矯健

摘要：高溫油泵機(jī)械密封問(wèn)題是長(zhǎng)期困擾機(jī)械行業(yè)的一個(gè)問(wèn)題。因工作環(huán)境溫度高、壓力大、介質(zhì)粘度大且催化劑含有固體顆粒，在長(zhǎng)期的工作下密封面會(huì)產(chǎn)生磨損或松脫，致使密封圈失效。作為機(jī)械熱工工藝中的核心設(shè)備，高溫油泵機(jī)械密封失效將嚴(yán)重影響機(jī)械熱工生產(chǎn)的安全。基于高溫油泵機(jī)械密封的重要性，本文主要探討了高溫油泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，分析了密封面失效的主要原因，從材質(zhì)、制造工藝、密封結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)四個(gè)方面探討了高溫油泵機(jī)械密封失效改進(jìn)的對(duì)策。旨在為機(jī)械熱工生產(chǎn)工藝中高溫油泵機(jī)械密封安全提供一些參考。

關(guān)鍵詞：高溫油泵機(jī)械;密封面;密封失效;結(jié)構(gòu);磨損

中圖分類號(hào)：TE964? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0075-02

0? 引言

機(jī)械業(yè)是一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，使用機(jī)械熱工生產(chǎn)技術(shù)可以生產(chǎn)出品類繁多，應(yīng)用及其廣泛的機(jī)械毛坯、半成品，它在現(xiàn)代工業(yè)中占據(jù)著非常重要的地位，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。高溫油泵是機(jī)械熱工生產(chǎn)中的專用泵，它常用于機(jī)械熱工中的焦化工藝、熔化工藝、減壓蒸餾工藝等中，主要承擔(dān)著傳輸?shù)墓δ堋Ｉa(chǎn)工藝均需要高溫高壓的環(huán)境，因此對(duì)機(jī)械設(shè)備的密封性能要求極高。高溫油泵機(jī)械作為機(jī)械熱工的核心設(shè)備，設(shè)備密封性能一旦失效將直接引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全事件，威脅著生產(chǎn)的安全。研究高溫油泵機(jī)械密封失效的原因及對(duì)策對(duì)于提高機(jī)械生產(chǎn)的安全有著重要的意義。

1? 高溫油泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

高溫油泵機(jī)械的密封結(jié)構(gòu)有彈簧式機(jī)械密封和焊接金屬波紋管機(jī)械密封兩種，不同機(jī)械密封選擇的材料及處理工藝不同，對(duì)應(yīng)用工況的適應(yīng)性也存在差異性。機(jī)械密封的基本結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)件、防傳件、輔助密封系統(tǒng)、彈性元件、摩擦副等組成。傳動(dòng)件包括鍵、銷、螺釘、彈簧盒等元件。防傳件主要元件之防傳銷。輔助密封系統(tǒng)主要包括柔性石墨圈、聚四氟乙烯圈、V圈、O圈等元件。彈性元件包括波紋管、碟簧、彈簧等元件。摩擦副主要指動(dòng)環(huán)、靜環(huán)元件。以上這些元件的質(zhì)量及性能都會(huì)影響機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的密封性能。

當(dāng)元件結(jié)構(gòu)磨損嚴(yán)重時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致密封面密封失效。傳動(dòng)件主要負(fù)責(zé)將軸的轉(zhuǎn)矩傳遞給東環(huán)，傳動(dòng)件元件在主機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的磨損較大，一般建議選擇耐磨、耐蝕的材料。防傳件主要的作用是固緊、盛裝及定位東環(huán)與靜環(huán)的作用，需要有較好的彈性性能，來(lái)確保摩擦副使用處于正確的位置。輔助密封系統(tǒng)主要起密封東環(huán)、靜環(huán)的作用，同時(shí)還有輔助浮動(dòng)和緩沖的作用。當(dāng)動(dòng)靜環(huán)失效時(shí)，密封面的密封性必然松脫而失效，因此要求輔助密封的材料不僅要和介質(zhì)有較好的相容性、耐腐蝕性，還要具備耐寒、耐熱的性能，防治主機(jī)長(zhǎng)期在復(fù)雜工況下運(yùn)行而發(fā)生變形。彈性元件主要起預(yù)報(bào)緊、補(bǔ)償、緩沖的作用，依靠彈簧的彈性輔助主動(dòng)件的摩擦和東環(huán)的慣性，才能維持密封副緊密的貼合性。建議采用耐疲勞、耐腐蝕的材料。

1.1 彈簧式機(jī)械密封

彈簧式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的金屬元件選用耐熱合金，密封面的材料選擇耐高溫的四氟，密封底座還設(shè)計(jì)有低膨脹的合金材料作為密封環(huán)座的墊圈。法蘭側(cè)設(shè)計(jì)有急冷機(jī)構(gòu)，用于密封失效時(shí)利用急冷對(duì)高溫流體進(jìn)行冷卻。密封結(jié)構(gòu)中采用較多的彈簧結(jié)構(gòu)作為彈性元件。這種結(jié)構(gòu)可適應(yīng)的工況≦200℃。由于金屬?gòu)椈稍诟邷丨h(huán)境下易發(fā)生碳化問(wèn)題，因此長(zhǎng)期的高溫環(huán)境可能導(dǎo)致彈性結(jié)構(gòu)失去彈性，影響高溫密封結(jié)構(gòu)的綜合密封性能。

