在化工生產裝置中，實現泵類設備長周期穩定運行的關鍵在于其機械密封使用壽命的長短，因此對于泵類設備機械密封選型、安裝、消除振動、優化操作和維護，提高機械密封的穩定性、長期性十分必要。筆者結合離心泵機械密封的應用實例，探討泵類機械密封長周期使用的影響因素。
1 機械密封選型
1.1 選型基本原則
(1) 根據密封腔體壓力，確定密封結構采用平衡型或非平衡型，單端面或雙端面等。
(2) 根據工作速度，確定采用靜止式或旋轉式，流體動壓式或非接觸式。
(3) 根據溫度及流體性質，確定摩擦副和輔助密封材料，正確選擇潤滑、沖洗、保溫、冷卻等機械密封循環保護系統。
(4) 根據安裝密封的有效空間，確定采用多彈簧或單彈簧或波形彈簧，內裝式或外裝式，內流式或外流式。
1.2 機械密封摩擦副的要求
(1) 在防腐蝕方面具有良好的化學穩定性、物理機械性能、耐磨性、自潤滑性以及不滲透性等。
(2) 在熱力性能方面具有良好的導熱性、耐熱、耐寒性和耐溫度的急變性。
(3) 摩擦副一般選擇一軟一硬的配對形式。
1.3 機械密封動靜環密封圈要求
(1) 輔助密封圈應具有良好的彈性和低的摩擦系數，耐介質的腐蝕、溶解和溶脹，耐老化。
(2) 輔助密封材料主要使用各種橡膠、聚四氟乙烯、柔性石墨和金屬墊片等。
1.4 應用實例
兗礦魯南化肥廠氣體凈化工藝采用NHD溶液脫除硫化氫、硫氧碳和二氧化碳等酸性氣體，裝置泵類設備均采用機械密封。以下以富液泵為例，分析機械密封選型情況。
(1) 運行參數。富液泵的型號為HPK-S200-400，介質為NHD溶液，溫度-5℃，流量600m³/h，揚程52m，吸入壓力為常壓，排出壓力為0.5MPa，軸功率132kw，轉速為1480r/min。
(2) 失效分析。富液泵原選用的機械密封內裝式、單彈簧、平衡型機械密封。通過拆檢，發現機封動環經常卡死在軸套上，彈簧無法補償，從而液膜平衡被破壞，造成液體大量泄漏。
(3) 原因分析。富液泵介質為NHD溶液，外觀淡黃色透明液體。該有機溶劑對機械密封的輔助密封橡膠O型圈具有變形膨脹的破壞效應。
(4) 改進措施及效果。改用波紋管機械密封，該機封為單端面、平衡型，動靜環為碳石墨-碳化硅，解決了機封因輔助O型圈的泡脹導致的泄漏。輔助密封圈和軸套之間的密封是靜止的，依靠波紋管起到機械密封于運動主軸之間的恒定調節作用，從而補償動靜環端面的磨損，使密封端面良好貼和。自2005年6月2臺富液泵改用波紋管機械密封以來，密封效果非常好，使用壽命達到3年。
2 機械密封安裝
2.1 機械密封壓縮量的調整
2.1.1 彈簧的壓縮量
單彈簧機械密封的壓縮量為50%~70%，密封壓死后放開3~5mm。多彈簧(碟形簧)的壓縮量為90%左右，即機械密封壓死后放開1.5~2.5mm即可。同時還要考慮密封面的寬窄、彈簧的力度、工作時受力狀態等。
2.1.2 機械密封定位
機械密封定位圖如下圖1所示。
(1) 機械密封定位前，轉子安裝到正常運轉的位置。轉子軸向固定，軸向串量不大于0.30mm。對于用平衡盤確定軸向位置的轉子，應將平衡盤和平衡環座推靠(即平衡盤與平衡環座接觸)，壓縮量即為動環到密封箱的距離與靜環到靜環座的距離之差。轉子盤車均勻、輕快，泵內無零件接觸和摩擦。在此基礎上才能進行機械密封的定位工作。
