陳勇
(成都仕倫密封有限責(zé)任公司,四川成都 610500)
低溫機械密封,泛指輸送液氧、液氮、液氬、LNG和溫度低于-80℃液態(tài)碳氫化合物的離心泵中使用的接觸型機械密封,其使用工作溫度最低為-196℃。迄今為止,這類機械密封國內(nèi)尚無國家標(biāo)準(zhǔn),也無國際標(biāo)準(zhǔn)可借鑒。但社會生產(chǎn)實踐中,此類產(chǎn)品已廣泛用于航天、空分、能源、冶金、制藥、電子、玻璃等產(chǎn)業(yè)輸送液態(tài)氣體的離心泵中。
低溫機械密封有關(guān)研發(fā)和實踐經(jīng)驗的論述,在國內(nèi)期刊和網(wǎng)絡(luò)上的交流鳳毛麟角,殊難一見。
接觸型低溫機械密封的工作壽命有多長?工作壽命的決定因素是什么?如何正確使用可以讓低溫機械密封壽終正寢?這是下文要研究的內(nèi)容。
圖1、圖2為網(wǎng)絡(luò)上搜索所獲國外著名機械密封制造商對工作于液態(tài)氣體介質(zhì)中的低溫接觸型機械密封工作壽命的數(shù)據(jù)收集。
圖1 美國PPC公司副總的文章,發(fā)表在美國“泵和系統(tǒng)”期刊文載
圖2 美國約翰克蘭公司工程師對25輛槽車機械密封的平均壽命(星期)的統(tǒng)計:液氬6周,液氮14周,液氧25周
圖1未涉及低溫泵工作的工況參數(shù)和密封面材料?;\統(tǒng)地公布收集的最短和最長的低溫機械密封壽命數(shù)據(jù):低溫機械密封工作壽命低于2 000 h。
圖2 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中,未公布開停車總次數(shù)和密封面材料,留下許多想象空間。
所以,我們認為圖1、圖2 因收集的數(shù)據(jù)數(shù)量不夠多,公開的信息有明顯欠缺,不具統(tǒng)計學(xué)的數(shù)據(jù)指導(dǎo)意義,但可以管中窺豹視為參考。
它告訴我們:工作于不同的液態(tài)氣體介質(zhì)中低溫機械密封的工作壽命有很大的差異。這是我們無法改變的。
所有液態(tài)氣體的動力粘度極低,所以嚴(yán)格意義下均無潤滑能力,使用于其中的低溫機械密封比干摩擦狀態(tài)下的密封面間的磨損嚴(yán)重多倍(德國E.邁爾“機械密封”一書中,已有專門試驗論述)。
我們發(fā)現(xiàn)之前德國、美國某些著名密封公司對此類機械密封工作壽命描述為≥2000 h,現(xiàn)在均已取消。
界于條件,我們自己無法試驗(國外所有生產(chǎn)廠亦然),只有依靠“現(xiàn)場運行試驗”。
我們參與并收集的杭氧某公司的壽命試驗數(shù)據(jù)為:液氮、工作壓力0.5 MPa,軸徑35 mm,轉(zhuǎn)速3 000 r/min,只從泵預(yù)冷結(jié)束開車計,運行時長0.5 h,停車。累計時長500~550 h,即開車約1 000~1100 次。密封面配對為進口人工合成高分子塑料(軟環(huán))對淬硬不銹鋼(硬環(huán))。
多年實踐總結(jié),低溫機械密封取得滿意工作壽命的關(guān)鍵條件是下面的內(nèi)容:
(1)低溫離心泵的精度(泵軸精度、軸承精度等)。
(2)低溫機械密封的品質(zhì)(波紋管材料,動、靜環(huán)密封面材料選擇,低溫處理,自然時效和密封面的平直度)。
總結(jié):僅就低溫接觸型機械密封而言,密封面選用進口人工合成超高分子材料(紅環(huán))和某種硬度不銹鋼是工作于液化氣體介質(zhì)中最好的密封面配對,其配對低溫機械密封壽命高于碳石墨和改性四氟(綠色、灰色等)配對不銹鋼或硬質(zhì)合金。
(3)安裝時適合的壓縮量
所有提供給客戶的低溫機械密封,都有書面文件提供安裝壓縮量范圍,以常見的低溫運輸槽車離心泵中的機械密封為例(法國Cryostar 公司的低溫機械密封型號:MFLC12/27.5),提供的安裝壓縮值1.2~1.5 mm,對工作壓力0~0.6 MPa 的槽車而言,適合的安裝壓縮量是1.3~1.4 mm。
如果安裝時取下限1.2 mm 以下,機封的閉合力減小,承壓力降低,機封易發(fā)生泄漏。
如果安裝時壓縮值取上限1.5 mm 以上,工作時密封面(動、靜環(huán)端面間)可能會形成干摩擦,動環(huán)(硬環(huán))端面迅速磨成凹槽,靜環(huán)(軟環(huán))迅速磨損。密封面的平直度、光滑度一旦破壞,干摩擦現(xiàn)象將不可逆,機械密封的工作壽命極短。
安裝時選取適合的安裝壓縮值,是為了保證工作時機械密封的密封面間始終保持在臨界摩擦狀態(tài)(有不連續(xù)的液膜存在),低溫機械密封有較長的工作壽命。
(4)開車前,低溫離心泵及管線、閥門等環(huán)境必須充分預(yù)冷
低溫離心泵開車前預(yù)冷的操作,要求嚴(yán)謹(jǐn)有序,有條件的企業(yè),已將這項工序改由計算機程序控制,效果很好。
不少企業(yè)還是現(xiàn)場人工操作,人工操作可靠的少,不可靠的多。預(yù)冷不充分,這是很多低溫機械密封工作壽命降低的主要原因。
預(yù)冷不充分除了造成泵軸急冷彎曲,泵精度破壞外,機械密封不能正常工作,同時因低溫離心泵開車無輸出,只能停車,再預(yù)冷,再開啟。這無謂地增高了開車成本。
工作于氣液兩相的液態(tài)氣體中的低溫離心泵,現(xiàn)場工作人員在保證泵的精度和脫脂的前提下,選擇安裝機械密封合適的壓縮量,開車前充分預(yù)冷,將泵體、管線、閥門等的環(huán)境溫度,降至輸送液態(tài)氣體介質(zhì)入泵的汽化壓力在機械密封承壓值內(nèi),當(dāng)泵運行時,葉輪輸送的是液體,不是氣體。這是低溫泵運行前必須充分預(yù)冷的物理原則。工作時將泵體內(nèi)產(chǎn)生的攪拌熱和摩擦熱讓輸送流體帶出泵外,是低溫機械密封良好工作壽命的關(guān)鍵。
綜上所述,低溫接觸型機械密封的工作壽命,目前沒有量化的指標(biāo),但如何提供出符合生產(chǎn)實踐中優(yōu)秀的力學(xué)參數(shù)的機械密封,用嚴(yán)格規(guī)范的生產(chǎn)工藝,保證產(chǎn)品的質(zhì)量,是制造廠家努力的方向。
與此同時,認真地參考生產(chǎn)廠家提供的操作和安裝文件,給低溫機械密封提供正常的工作條件,這是現(xiàn)場操作人員要努力做好的工作。