沈宗沼 蔡粵華 李 香 楊博峰 姚黎明 李文建 丁思云

(合肥通用機械研究院有限公司 安徽合肥 230031)

近些年，隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各行業(yè)裝備都朝著高參數(shù)方向發(fā)展。為了提升生產(chǎn)效率，工藝介質(zhì)溫度更是不斷提高，致使輸送設備的工作條件也越來越復雜。機械密封作為一種用來解決輸送設備旋轉(zhuǎn)軸與機體之間密封的裝置，屬關(guān)鍵基礎部件[1-2]，往往對設備的安全運行起決定性作用，其密封性能和使用壽命必然會要求更嚴格[3]。高溫泵作為石油煉化生產(chǎn)工藝過程的關(guān)鍵設備，輸送油介質(zhì)最高溫度可達400 ℃，其機械密封普遍存在密封環(huán)高溫變形、彈性元件失彈或卡滯等問題[4-7]。機械密封一旦失效引發(fā)介質(zhì)泄漏，將發(fā)生火災導致財產(chǎn)損失，嚴重時危及人員生命安全。因此，高溫泵用機械密封除在產(chǎn)品設計等方面進行理論研究外，必須通過嚴格有效的試驗來充分檢驗其性能是否滿足要求。目前，為了保證高溫介質(zhì)機械密封運行的可靠性，API682標準《離心泵和轉(zhuǎn)子泵用軸封系統(tǒng)》[8]和易派客機械密封產(chǎn)品質(zhì)量評價規(guī)范都對試驗做出了相關(guān)規(guī)定，將隨著產(chǎn)品質(zhì)量要求提升在國內(nèi)廣泛被采用。因此，研制符合試驗要求的高溫介質(zhì)機械密封性能測試系統(tǒng)提供檢驗手段，以適應整個行業(yè)的技術(shù)發(fā)展勢在必行。

本文作者依據(jù)行業(yè)標準及用戶質(zhì)量評價規(guī)范對高溫介質(zhì)機械密封產(chǎn)品的測試要求，研究開發(fā)了高溫介質(zhì)機械密封產(chǎn)品性能測試系統(tǒng)。采用理論計算方法，結(jié)合試驗研究手段，驗證了性能測試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子-支承單元、軸承散熱單元、溫度控制單元等關(guān)鍵單元的設計，得出了試驗運行參數(shù)隨時間變化的規(guī)律，獲得了介質(zhì)溫度等被控參數(shù)的變化規(guī)律和控制精度。

1 裝置設計

為滿足產(chǎn)品相關(guān)標準[8-9]和質(zhì)量評價規(guī)范的試驗要求，高溫介質(zhì)機械密封測試系統(tǒng)設計技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 設計技術(shù)參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)設計

綜合考慮運行過程中減振降噪和結(jié)構(gòu)緊湊等要求，整個測試裝置結(jié)構(gòu)布局方案為電機直聯(lián)驅(qū)動，電機、扭矩傳感器與軸承座之間通過柔性聯(lián)軸器來傳遞動力。為了適應各種結(jié)構(gòu)型式的高溫介質(zhì)機械密封，便于安裝，密封試驗部位采用主軸懸臂式、密封腔獨立雙支撐并可軸向調(diào)整定位距離的結(jié)構(gòu)設計；為了增加運行穩(wěn)定性和安全性，提高裝置使用壽命，在密封腔和軸承之間安裝隨主軸一起旋轉(zhuǎn)的散熱裝置，以抑制試驗介質(zhì)高溫傳遞，降低軸承熱傳導量;同時結(jié)合噴油潤滑冷卻方式[10-11]，來保證軸承正常的工作溫度。測試裝置結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 高溫介質(zhì)機械密封測試裝置結(jié)構(gòu)