(2) 將裝有靜環的壓蓋先裝到泵上，轉子定位后在軸上做一標記，見圖1(a)。標出壓蓋背面在軸或軸套上的位置，并量出包括靜環的壓蓋厚度L1。測量出包括彈簧的動環組件自由高度L2，見圖1(b)。從軸上的A點量一長度為(L1+L2-S)，在軸上得到B點，見圖1(c)。從B點固定傳動座，機械密封定位工作即完成。S是機械密封的壓縮量。
(3) 如果原來配備有機械密封，安裝工作從拆卸時就要做好準備，拆卸前先刻出A點的標記，同時校核原機械密封傳動座的安裝位置是否正確[1]。
2.2 機械密封沖洗方案
機械密封工作中產生的摩擦熱，會使密封端面溫度升高，密封端面間液膜汽化，還會導致輔助密封圈老化、變質。輔助沖洗的目的是消除雜質集積，避免氣囊形成，同時保持和改善密封端面處于良好的潤滑狀態，使機械密封各零件正常工作。嚴格來說，機械密封沒有沖洗設施是不能使用的。
2.3 應用實例
以下以冷凝液泵為例，分析機械密封安裝的情況。NHD氣體凈化變換系統變換氣降溫分離后的冷凝液需送往氣化工段再次利用，由于所配置冷凝液泵機械密封經常泄漏，運行時間僅為20~30天。
2.3.1 運行參數
冷凝液泵型號為WAN80-50-250，介質為變換冷凝液，溫度為129℃，流量為50m³/h，揚程80m，吸入壓力0.3MPa，排出壓力1.1MPa，軸功率22KW，轉速2950r/min。
2.3.2 失效原因
冷凝泵原機封為內裝式、單彈簧、非平衡型機械密封，輔助設施選用自沖洗。摩擦副選取硬對硬，均為硬質合金。運行僅30天便出現泄漏，拆檢發現動靜環磨損嚴重，密封面磨掉3mm以上，出現環向溝紋。機械密封失效原因分析如下。
(1) 冷凝泵摩擦副選用硬質合金對硬質合金，在非平衡機械密封中pv值為44MPa.m/s，pv值過低。由于采用非平衡機械密封，加上彈簧的靜壓力，造成pv值大于44MPa.m/s，這樣密封端面產生大量的摩擦熱。
(2) 由于介質溫度過高，采用本身自帶的壓差沖洗，沖洗液溫度也高，造成摩擦副產生的熱量無法冷卻散熱。輕者使液膜汽化，密封失效;重者使密封端面磨損嚴重，產生溝紋，甚至出現裂紋。
2.3.3 改進效果
(1)改進密封結構。采用機械密封密封端面為單端面、平衡型，動靜環為碳石墨—碳化硅，O型圈為氟橡膠，較好地解決了pv值過高問題。
(2)調整密封壓縮量，延長摩擦副運行時間。
(3)改進自沖洗結構。借鑒先進技術，采用自沖洗用冷卻器對輔助設施沖洗系統進行改造。冷卻器為盤管式，管內為被冷卻介質，管外為冷卻水，冷卻面積為1m²。在使用過程中控制被冷卻流體的流量，滿足沖洗要求即可。否則，如果高溫流體過多，冷卻管表面溫度過高，水垢很快形成，不得不更換管束。
2臺冷凝液泵自2006年6月改造以來，現場密封效果大為改觀，運行壽命均超過1年。
3 消除設備振動
3.1 安裝和檢修
(1) 泵用機械密封對機器精度的要求。安裝機械密封部位的軸(或軸套)的徑向跳動公差最大不超過0.04~0.06mm。轉子軸向竄動不超過0.3mm。
(2) 設備檢修。采用高標準軸承，提高軸承運轉壽命。嚴格執行檢修規程，控制好零件各部分的間隙，消除泵類不平衡軸向力使密封壓縮量過大或破壞密封液膜造成的泄漏。聯軸器對中采用百分表進行找正，軸向和徑向偏差在0.03mm之間。檢查聯軸器的膜片、柱銷、彈性塊、彈性圈等是否損壞，必要時更換。
3.2 應用實例
