胡名陽，于翔，姚會(huì)茹，趙靜

（1. 大連深藍(lán)泵業(yè)股份有限公司，遼寧大連 116036；2. 大連市輕工業(yè)學(xué)校，遼寧大連 116036）

在20 世紀(jì)70 年代前，世界上的尿素生產(chǎn)大多采用水溶液全循環(huán)法工藝，合成壓力約為20 MPa，因高壓氨泵壓差大，基本上使用往復(fù)式泵。70 年代開發(fā)出CO2汽提和氨汽提工藝后，合成壓力降為14～15 MPa，氨泵壓差相應(yīng)減小，在大型尿素裝置中，往復(fù)式和離心式高壓氨泵并存[1]。高壓氨泵作為合成氨裝置中的液氨進(jìn)料泵，是關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行是否穩(wěn)定、可靠，嚴(yán)重影響整個(gè)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)，故要求高壓氨泵在運(yùn)行過程中必須平穩(wěn)可靠、故障率低、故障檢測能力強(qiáng)、故障處理周期要短。離心泵則具備上述特點(diǎn)，相反往復(fù)泵故障頻率較高，故目前往復(fù)泵正逐漸被離心泵所取代[2]。

高壓離心泵作為高壓氨泵，由于壓差和流量均較大，導(dǎo)致其軸徑、轉(zhuǎn)速和介質(zhì)壓力均較大，這就給軸端機(jī)械密封的設(shè)計(jì)造成了困難，高壓氨泵機(jī)械密封是典型的大軸徑高壓高速密封，其故障已經(jīng)成為離心式高壓氨泵在現(xiàn)場應(yīng)用中的最主要的故障形式[3]。高壓氨泵機(jī)械密封已經(jīng)成為限制離心式高壓氨泵國產(chǎn)化應(yīng)用的主要瓶頸，解決這一問題迫在眉睫。

某大型化肥企業(yè)，使用某國產(chǎn)離心泵P102A/B作為尿素裝置中的液氨進(jìn)料泵，配套采用國內(nèi)某企業(yè)的雙端面機(jī)械密封，機(jī)封采用Plan 54 沖洗系統(tǒng)。該泵自2015 年上線運(yùn)行至今，機(jī)械密封故障頻繁，經(jīng)多次改造后，從開始全部機(jī)封開車幾小時(shí)后即發(fā)生泄漏，到目前部分機(jī)封能維持3 個(gè)月左右的壽命，仍無法徹底解決機(jī)械密封的頻繁失效問題。為了解決這一難題，提出了基于多場耦合數(shù)值仿真設(shè)計(jì)方法，以解決高壓氨泵這類大軸徑高壓高速的機(jī)械密封問題。

1 高壓氨泵機(jī)械密封特點(diǎn)分析

高壓氨泵P102A/B 工況參數(shù)如表1 所示。

表1 高壓氨泵P102A/B 工況參數(shù)Table 1 Operating conditions of high pressure ammonia pump P102A/B

由表1 的工況參數(shù)可以看出，P102A/B 高壓氨泵機(jī)械密封屬于典型應(yīng)用于大軸徑、高壓、高速工況下的機(jī)械密封。根據(jù)API 682 要求此類密封泄漏量應(yīng)控制在5.6 g/h[4]，而機(jī)械密封屬于摩擦副一類產(chǎn)品，如此小的泄漏量必然要求有足夠小的密封間隙，更小的密封間隙則意味著在高壓高速工況下運(yùn)行時(shí)將因更劇烈的摩擦產(chǎn)生更多的熱量和磨損，這就更易導(dǎo)致密封失效，即在工況條件一定時(shí)，機(jī)械密封的泄漏量與摩擦的劇烈程度在一定程度上是呈負(fù)相關(guān)的，這正是高參數(shù)機(jī)械密封設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。因此這一機(jī)械密封的設(shè)計(jì)核心就變?yōu)樵诳煽匦孤┝糠秶鷥?nèi)盡量減小密封的發(fā)熱量和磨損量，延長密封的壽命，提高可靠 性。

2 高壓氨泵機(jī)械密封設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 高壓氨泵機(jī)械密封設(shè)計(jì)簡介