1.2 臨界轉(zhuǎn)速校核

由于測試裝置中試驗密封懸臂安裝，且測試軸徑范圍寬，當進行較大軸徑密封高速試驗時，裝置轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性較差，臨界轉(zhuǎn)速低，運行過程中易產(chǎn)生共振[12-13]。因此，合理設計裝置轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)，并進行臨界轉(zhuǎn)速校核是保證安全可靠運行的必要前提。測試裝置主軸除滿足強度設計外，采用內(nèi)徑為70 mm的滾動軸承進行支承來確保足夠的支承剛度，并依據(jù)相關(guān)設計要素，通過計算分析安裝極限軸徑(φ120 mm)試驗密封時轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的模態(tài)，計算得出轉(zhuǎn)子的坎貝爾圖，如圖2所示。

圖2 測試裝置轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的坎貝爾圖

從圖2可以看出，一階臨界轉(zhuǎn)速為7 894.4 r/min，超出裝置最高設計轉(zhuǎn)速，表明在極限試驗條件下，裝置能保持穩(wěn)定運行，測試裝置轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計符合試驗運行要求。

1.3 軸承溫度分布

軸承的工作狀態(tài)直接決定測試裝置的運行穩(wěn)定性，試驗過程中介質(zhì)溫度非常高，若不采取有效措施，熱量會通過主軸傳導至軸承，影響其正常運行，嚴重時會因溫度過高而損壞，從而導致密封失效，產(chǎn)生高溫介質(zhì)泄漏，危及試驗安全。因此，測試裝置在設計過程中分析軸承正常運行的溫度分布，預測軸承工作溫度，對驗證設計的有效性和準確性極其重要。

測試裝置配備自散熱裝置，結(jié)合噴油潤滑方式對軸承進行散熱和潤滑，依據(jù)設計結(jié)構(gòu)和參數(shù)，建立主軸和軸承的傳熱計算模型[14-16]；通過理論計算分析，得出測試裝置正常運行情況下的高溫側(cè)主軸和軸承整體溫度分布如圖3所示，軸承部位溫度分布如圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，軸承部位整體溫度較低，最高運行溫度為42.9 ℃，表明測試裝置在進行溫度為400 ℃的高溫油介質(zhì)試驗時，通過自散熱裝置和軸承強制潤滑和冷卻，能有效地阻止熱量傳導，控制軸承的運行溫度。

圖3 高溫側(cè)主軸和軸承整體溫度分布

圖4 高溫側(cè)軸承溫度分布

2 系統(tǒng)設計

2.1 介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)設計

測試裝置需配備合適的系統(tǒng)來實現(xiàn)試驗介質(zhì)的加溫、冷卻和循環(huán)，以達到相關(guān)試驗要求，其系統(tǒng)流程如圖5所示。系統(tǒng)采用電加熱器在介質(zhì)內(nèi)浸沒加熱，并配有冷卻裝置對介質(zhì)快速降溫，以實現(xiàn)介質(zhì)溫度的快速變化；試驗介質(zhì)通過高溫泵強制循環(huán)，使整個系統(tǒng)運行溫度均勻，并通過調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)流量和平衡壓差；試驗過程中產(chǎn)生的油氣通過氣液分離罐分離至高位補油罐排出，保證了試驗壓力的穩(wěn)定和運行安全。

圖5 介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)方案流程

2.2 溫度控制系統(tǒng)設計

為滿足高溫介質(zhì)機械密封相關(guān)試驗要求，保證密封運行參數(shù)穩(wěn)定和測試安全，必須對溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等試驗參數(shù)進行實時監(jiān)測和控制。采用傳感器來測量和遠程顯示各試驗參數(shù)，并通過信號反饋，實時調(diào)整各執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)對試驗參數(shù)的控制。對于高溫試驗過程，溫度精確控制是整個控制的重點和難點。系統(tǒng)采用密封腔溫度信號作為控制信號進行反饋，通過動態(tài)調(diào)節(jié)加熱裝置的功率大小來控制密封腔溫度保持在允許范圍內(nèi)，其控制調(diào)節(jié)方案圖如圖6所示。