1.2 焊接金屬波紋管機(jī)械密封

焊接金屬波紋管機(jī)械密封的密封管采用金屬波紋管的設(shè)計(jì)，金屬材質(zhì)的介質(zhì)輸送管道耐高溫性能更加突出。金屬波紋管道的連接采用焊接工藝，密封結(jié)構(gòu)上又增加了金屬材質(zhì)彈性補(bǔ)償元件。彈性補(bǔ)償元件結(jié)構(gòu)為波片組合，與彈簧類似，但手里更加均勻，彈性指數(shù)更好且不易失彈。金屬管的焊接部位為主要的薄弱環(huán)節(jié)。金屬管作為密封結(jié)構(gòu)的組成部分，管道一旦失效，同樣會(huì)導(dǎo)致截肢滲漏。機(jī)械的密封面采用鋁合金或柔性石墨材料作為墊片，具有較好的耐高溫性能。

2? 高溫油泵機(jī)械密封失效的原因

2.1 密封材質(zhì)原因

高溫油泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)對(duì)元件的材料要求極高，要求能夠耐高溫、耐磨損、彈性指數(shù)好且穩(wěn)定，膨脹系統(tǒng)差較小。彈簧式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的彈簧材料在高溫高壓環(huán)境下易發(fā)生彈簧失效，焊接金屬波紋管機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的波紋管選歐陽(yáng)的普通耐高溫合金在超高溫環(huán)境下也會(huì)發(fā)生彈力失效的問(wèn)題。金屬墊片在高溫環(huán)境下，受力較大易發(fā)生磨損，導(dǎo)致墊片失效，而耐高溫的膠圈在高溫、受力不均環(huán)境下易發(fā)生松動(dòng)或變形，甚至是脫落，從而影響密封面的密封效果。

2.2 元件加工工藝原因

焊接金屬波紋管機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的密封性受管材熱處理工藝及焊接工藝的影響較為明顯。焊接管道的焊縫特處理工藝不佳，波紋管的組件在高溫、受力較大的情況下會(huì)發(fā)生扭斷，這也是導(dǎo)致負(fù)壓環(huán)境下柔弱部位發(fā)生介質(zhì)滲漏的原因之一。

2.3 系統(tǒng)故障問(wèn)題

高溫油泵機(jī)械系統(tǒng)的主機(jī)在運(yùn)行期間受壓力波動(dòng)、介質(zhì)供給波動(dòng)、沖洗工藝短暫失效、冷卻水結(jié)垢、軸承失效等故障的影響，會(huì)導(dǎo)致密封面長(zhǎng)期受較大的摩擦力，同時(shí)受高溫和抽空影響，導(dǎo)致晃動(dòng)密封圈發(fā)生松脫、翻邊等問(wèn)題的出現(xiàn)，從而影響高溫油泵機(jī)械的密封性能。

如圖1所示，密封沖洗系統(tǒng)存在問(wèn)題及密封腔溫度過(guò)高是造成機(jī)械密封頻繁失效的主要原因。原設(shè)計(jì)的機(jī)械密封外沖洗系統(tǒng)是自該泵出口引出的水經(jīng)過(guò)冷卻器后，流入密封腔對(duì)機(jī)封端面進(jìn)行沖洗。但經(jīng)計(jì)算，沖洗液壓差密封沖洗系統(tǒng)實(shí)際為外沖洗。

2.4 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

高溫油泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響著主機(jī)的運(yùn)行性能。當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)際工況適應(yīng)性較差時(shí)，主機(jī)運(yùn)行期間易發(fā)生周期性的停頓，或存在切換異常、工作負(fù)壓等問(wèn)題。長(zhǎng)期運(yùn)行異常加劇了密封結(jié)構(gòu)的失效。

3? 解決高溫油泵機(jī)械密封失效的對(duì)策

3.1 選擇耐性較好的材料

高溫油泵機(jī)械在不同的工藝中的工況環(huán)境不同，因而對(duì)密封結(jié)構(gòu)的性能要求不同。在設(shè)計(jì)高溫油泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)主機(jī)設(shè)備運(yùn)行的工況選擇材料。選擇材料考慮的屬性包括耐高溫性、耐腐蝕性、耐磨損性。在材料選擇上，處于長(zhǎng)期的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)考慮，務(wù)必選擇復(fù)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料。有特殊需求的主機(jī)密封機(jī)構(gòu)金屬合金可選擇C-276、合金718，切記以次充好。

