高度h 端面凸臺(tái)高度一般取2～3 mm，石墨等可取3 mm，考慮到強(qiáng)度與耐磨性，取h=3 mm。

(4)端面內(nèi)經(jīng)d1和外徑d2根據(jù)已知載荷系數(shù)K，端面寬度b及平衡直徑db，可算出端面內(nèi)經(jīng)d1:

端面外徑:d2=d1+2b=75.8(mm)

3.4 密封環(huán)與軸的端面間隙

對(duì)于密封環(huán)與軸的配合間隙，旋轉(zhuǎn)環(huán)與靜止環(huán)取值不同。旋轉(zhuǎn)環(huán)雖然與軸無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但為保證具有一定的浮動(dòng)性以補(bǔ)償軸與靜止環(huán)的偏斜和軸振動(dòng)等影響，取直徑間隙e1=0.5～1 mm。對(duì)于靜止環(huán)，因?yàn)樗c軸有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其間隙應(yīng)稍大，取直徑間隙e2=1～2 mm。設(shè)計(jì)中選e1=0.8 mm，e2=1.5 mm。

3.5 輔助密封圈與彈性元件的選取

輔助密封圈有O形，V形及柔性石墨等。其中以橡膠O形圈最為常見，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，有自封作用，動(dòng)摩擦阻力小、耐壓力、溫度變化范圍大。所以此次設(shè)計(jì)選用橡膠O形密封圈。O形密封圈安裝后的壓縮量應(yīng)該適當(dāng)，普通橡膠O形圈壓縮量取截面直徑的5%～10%，對(duì)軸的過盈量為1%～3%，如表3所列。根據(jù)表3，再結(jié)合P304/2的軸徑為60 mm的實(shí)際情況，取d2=φ5.2 mm。

表3 橡膠O形圈尺寸及壓縮率推薦表

機(jī)械密封中彈性元件的主要作用是對(duì)密封端面產(chǎn)生一定的預(yù)緊壓力，使端面在啟動(dòng)，停車或介質(zhì)壓力波動(dòng)時(shí)能保持良好的結(jié)合。同時(shí)用來克服輔助密封圈與軸之間的摩擦力，使補(bǔ)償環(huán)沿軸向移動(dòng)，以補(bǔ)償端面磨損后形成的間隙，此外，還可對(duì)軸的跳動(dòng)等引起的振動(dòng)起一定的緩沖作用。本次機(jī)封設(shè)計(jì)中選擇內(nèi)裝式圓柱螺旋壓縮彈簧的小彈簧，采用八根均布的方式排列。為了取得較大的彈簧比壓，選取材料為1Cr18Ni9的小彈簧的單個(gè)設(shè)計(jì)壓力位55 N，小彈簧的其它各種幾何尺寸均符合機(jī)封的要求。

根據(jù)P304/2對(duì)端面材料的選取和摩擦副端面內(nèi)外徑的計(jì)算，以及輔助密封圈與彈性元件的選取，可以發(fā)現(xiàn)DTM70B-1基本滿足P304/2的使用要求。

4 前后兩套機(jī)封的性能對(duì)比

PV值是用來描述密封面的工作情況的，摩擦副承受的摩擦力有兩部分，一部分是處于端面間的液壓力造成的液體摩擦力，另一部分是有摩擦副的接觸面造成的摩擦力，與端面比壓有關(guān)。

4.1 計(jì)算端面比壓為P g

機(jī)械密封的端面比壓是決定密封性能和密封壽命的重要參數(shù)。機(jī)械密封的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)踐證明，維持端面間適宜的液膜。使摩擦副在液體摩擦狀態(tài)下工作是保障機(jī)械密封可靠運(yùn)行及延長(zhǎng)使用壽命的重要環(huán)節(jié)。端面比壓過大，端面間液膜無法形成會(huì)造成摩擦面發(fā)熱，磨損加劇和摩擦功率增加。端面比壓過小，易于泄漏，而當(dāng)端面比壓小于端面間的液膜壓力時(shí)，密封端面將會(huì)被推開，使密封失效［4］。因此，正確計(jì)算與分析機(jī)封端面比壓對(duì)于密封的操作與設(shè)計(jì)十分重要。

(1)首先計(jì)算90B-65ZE機(jī)封:

式中:Ps為彈簧比壓，MPa;λ為機(jī)械密封流體膜反壓系數(shù)，可近似取λ≈0.5;P為介質(zhì)壓力，是密封腔處的介質(zhì)壓力。P=0.7 P2;P2為泵出口壓力，2.5 MPa;K為平衡系數(shù)，K=0.6。

對(duì)于內(nèi)流式結(jié)構(gòu)，常用范圍是0.15～0.25 MPa，金屬波紋管機(jī)封90B-65ZE，選取Ps=0.2 MPa。

(2)而后使用的改進(jìn)DTM70B-1機(jī)封:

式中:λ為機(jī)械密封流體膜反壓系數(shù)，可以近似的取λ≈0.5;P為介質(zhì)壓力，是密封腔處的介質(zhì)壓力。P=0.7 P2;P2為泵出口壓力，2.5 MPa;K為平衡系數(shù)，K=0.6;其K，λ，P值兩者都一樣，關(guān)鍵在于Ps值不同，由于P304/2以前使用的機(jī)封90B-65ZE可能是由于比壓不夠而造成泄漏，在選型時(shí)，應(yīng)選擇較大的彈簧比壓來增大機(jī)封的端面比壓。由于DTM70B-1采用八根彈簧，其單個(gè)設(shè)計(jì)壓力為55 N可得出:

4.2 P g V值的計(jì)算

端面壓力Pg與密封端面平均滑動(dòng)速度V的乘積表示PgV值，是機(jī)械密封實(shí)際工作時(shí)的性能參數(shù)。因?yàn)槟Σ凉β逝c摩擦熱量均與PgV成正比。隨著PgV值的升高，當(dāng)摩擦面溫度達(dá)到某一值時(shí)，會(huì)引起液膜的強(qiáng)烈蒸發(fā)，或使邊界膜失向(破壞了極性分子的定向排列)而造成吸附膜脫吸，導(dǎo)致摩擦副兩個(gè)表面直接接觸產(chǎn)生劇烈磨損。所以PgV值是反映密封摩擦副的工作能力，也是評(píng)定摩擦副材料磨損性和耐熱性的重要指標(biāo)［5］，常用摩擦副材料的值如表4所列。

表4 常用摩擦副材料的［P g V］值

表4看出碳化鎢，石墨的［PgV］值為90 MPa·m/s。為使機(jī)封安全投用，一般情況下，其實(shí)際PgV不得超出(0.2～0.25)［PgV］。由于泵的轉(zhuǎn)速為2 950 r/min，所以對(duì)于機(jī)封DTM70B-1的密封面平均周速V為:

式中:n為轉(zhuǎn)速，49 r/s

可以計(jì)算出V=49×0.0717π/2=11.047(m/s)

對(duì)于90B-65ZE

符合使用要求。

5 結(jié)論

(1)依據(jù)摩擦副尺寸計(jì)算改進(jìn)前后的機(jī)械密封的計(jì)算端面比壓分別為0.375 MPa和0.534 3 MPa，改進(jìn)前的機(jī)封比壓屬于正常范疇(0.3～0.7 MPa)偏小。有可能產(chǎn)生泄漏，而改進(jìn)后的機(jī)封端面比壓為0.534 3 MPa，大于改進(jìn)前的，安裝后試車投運(yùn)，機(jī)封不再泄漏，效果良好。

(2)機(jī)械密封選型不當(dāng)造成動(dòng)靜環(huán)磨損，發(fā)生泄漏，結(jié)合P304/2與密封介質(zhì)的特點(diǎn)，對(duì)泵的機(jī)封進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，新選型的機(jī)封結(jié)構(gòu)能滿足設(shè)備使用要求，可實(shí)現(xiàn)密封介質(zhì)的零泄漏，延長(zhǎng)該泵的使用周期，自投運(yùn)到現(xiàn)在，效果良好。

［1］ 徐 灝.密封［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005.

［2］ 陳國定.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］ 王金剛.石化裝備流體密封技術(shù)［M］.北京:中國石化出版社，2007.

［4］ 龔天宏.現(xiàn)場(chǎng)解決機(jī)械密封泄漏的方法［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2001(2):62-64.

［5］ 孫秀麗.離心泵機(jī)械密封泄漏原因分析及處理方法［J］.化學(xué)工程師，2008(3):45-47.