根據(jù)以上對(duì)高壓氨泵機(jī)械密封工況的分析，綜合考慮設(shè)計(jì)的機(jī)械密封的各項(xiàng)性能參數(shù)，確定為多彈簧、平衡式、靜止型、石墨對(duì)碳化硅的帶壓雙端面機(jī)械密封，并采用特殊設(shè)計(jì)的圓周多點(diǎn)分布的沖洗方式結(jié)合Plan 54 沖洗方案進(jìn)行強(qiáng)制潤滑冷卻[5]，在此基礎(chǔ)上，利用多場耦合數(shù)值仿真對(duì)摩擦副的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到在可控泄漏量范圍內(nèi)的低發(fā)熱量和低磨損率，具體剖面圖如圖1 所示。

圖1 高壓氨泵機(jī)械密封剖面圖Fig.1 Mechanical seal profile for high pressure ammonia pump

2.2 高壓氨泵機(jī)械密封設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）機(jī)械密封采用多彈簧結(jié)構(gòu)，使彈簧施加的補(bǔ)償力更均勻地作用于補(bǔ)償環(huán)組件上。

（2）機(jī)械密封采用靜止型結(jié)構(gòu)，消除高轉(zhuǎn)速下補(bǔ)償環(huán)由于補(bǔ)償而產(chǎn)生的高頻偏擺。

（3）機(jī)械密封采用平衡式結(jié)構(gòu)，極大地提高了摩擦副的承載能力。

（4）摩擦副材料采用石墨與碳化硅配對(duì)，保證最優(yōu)的摩擦學(xué)性能。

（5）補(bǔ)償環(huán)與靜止金屬件、非補(bǔ)償環(huán)與旋轉(zhuǎn)金屬件之間的連接全部采用撓性浮動(dòng)連接，保證摩擦副密封面完整有效貼合。

（6）撓性浮動(dòng)連接處采用墊塊加O 形圈結(jié)構(gòu)，保證高壓下O 形圈不會(huì)從間隙處擠出。

（7）非補(bǔ)償環(huán)、補(bǔ)償環(huán)和補(bǔ)償環(huán)座壓力邊界徑向基本相同，實(shí)現(xiàn)流體壓力全平衡，保證摩擦副不產(chǎn)生軸向力。

（8）補(bǔ)償環(huán)座和軸套材料采用雙相鋼，同時(shí)保證耐腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度，高壓下小變形，減小支撐約束變形對(duì)摩擦副的影響。

（9）非補(bǔ)償環(huán)采用凹窩傳動(dòng)，補(bǔ)償環(huán)組件采用鍵傳動(dòng)，保證傳動(dòng)的可靠性，同時(shí)避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的脆性摩擦副材料破壞。

（10）Plan 54 內(nèi)部沖洗采用特殊設(shè)計(jì)的圓周多點(diǎn)沖洗方式，使隔離液可以從圓周方向上多個(gè)位置直接冷卻密封面，冷卻更均勻效率更高。

（11）摩擦副采用基于多場耦合數(shù)值仿真方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)小泄漏量下的低功耗磨損。