圖6 溫度控制調(diào)節(jié)原理

2.3 保溫設計

高溫試驗過程中，為阻止熱量損耗，同時避免高溫壁面燙傷試驗人員，采用耐火、耐高溫硅酸鈣保溫材料包裹管路進行保溫處理，以隔絕熱量。通過分析計算，進行介質(zhì)400 ℃高溫試驗時，保溫層厚度對應外壁溫度變化規(guī)律如圖7所示。

從圖7中可以看出，管路外壁溫度隨著保溫層厚度的增加而降低，且分3個階段：保溫層厚度15 mm以內(nèi)為快速下降階段，15～30 mm為緩慢下降階段，30 mm以后為趨于平穩(wěn)階段。保溫層厚度為30 mm時，管路外壁溫度為34.2 ℃，再增加保溫層厚度對外壁溫度的影響較小，故選取保溫層厚度為30 mm。

圖7 外壁溫度隨保溫層厚度變化規(guī)律

3 運行測試

背對背安裝2套DBM-50型金屬波紋管機械密封產(chǎn)品對性能測試裝置進行運行調(diào)試。試驗介質(zhì)選用320導熱油，調(diào)試設定加熱溫度為260 ℃，裝置運行轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，試驗壓力為1.6 MPa，穩(wěn)定運行5 h。試驗得到的加熱功率隨時間變化、介質(zhì)溫度隨時間變化和介質(zhì)側(cè)軸承溫度隨時間變化曲線分別如圖8—10所示。

圖8 試驗系統(tǒng)加熱功率隨時間變化規(guī)律

從圖8和圖9可以看出，試驗裝置運行初期，加熱功率快速到滿負荷功率，介質(zhì)溫度隨之上升;溫度上升到約130 ℃，加熱功率慢慢減小;當溫度上升到約260 ℃時，加熱功率始終保持在小功率范圍內(nèi),以調(diào)節(jié)介質(zhì)溫度維持在設定溫度偏差范圍內(nèi);溫度最大偏差為1.2 ℃，滿足設計要求精度。從圖10可以看出，介質(zhì)側(cè)軸承溫度隨運行時間而緩慢上升，150 min后基本穩(wěn)定，溫升為29.1 ℃，最高運行溫度為45.9 ℃，滿足軸承運行要求。

圖9 試驗系統(tǒng)介質(zhì)溫度隨時間變化規(guī)律

圖10 試驗系統(tǒng)介質(zhì)側(cè)軸承溫度隨時間變化規(guī)律

4 結(jié)論

研制出高溫介質(zhì)機械密封性能測試系統(tǒng)，通過理論計算和運行測試相結(jié)合的手段，對性能測試系統(tǒng)的設計進行了分析和驗證。結(jié)果表明：

(1)該裝置安裝極限軸徑為120 mm的機械密封條件下，測試裝置轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速大于設計轉(zhuǎn)速,設計合理，滿足測試范圍要求。

(2)測試裝置通過高溫側(cè)自散熱和軸承噴油潤滑相結(jié)合的方式，能有效地阻止高溫側(cè)軸承溫度升高，保證軸承的正常穩(wěn)定運行；測試裝置高溫側(cè)軸承實際測試運行溫升為29.1 ℃，與理論計算預測溫升相差不大。

(3)測試裝置調(diào)試運行過程穩(wěn)定，安全可靠；系統(tǒng)介質(zhì)運行溫度均勻，溫度控制精確，最大偏差為1.2 ℃，滿足溫度設計精度要求，充分保證了試驗數(shù)據(jù)記錄和分析的準確性。

(4)高溫介質(zhì)機械密封性能測試系統(tǒng)不僅能完全滿足API682等標準和易派客產(chǎn)品質(zhì)量評價規(guī)范關(guān)于高溫介質(zhì)機械密封產(chǎn)品的性能試驗要求，而且能為高溫介質(zhì)機械密封可靠性相關(guān)研究提供測試手段支持，應用前景廣闊。