前 言
抽空失效是煉油廠熱油泵機械密封經常出現的故障，尤其在裝置開工初期，由于操作不穩，抽空現象更是經常出現。抽空往往造成密封泄漏，對裝置的安全生產構成較大威助。但是，目前對機械密封抽空失效故障機理的認識還不夠全面。
有些資料是這樣解釋機械密封抽空失效的：“在離心泵突然抽空時，泵腔內瞬時呈負壓狀態。這時，泵外為大氣壓，泵腔內壓力低于大氣壓，在泵內外壓差作用下，若作用在密封上的彈簧力小予此壓差，則動靜環就會一起向泵腔內作軸向位移，此時靜環防轉槽就脫離防轉銷，并在動環帶動下旋轉某一角度。當抽空停止時，防轉銷對槽就不能恢復到原來的配合位置，于是防轉銷頂住靜環，使靜環傾斜而破壞密封”[1]。根據這種靜態平衡觀點，人們采取多種方法試圖解決這一同題。例如加長靜環尾部長度，同時加長防轉銷;采用副壓蓋結構使靜環無法脫出;在壓蓋上加裝彈簧擋圈，阻止靜環發生較大的軸向位移等等。但是事實證明采取這些措施的效果并不理想。
實踐告訴我們，抽空破壞引起的某些現象，不能用靜態平衡觀點解釋。所以，有必要對抽空破壞的故障機理進行更深入的探討。筆者在對現場密封故障進行反復觀察的基礎上，了解了某些故障的起因，依據目前對機械密封理論研究的成果，對煉油廠熱油泵機械密封抽空破壞進行了故障分析。初步得出結論，認為機械密封抽空破壞與密封端面間的相態變化密切相關，不能只用靜態平衡的觀點來解釋其抽空失效現象。
2 抽空產生趵幾種現象
引起離心泵抽空主要有兩種情況：汽蝕造成的抽空和氣體侵入造成的抽空。
在前一種情況下，只要輸送介質的工作壓力在操作溫度下低于飽和蒸氣壓，就會產生汽化而沸騰，就易造成泵的抽空，但并不一定均為真空。此類情況下機械密封抽空失效仍有可能發生，典型例子是輕烴泵密封的抽空破壞。
在后一種情況下，氣體侵入主要有以下幾種途徑：一種是系統內部的氣體進入離心泵，如管線內聚集的裂解氣體等;另一種是系繞外部的空氣進入離心泵，主要是減壓系統，空氣通過泵及管線的法蘭或壓蓋進人泵內。在這種情況下，泵內有可能形成負壓。但實際上，即使形成負壓，泵的內外壓差也絕不會超過lKg/cm2。[1]考慮到抽空時，大氣壓力可能作用在動靜環的整個投影面積上，但是根據仔細的計算結果得知。靠內外壓差克服彈簧力來推開密封面幾乎是不可能的。
以我廠減壓塔底泵為例，該泵吸入口壓力最低為0.3 kg/cm2(絕對壓)，使用FVIJ-55機械密封，彈簧力P彈為16.48 kg(彈簧壓縮量16mm)，動靜環最大外徑77mm，內徑55mm，內外壓差使動靜環移動的最大推力為：
顯然△P＜P彈。可見，即使不考慮軸向摩擦阻力，內外壓差克服彈簧力而推開密封面的可能性很小(參閱圖1)。但在實際運行中，該泵的機械密封曾多次發生抽空破壞。
圖1 內外壓差造成的推動
在現場對泵的抽空現象進行仔細觀察，發現抽空破壞時動靜環同時脫出的現象確實存在，但往往經常有動環卡在軸套上不能復位(因軸套上結有水垢)，而靜環并來脫出，抽空后靜環被擊碎的現象，此現象很難用靜態平衡觀點解釋清楚。抽空破壞時，動環鑲嵌的硬質合金環脫落，石墨靜環端面出現“唱片”狀條紋等現象也曾發生，表明抽空時端面間潤滑狀況出現異常，這也難用靜態平衡觀點解釋。
3密封抽空的失效機理