2.3 高壓氨泵機(jī)械密封摩擦副多場耦合數(shù)值仿真

2.3.1 多場耦合數(shù)值仿真基本方法

在接觸式機(jī)械密封的摩擦副中存在多個(gè)物理過程：補(bǔ)償環(huán)的熱變形和力變形、非補(bǔ)償環(huán)的熱變形和力變形、補(bǔ)償環(huán)的熱傳導(dǎo)、非補(bǔ)償環(huán)的熱傳導(dǎo)、密封面上流體的靜壓和動(dòng)壓潤滑效應(yīng)、密封面上摩擦學(xué)效應(yīng)以及補(bǔ)償環(huán)軸向力平衡等。所有這些過程是相互作用、互相耦合的。例如，補(bǔ)償環(huán)和非補(bǔ)償環(huán)的變形影響密封面上流體膜的厚度和形狀，而密封上流體液膜的厚度和形狀又影響密封面上流體膜壓力的分布；反過來，密封面上流體膜的壓力分布影響補(bǔ)償環(huán)和非補(bǔ)償環(huán)的變形，而補(bǔ)償環(huán)和非補(bǔ)償環(huán)的變形又影響密封面上流體膜的厚度和形狀。另一方面，密封面上流體膜厚度和形狀也影響密封面的摩擦生熱，而密封面的摩擦生熱又影響補(bǔ)償環(huán)和非補(bǔ)償環(huán)的熱傳導(dǎo)及密封面溫度分布，密封面的溫度分布又影響密封面上流體膜壓力分布，進(jìn)而影響補(bǔ)償環(huán)的流體膜開啟力和平衡膜厚。要同時(shí)求解這些物理過程，是相當(dāng)復(fù)雜和困難的[6]。通過專有的機(jī)械密封穩(wěn)態(tài)下綜合性能分析軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)這一過程的數(shù)值仿真，軟件綜合考慮了補(bǔ)償環(huán)和非補(bǔ)償環(huán)的變形和熱傳導(dǎo)（固體有限元FEM）、密封面上流體靜壓和動(dòng)壓潤滑效應(yīng)（計(jì)算流體力學(xué)CFD）和大量的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)各物理過程的控制方程進(jìn)行迭代完成求解過程，具體迭代計(jì)算過程如圖2 所示。

圖2 迭代計(jì)算流程圖Fig.2 Flow chart of iterative calculation

2.3.2 高壓氨泵機(jī)械密封數(shù)值仿真結(jié)果

由于高壓氨泵機(jī)械密封采用了帶壓雙端面結(jié)構(gòu)，介質(zhì)側(cè)僅承受介質(zhì)與隔離液的壓差0.3 MPa 左右，為低負(fù)載側(cè)，而大氣側(cè)承受隔離液壓力2.3 MPa 左右，為高負(fù)載側(cè)。介質(zhì)側(cè)和大氣側(cè)摩擦副結(jié)構(gòu)完全相同，故按照大氣側(cè)邊界條件對(duì)摩擦副部分建立分析模型并確定邊界條件，如圖3 所示。

圖3 摩擦副分析模型及邊界條件圖Fig.3 Friction pair analysis model and boundary condition

圖4～6 為根據(jù)上述模型計(jì)算得出的摩擦副變形、密封面徑向壓力分布和密封面徑向流體相態(tài)分布。密封面最高溫度126.7 ℃遠(yuǎn)小于摩擦副許用溫度。密封面徑向壓力以流體壓力為主，即流體壓力起主要的平衡軸向載荷作用，有效減小固體摩擦消耗的功率和發(fā)熱量。密封面徑向流體以液體為主，隨著密封面半徑減小流體壓力降低，有少量流體汽化，汽液兩相比僅為0.04，可認(rèn)為密封面流體完全為液態(tài)，密封可穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。摩擦副計(jì)算泄漏量為4.24 g/h，消耗功率4.23 kW，小于API 682 標(biāo)準(zhǔn)，滿足使用要求。計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果分別見表2、表3。

圖4 摩擦副變形（50 倍）和溫度云圖Fig.4 Friction pair deformation (50 times) and temperature field

圖5 密封面徑向壓力分布Fig.5 Radial pressure distribution with sealing surface

圖6 密封面徑向流體相態(tài)分布Fig.6 Radial fluid phase distribution with sealing surface

表2 高壓氨泵機(jī)械密封參數(shù)Table 2 Parameters of mechanical seal for high pressure ammonia pump

需要說明的是，以上全部計(jì)算結(jié)果的有效性均是基于API 682 對(duì)工程安裝要求，具體的密封端蓋與密封腔徑向配合面相對(duì)于軸的總跳動(dòng)量不超過0.125 mm，軸向配合面相對(duì)于軸的總跳動(dòng)量不超過0.08 mm，安裝軸孔配合為間隙配合，配合間隙0.02 ～ 0.093 mm[4]。

2.4 高壓氨泵機(jī)械密封最終設(shè)計(jì)