3.2 優(yōu)化元件及材料處理工藝

要提高高溫油泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的密封效果，首先要對(duì)材料熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)高溫油泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)元件的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損性能。特別是在制造焊接金屬波紋管及補(bǔ)償元件時(shí)，需要經(jīng)過(guò)多次測(cè)試最終選擇對(duì)金屬材料耐高溫屬性提高較為明顯的熱處理工藝，確保密封結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期高溫工況環(huán)境下能夠保持較為穩(wěn)定的彈性性能。熱處理后加強(qiáng)對(duì)波紋金屬管質(zhì)量的檢查，剔除表面存在裂紋或質(zhì)量有明顯薄弱環(huán)節(jié)的金屬波紋管。

3.3 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)故障是造成高溫油泵機(jī)械密封失效的外部原因，因此需要通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的流暢性。對(duì)系統(tǒng)的軸承、沖洗結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將串聯(lián)的設(shè)計(jì)更改為面對(duì)面式的設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)中直接接入外來(lái)沖洗接口，同時(shí)設(shè)計(jì)高溫油泵機(jī)械密封輔助系統(tǒng)。相當(dāng)于為主機(jī)增加了一套循環(huán)沖洗系統(tǒng)，在發(fā)生緊急泄漏時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)泄漏的介質(zhì)屬性選擇沖洗液，摒棄單一的水來(lái)沖洗的方案，防止了沖洗過(guò)程中汽化、結(jié)晶問(wèn)題的產(chǎn)生，促進(jìn)系統(tǒng)排渣、節(jié)流、抗溫、抗壓、潤(rùn)滑，有助于改善機(jī)械密封的工作環(huán)境。這對(duì)于降低介質(zhì)汽化引發(fā)的爆炸事件有著重要的意義。

3.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)高溫油泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能的選擇雙端面的密封結(jié)構(gòu)。單端面的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)只有一對(duì)摩擦副，耐摩擦性能較差，易發(fā)生變形或松動(dòng)，因而易發(fā)生泄漏問(wèn)題。雙端面的密封設(shè)計(jì)采用兩套密封結(jié)構(gòu)，分別是一套主密封結(jié)構(gòu)，一套外端的輔助密封結(jié)構(gòu)，具有雙重保護(hù)作用，增加了密封結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)增加了摩擦副，耐磨損性能增強(qiáng)，在負(fù)壓或高壓波動(dòng)環(huán)境下發(fā)生有更強(qiáng)的抗變形和抗松動(dòng)性能。即便是在內(nèi)端密封結(jié)構(gòu)失效后，外端的密封結(jié)構(gòu)仍舊可以起到保護(hù)作用，防治油類介質(zhì)、有毒介質(zhì)等泄漏，確保主機(jī)運(yùn)行的安全。

4? 結(jié)語(yǔ)

高溫油泵機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在機(jī)械熱工生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中的運(yùn)行工況更加復(fù)雜。高溫油泵機(jī)械運(yùn)行要受高溫、高壓及其他特殊環(huán)境的影響，增加了高溫油泵機(jī)械運(yùn)行的危險(xiǎn)系數(shù)。高溫油泵機(jī)械內(nèi)部的油類介質(zhì)一旦突破機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)滲出或發(fā)生泄漏，在高溫高壓環(huán)境下極易引燃或引爆，將釀成不可挽回的后果。根據(jù)高溫油泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的分析，增強(qiáng)密封結(jié)構(gòu)的安全性和密封性能，可以從選用耐磨損的材質(zhì)、優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)及機(jī)械系統(tǒng)，優(yōu)化金屬管道的熱處理工藝等多個(gè)方面入手，增強(qiáng)密封結(jié)構(gòu)連接縫及密封面的可靠性，加強(qiáng)高溫油泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，盡可能的延長(zhǎng)高溫油泵機(jī)械元件及機(jī)械本身的使用壽命，加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)及檢修，從而有效的確保高溫油泵機(jī)械在長(zhǎng)期的高溫高壓環(huán)境運(yùn)行下的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊博峰，李鯤，吳兆山，姚黎明，張杰，李鳳成.石化高溫油泵機(jī)械密封失效分析與改進(jìn)[J].液壓氣動(dòng)與密封，2012，32（06）：63-65.

[2]潘強(qiáng)，徐衛(wèi)忠，韓維濤，雷濤.液力透平機(jī)械密封泄漏的原因分析及改進(jìn)[J].潤(rùn)滑與密封，2015，34（04）：125-128，85.

[3]李平，崔燾.熱油泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)措施[J].廣州化工，2010，38（08）：234-235.

[4]張國(guó)祥.重質(zhì)熱油泵機(jī)械密封失效問(wèn)題分析及措施[J].石化技術(shù)，2016，23（07）：100-101.

[5]胡敬彬.高溫油泵機(jī)械密封的改造[J].機(jī)械，2014，41（06）：77-80.

[6]高溫重油泵雙端面機(jī)械密封的研究與應(yīng)用[J].張巍.石油和化工設(shè)備，2013，12（03）：58-60.

[7]劉佳聲.撈油泵下放遇阻原因分析及處理方法[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2016，15（23）：11-12.