機械密封失效及改進措施

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  催化裝置302泵為解吸塔塔底泵，輸送介質為脫乙烷汽油，泵軸采用104-45型機械密封。該泵自安裝以來，機械密封使用狀況一直比較正常，維修間隔一般在2個月左右。但是在1997年大檢修后，維修次數(shù)較為頻繁，使用周期在3～8天，給安全生產(chǎn)帶來了較大的困難，這一問題亟待解決。1　機械密封損壞情況
8 d; P$ H5 W* y/ [7 B' q8 H! U% v　　機械密封是1種靠彈性元件對動環(huán)和靜環(huán)摩擦副的預緊和介質壓力與彈性元件壓力的壓緊來達到密封的軸向旋轉密封裝置。其密封性好，在石油化工等行業(yè)得到廣泛應用。該催化解吸塔底泵是沈陽水泵廠生產(chǎn)的，流量7m3/h，轉速2950r/min，吸入壓力0.9MPa，排出壓力為1.5MPa。機械密封結構為內裝單端面彈簧非平衡型，傳動套傳動。冷卻方式為石墨靜環(huán)外水冷，常溫冷卻，冷卻水流量為0.3t/h。
　　將損壞的機械密封解體后發(fā)現(xiàn)，石墨靜環(huán)上的摩擦副接觸凸臺被磨平，端面粗糙，并有開裂現(xiàn)象。硬質合金動環(huán)表面變成墨色，并且出現(xiàn)徑向裂紋。輔助密封圈老化失效，摩擦副處密封軸套有燒傷痕跡。
2　失效形式及原因
　　由于機械密封結構復雜，制造安裝精度要求高，如果設計或使用不當，也會出現(xiàn)磨損嚴重，使用壽命短等多種問題。密封失效的形式有4種，即腐蝕失效、熱裂失效、磨損失效以及因安裝或運轉等因素引起的失效。一般來說，機械密封的失效原因大體有6個方面，見表1。
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故障 , _, s* y" P# J# E: X' Z6 i原因	設計 # {- G0 v* K- [- k/ T  k+ U缺陷	裝配 誤差	輔助 2 F- _! k9 q0 O* x8 q, C. {系統(tǒng)	機泵 振動	工藝 操作	其它
比例／%	43	20	8	21	2	6

表1　機械密封失效原因統(tǒng)計

  根據(jù)該泵密封失效后的損壞情況，初步判斷其機械密封失效有以下原因：①除密封失效及壽命短外，其余一切情況正常，因此，可以排除裝配誤差、輔助系統(tǒng)、機泵振動及工藝操作等因素的影響，大致可以認為是設計缺陷引起的密封失效。②從密封面的失效現(xiàn)象看，動環(huán)表面出現(xiàn)徑向裂紋，輔助密封圈老化，屬于典型熱損失效。石墨靜環(huán)磨平并有開裂現(xiàn)象是磨損和熱損雙重作用所致。③1997年大檢修后因生產(chǎn)的需要，工藝上做了部分調整，增加了輕質油產(chǎn)率，致使該泵輸送的汽油中輕質組分增加，并含有少量的液化汽成分(C4、C5)，導致摩擦副工作的溫升過大，動環(huán)出現(xiàn)熱裂現(xiàn)象，同時靜環(huán)磨損加劇，使密封壽命大為降低。
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圖1　不同相態(tài)機械密封液體膜載荷與膜厚關系

　　另外，104-45型機械密封使用的psv值和工作Pbv值均超過了允許值。而端面比壓pb的大小對機械密封的穩(wěn)定運行有著極大的影響。端面比壓太小容易產(chǎn)生泄漏。端面比壓太大，會使摩擦面液膜減薄，液膜承載力降低，摩擦因數(shù)加大，使用壽命降低。
1 B% V. Z( V0 |. M/ r) G0 r' d　　綜上所述，脫乙烷汽油泵機械密封失效的原因是由于汽油中輕組分的增加，介質更易于汽化，液膜承載能力降低，端面比壓過大，液膜減薄，摩擦副在不穩(wěn)定的似汽相狀態(tài)下工作，摩擦熱增加，端面溫升過大，進而引起更多的輕質汽油組分汽化。如此循環(huán)，最終摩擦副在干摩擦狀態(tài)下工作，使石墨靜環(huán)磨損加劇。同時，過大的端面溫升使碳化鎢動環(huán)出現(xiàn)徑向熱裂紋，輔助密封圈老化，介質泄漏增加，密封壽命大為縮短，最終使機械密封迅速失效。
3　改進措施及應用效果
, b* w( I. G5 o　　為了適應輸送介質的變化，結合該泵的具體條件，采取了2種措施來降低密封的端面比壓。①將104-45非平衡機械密封改為110-45平衡型機械密封，使密封的平衡系數(shù)β由1.177降為0.77。②根據(jù)石油大學流體動密封研究室的實驗，在密封面上開圓弧槽可顯著提高液膜的承載能力，增加密封穩(wěn)定性。限于加工條件，我們僅在110-45型機械密封的石墨靜環(huán)表面上加工了8個半圓形凹槽，增強了端面液膜的承載能力，降低了端面比壓，并使密封的潤滑性能得到了改善，降低了摩擦副的摩擦因數(shù)，減少了端面的摩擦熱及由溫度升高引起的端面汽化現(xiàn)象，避免了干摩擦的出現(xiàn)。
7 Z6 A) ?0 B& h( p, K　　經(jīng)過計算，改進以后的110-45型機械密封的使用，psv=8.71MPa.m／s，這小于允許值1.22MPa.m/s，工作pbv=2.071MPa*m／s，小于極限pbv值3.08MPa.m／s。
　　改進后的110-45型機械密封經(jīng)長時間運行，密封效果良好，使用周期達到半年以上，保證了設備長期、安全和平穩(wěn)運行，取得了較好的經(jīng)濟效益。
3 W7 f9 Y# V8 N+ J4 v9 w3 R4　結語
　　工藝條件和介質成分的變化對機械密封的使用效果有著極大影響，在某些情況下，可能使密封迅速失效。在機械密封摩擦副表面開流動力楔，可顯著提高機械密封流體膜的承載能力，降低端面比壓。
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雷鋒（上海）2008

能否講機械密封的開槽位置說明白點？最好附帶照片，我們柴油回煉機泵也遇到同樣的問題，大約2～3個月就更換一次，成本較高！多謝