根據(jù)以上對(duì)高壓氨泵機(jī)械密封工況的分析、設(shè)計(jì)要點(diǎn)的說明和摩擦副結(jié)構(gòu)的優(yōu)化計(jì)算，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，確定高壓氨泵機(jī)械密封的最終設(shè)計(jì)參數(shù)和主要性能參數(shù)，見表4[7]。

表3 高壓氨泵機(jī)械密封計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results summary of mechanical seal for high pressure ammonia pump

表4 高壓氨泵機(jī)械密封最終設(shè)計(jì)參數(shù)和主要性能參數(shù)Table 4 Final design parameters and main performance parameters of mechanical seal for high pressure ammonia pump

2.5 高壓氨泵機(jī)械密封試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的高壓氨泵機(jī)械密封的性能，進(jìn)行了連續(xù)100 h 的型式試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中0.5 h 記錄一次數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總制成試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)曲線，如圖7 所示[8]。

可以看出，整個(gè)試驗(yàn)過程中壓力穩(wěn)定，水的出入口溫度存在同步的周期性波動(dòng)并且日間高夜間低，這主要是由于試驗(yàn)時(shí)間為冬季，晝夜溫差導(dǎo)致的環(huán)境溫差和冷卻水溫差較大引起的。試驗(yàn)過程中測得的單套摩擦副功率在試驗(yàn)開始階段有一個(gè)明顯的下降過程，而后趨于穩(wěn)定，這主要是由于試驗(yàn)開始階段石墨材質(zhì)的補(bǔ)償環(huán)需要一個(gè)磨平過程，當(dāng)補(bǔ)償環(huán)完全磨平后功率趨于穩(wěn)定。

圖7 密封面徑向壓力分布Fig.7 Test data curve

除去磨平階段，平均測量單套摩擦副的功率為4.42 kW，與仿真計(jì)算結(jié)果基本相符，誤差為4.25%。試驗(yàn)全程無可見和可測泄漏，這主要是由于泄漏量較小且從上述計(jì)算中可看出泄漏介質(zhì)為汽態(tài)，這也間接驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果。

整個(gè)試驗(yàn)過程密封運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定無異常，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)密封進(jìn)行了解體檢查，補(bǔ)償環(huán)和非補(bǔ)償環(huán)結(jié)構(gòu)完整無損傷，表面磨痕均勻一致，無皰疤白斑氣孔等缺陷，如圖8 所示。測量補(bǔ)償環(huán)磨損量為0.01 mm，按補(bǔ)償環(huán)凸臺(tái)2 mm 高度計(jì)算，密封壽命可達(dá)20 000 h，遠(yuǎn)超國標(biāo)要求，可見基于多場耦合數(shù)值仿真設(shè)計(jì)的高壓氨泵機(jī)械密封性能優(yōu)良，可達(dá)到同類進(jìn)口產(chǎn)品水 平[9]。

圖8 補(bǔ)償環(huán)（左）和非補(bǔ)償環(huán)（右）拆解照Fig.8 Sealing surface photo of primary ring (left) and mating ring (right) after test

3 結(jié)束語

（1）全面考慮尿素裝置中液氨進(jìn)料泵的工況特點(diǎn)，對(duì)高壓氨泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)采取了針對(duì)性設(shè)計(jì)，使用基于多場耦合數(shù)值仿真方法對(duì)摩擦副進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了100 h 的型式試驗(yàn)，解決了原國產(chǎn)密封存在的問題，達(dá)到了預(yù)期的效果，為裝置的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（2）采用綜合考慮補(bǔ)償環(huán)和非補(bǔ)償環(huán)的變形和熱傳導(dǎo)（固體有限元FEM）、密封面上流體靜壓和動(dòng)壓潤滑效應(yīng)（計(jì)算流體力學(xué)CFD）和大量的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)修正的機(jī)械密封專用穩(wěn)態(tài)性能分析軟件，在設(shè)計(jì)時(shí)即可對(duì)密封性能進(jìn)行預(yù)測，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，從而取得最優(yōu)的密封性能。

（3）在該設(shè)備上的密封改造設(shè)計(jì)過程中取得的一些寶貴經(jīng)驗(yàn)，可為化肥加工行業(yè)其他類似設(shè)備的密封改造提供參考。