煉油廠熱油泵的機械密封上一般都配有急冷水。當泵發生抽空時，泵內壓力低，大氣壓，急冷水迅速進入密封端面。此時，密封端面間的流體膜變為極易氣化的水膜。這樣，熱油泵機械密封的抽空失效問題，其實就是密封面間流體膜的相變問題。見圖2。
圖2 冷卻水進入密封端面
1 壓蓋 2 靜環 3 動環 4 軸套 5 冷卻水夾層
機械密封端面的流體膜具有不同的相態。流體膜的相態變化，往往是造成機械密封工作不穩定的一個很重要原因。文獻[2]認為汽液混相密封工作相態不穩定，主要是由于混相密封的膜壓系數或端面流體膜壓隨工況變化會產生急劇變化。
對于抽空這一特殊工況，膜壓變化不僅受端面溫度變化的影響，更重要的是受泵內外壓差的影響。當介質壓力高于大氣壓時，密封面之間為穩定的單相液膜;當介質壓力一旦低于于大氣壓，急冷水就會進入密封端面，在接近介質的外徑側發生汽化，變為汽液混相密封。顯然，泵內壓力越低，汽相成分就越多，密封工作狀態也就越不穩定，這與現場觀察到的現象極為一致。
筆者通過對熱油泵機械密封抽空破壞故障現象的觀察發現，機械密封因液膜汽化，有可能出現以下幾種現象：密封面開啟而出現大量泄漏并伴隨間歇振蕩，密封面干摩擦運轉并產生嗚叫，出現敲擊聲，墻面熱裂而嚴重泄漏等等。
抽空時靜環不脫出這一現象，證明了密封面存在開啟的可能性;靜環脫出則可能是間歇振蕩時，動環敲擊靜環而造成的，敲擊嚴重時還可能使靜環碎裂;硬質合金環脫落和靜環出現“唱片”狀條紋，則是密封發生干摩擦運轉的有力證據。嚴重時會出現端面熱裂(一般在硬質合金環端面出現);而發聲現象由于現場噪聲較大，一般不易發現。
熱油泵輸送介質的溫度較高，抽空時急冷水在端面發生閃蒸的可能性較大(由于散熱效果不好，一般不應認為是等壓汽化)。而水在200～300℃時，其飽和蒸汽壓可15.857～87.61kg/cm2。因此，密封面可能被吹開并保持開啟狀態。但是，如果對抽空時端面液面汽化過程進行詳細分析，則會看出發生間歇振蕩的可能性更大。水膜閃蒸推開端面后，大量急冷水進入端面使密封得到冷卻，動環又會恢復原位，造成急冷水再次汽化并又一次推開端面。由于這種情況下受到的是非周期性外力。可以認為由密封彈性元件組成的系統，有發生自激振動的趨勢，考慮到系統存在較小的阻力，可近似認為系統保持等幅振動，根據文獻[3]，系統的振動頻率為：
以FVIj-55型機械密封為例，頻率約為0.245t/5，這與筆者觀察到的一次抽空現象極為一致(泄漏間歇期為2～5秒)。如果阻尼較大，不能形成自激振動，端面間的汽化將以穩定狀態發生，由于氣相膜厚較小，端面波峰可能發生接觸造成干摩擦，若波度不夠大，無法形成完整的汽膜，也會造成端面干摩擦。當然，如果散熱條件較好，可能發生等壓汽化，端面作高頻小振幅強迫振動，出現發聲現象(由于這種情況，在熱油泵機械密封上較少發生，在此不做詳細討論)。
4 幾點看法和解法措施
為了克服機械密封的抽空失效，許多煉油廠都進行過各種不同的嘗試，主要措施包括：
①加長靜環尾部長度，同時加長防轉銷的長度。盡管可能避免防轉銷從槽中脫出，但靜環仍能發生位移，有可能出現偏斜現象，導致泄漏發生。
②采用副壓蓋結構，將靜環夾緊，靜環雖然不會脫出，但浮動性變得很差，加工精度或安裝精度稍低時，動環和靜環就不能良好貼合。