3.3 魯南化肥廠18萬t/a甲醇裝置，氣體凈化工藝脫碳系統于2004年進行擴產改造，新增1臺150AY 150X2型脫碳泵。在生產中，機械密封頻繁泄漏，并且機組振動，軸承超溫。
(1) 改造前。原脫碳泵高壓端角接觸軸承D46314，采用成對雙聯背對背安裝，頻繁出現問題。軸承損壞現象為：軸承游隙大，運轉時間不長便發出異常響聲;由于載荷過大，轉速較高時，出現疲勞點蝕和塑性變形，滾動體與座圈滾道表面產生凹坑，同時出現超溫和振動。
(2) 改造后。對軸承進行改造，使用可分離型D30314圓錐滾子軸承。滾子與滾道為線接觸，可承受較高的徑向和軸向聯合負荷。圓錐滾子軸承采用加強型結構，滾子的直徑加大，長度加長，數目增多，因而使軸承的承載能力和疲勞壽命顯著提高。兩種軸承尺寸性能對比表見表1。
表1 兩種軸承尺寸性能對比
| 序號 |
軸承型號 |
內徑/mm |
外徑/mm |
寬度/mm |
基本額定載荷/kN |
極限轉速/r.min-1 |
| 動態 |
靜態 |
| 1 |
D46314 |
70 |
150 |
35 |
99 |
96 |
5300 |
| 2 |
D30314 |
70 |
150 |
38 |
203 |
262 |
4800 |
由表1可知，圓錐滾子軸承D30314在滿足脫碳泵2950r/min的前提下，比角接觸軸承D46314在承受額定載荷能力上更具優勢，不僅耐沖擊，泵運轉后噪音小，且機組振動小。軸承安裝示意圖2。圖2(a)為改造前靠背安裝角接觸軸承，圖2(b)為改造后面對面安裝圓錐滾子軸承。
(3) 改造效果。自2004年脫碳泵改造以來，設備故障大為降低，檢修后運行時間長達2年以上。結合改造經驗，將其他150AY150X2型及250AYS150X2型脫碳泵也進行了技術改造。
4 優化操作
以離心泵為例，分析優化操作對機械密封長周期使用的影響和作用。
(1) 試車前準備工作。①檢查泵的各連接螺栓及地腳螺栓是否有松動現象;②檢查軸承潤滑油是否充足、暢通、不滴不漏;③盤車若干轉，檢查是否輕重均勻，并注意泵內有無雜音;④將泵內充滿液體，排除泵內氣體，檢查機封是否泄漏。
(2) 試車。①電機電動試驗，檢查電機旋轉方向，有無異常聲音。②打開進口閥，啟動電機，打開出口閥，避免軸承溫度過高，損壞機械密封。③負荷試車應符合以下要求：機械密封無泄漏;運行平穩、無雜音;潤滑、冷卻系統均為正常;流量、壓力平穩、無波動;電流不超過額定值。
(3) 正常運行。①泵啟動后若有輕微泄漏現象，應先觀察一段時間，如果連續運行4h，泄漏量仍不減少，則應停泵檢查;②泵的操作壓力應平穩，壓力波動不大于0.1MPa;③運轉中避免發生抽空現象，以免造成密封面干摩擦及密封破壞;④確保機械密封有充分沖洗的液體，水冷軸承禁止使用過量水流;⑤產生操作人員發現設備有不正常情況，應立即檢查原因，發現異常響聲、振動、漏氣、火花等緊急情況，應立即停車采取果斷措施，并立即上報。
綜上所述。機械密封長周期運行要從零件的加工精度、密封結構、安裝、維修等方面入手進行改進，同時，應提高工藝人員現場操作水平，以確保機械密封使用的穩定性和長期性。
參考文獻：
[1]王汝美.實用機械密封技術問答[M].北京：中國石油化工出版社，1995
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