③在壓蓋上加裝彈簧擋圈，阻止靜環發生較大位移，這樣也會降低靜環的補償能力。
上述三種方式具有一個共同性的弱點，即沒有考慮動環的軸向位移。
文獻[4]也提出，抽空時，動環率先位移的看法，但該文認為，抽空“不會使端面發生分離”。筆者認為這種觀點是不正確的。因為密封面是否開啟，在現場一般是無法觀察到的。而且泄漏究竟是在端面上發生，還是在動環輔助密封上發生，也不易分辨。
有人在談到波紋管機械密封的抗抽空能力時認為，“………采用波紋管機械密封，利用波紋管受內壓或外壓均可對密封面產生軸向壓力的特性，使密封面始終保持接觸，就可以避免密封面的分離，也就防止了因壓力波動而破壞密封能力”。[5]并從這種觀點出發，導出了波紋管機械密封在抽空條件下的端面比壓：
P’g=P彈+(K?’-λ)(Pa-PH)
式中 K’——載荷系數
λ——膜壓系數
Pa——當地大氣壓
PH——泵內壓力
其實這仍然是“靜態平衡觀點”，沒有考慮到抽空時端面間的相態變化，也是較為粗糙的。因此，文獻[5]從上述觀點導出的結論，大部分是沒有實際意義的。
機械密封的抽空破壞從根本上講是由于泵抽空造成的。因此，最根本的解決方法.還應當是注意穩定操作，避免泵抽空現象發生。對于易抽空的離心泵，應注意管線設計有無容易使裂解氣體聚集的結構;對于減壓系統，還應提高系統靜密封的可靠性，避免外部氣體侵入。
對于熱油泵，可以嘗試用蒸汽代替急冷水。這樣做，在油泵抽空時，密封端面也能形成較為穩定的汽相密封，可使抽空造成的密封相態驟變得到緩解。采用蒸汽卻還有一個優點，即防止軸套結垢，提高密封追隨性。
考慮到抽空時，密封的彈性元件有發生自激振動的趨勢，減小彈簧常數K，或增加補償環質量m，對于減弱自激振動，也可能是有效的。
采用波紋管機械密封電有一定的優點，這就是其追隨性較好，補償環不會卡死。但波紋管機械密封會帶來另外的問題：
①抽空時，密封由外壓變為內壓，載重系數隨之變化。
②沒有軸向摩擦，使系統阻尼下降，增加了自激振動的趨勢。
③間歇振蕩造成的交變應力和高溫下的疲勞問題也不容忽視。
以上分析，僅僅是根據我廠為數不多的密封失效統計資料作出的，可能帶有較多的局限性。因此，對于不同的使用場合，機械密封抽空還存在其它一些原因。由于筆者的水平和經驗所限，不能全面述及。
5 結 語
(1)熱油泵抽空引起密封故障，一般不是內外靜壓差所致，而主要是由于相態變化導致密封振蕩的結果。
(2)解決機械密封抽空問題的關鍵，是通過穩定操作等措施，減少離心泵本身抽空現象的出現。
(3)可以考慮采用蒸汽代替急冷水，使密封相態驟變得到緩解。
(4)減小彈簧常數K，增加補償環的質量，能夠減弱機械密封抽空時發生自激振動的趨勢。
參考文獻
1 煉油廠設備檢修手冊 *第Ⅱ篇*機泵，石油工業出版社，1978，P194～232
2 顧永泉，機械密封的相態穩定性，石油化工設備，1987，(3)
3 井町勇，機械振動學，科學出版社，1979，P30～69
4 王毓錫、黃尊光，防抽空機械密封，石油化工設備技術，1987，(5)
5 郭會，波紋管機械密封抗抽空(正負壓力)的能力，水泵技術，1987，(1)
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