影響泵用機(jī)械密封外部條件的研究
論文摘要：通過對泵用機(jī)械密封的實(shí)際應(yīng)用和理論分析，提出了機(jī)械密封的實(shí)際密封效果不僅與機(jī)械密封自身的性能有關(guān)，且與其它零部件提供的條件以及密封輔助系統(tǒng)提供的條件有著重要的關(guān)系，因此在設(shè)計(jì)泵機(jī)組產(chǎn)品時，要為機(jī)械密封的使用提供一個良好的外部條件。
目前機(jī)械密封在泵類產(chǎn)品中的應(yīng)用非常廣泛，而隨著產(chǎn)品技術(shù)水平的提高和節(jié)約能源的要求，機(jī)械密封的應(yīng)用前景將更加廣泛。機(jī)械密封的密封效果將直接影響整機(jī)的運(yùn)行，尤其是在石油化工領(lǐng)域內(nèi)，因存在易燃、易爆、易揮發(fā)、劇毒等介質(zhì)，機(jī)械密封出現(xiàn)泄漏，將嚴(yán)重影響生產(chǎn)正常進(jìn)行，嚴(yán)重的還將出現(xiàn)重大安全事故。人們在分析質(zhì)量故障原因時，往往習(xí)慣在機(jī)械密封自身方面。
1機(jī)械密封的原理及要求
機(jī)械密封是靠一對相對運(yùn)動的環(huán)的端面A (一個固定，另一個與軸一起旋轉(zhuǎn)，見圖1) 相互貼合形成的微小軸向間隙起密封作用，這種裝置稱為機(jī)械密封。
機(jī)械密封通常由動環(huán)、靜環(huán)、壓緊元件和密封元件組成。其中動環(huán)和靜環(huán)的端面組成一對摩擦副，動環(huán)靠密封室中液體的壓力使其端面壓緊在靜環(huán)端面上，并在兩環(huán)端面上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)谋葔汉捅３忠粚訕O薄的液體膜而達(dá)到密封的目的。壓緊元件產(chǎn)生壓力，可使泵在不運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，也保持端面貼合，保證密封介質(zhì)不外漏，并防止雜質(zhì)進(jìn)入密封端面。密封元件起密封動環(huán)與軸的間隙B、靜環(huán)與壓蓋的間隙C的作用，同時對泵的振動、沖擊起緩沖作用。機(jī)械密封在實(shí)際運(yùn)行中不是一個孤立的部件，它是與泵的其它零部件一起組合起來運(yùn)行的，同時通過其基本原理可以看出，機(jī)械密封的正常運(yùn)行是有條件的，例如：泵軸的竄量不能太大，否則摩擦副端面不能形成正常要求的比壓；機(jī)械密封處的泵軸不能有太大的撓度，否則端面比壓會不均勻等等。只有滿足類似這樣的外部條件，再加上良好的機(jī)械密封自身性能，才能達(dá)到理想的密封效果。
2 外部條件影響的原因分析
2.1 泵軸的軸向竄量大
機(jī)械密封的密封面要有一定的比壓，這樣才能起到密封作用，這就要求機(jī)械密封的彈簧要有一定的壓縮量，給密封端面一個推力，旋轉(zhuǎn)起來使密封面產(chǎn)生密封所要求的比壓。為了保證這一個比壓，機(jī)械密封要求泵軸不能有太大的竄量，一般要保證在0.5 mm以內(nèi)。但在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于設(shè)計(jì)的不合理，往往泵軸產(chǎn)生很大的竄量，對機(jī)械密封的使用是非常不利的。這種現(xiàn)象往往出現(xiàn)在多級離心泵中，尤其是在泵啟動過程中，竄量比較大。
為平衡盤方法平衡軸向力的工作原理。平衡盤工作時自動改變平衡盤與平衡環(huán)之間的軸向間隙b，從而改變平衡盤前后兩側(cè)的壓差，產(chǎn)生一個與軸向力方向相反的作用力來平衡軸向力。由于轉(zhuǎn)子竄動的慣性作用和瞬態(tài)泵工況的波動，運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子不會靜止在某一軸向平衡位置。平衡盤始終處在左右竄動的狀態(tài)。平衡盤在正常工作中的軸向竄量只有0105 ～011 mm，滿足機(jī)械密封的允許軸向竄量015 mm的要求，但平衡盤在泵啟動、停機(jī)、工況劇變時的軸向竄量可能大大超過機(jī)械密封允許的軸向竄量。
泵經(jīng)過長時間運(yùn)行后，平衡盤與平衡環(huán)摩擦磨損，間隙b隨著增大，機(jī)械密封軸向竄量不斷增加。由于軸向力的作用，吸入側(cè)的密封面的壓緊力增加，密封面磨損加劇，直至密封面損壞，失去密封作用。吐出側(cè)的機(jī)械密封，隨著平衡盤的磨損，轉(zhuǎn)子部件的軸向竄量大于密封要求的軸向竄量，密封面的壓緊力減小，達(dá)不到密封要求，最終使泵兩側(cè)的機(jī)械密封全部失去密封作用。
2.2 軸向力偏大
機(jī)械密封在使用過程中是不能夠承受軸向力的，若存在軸向力，對機(jī)械密封的影響是嚴(yán)重的。有時由于泵的軸向力平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理及制造、安裝、使用等方面的原因，造成軸向力沒有被平衡掉。機(jī)械密封承受一個軸向力，運(yùn)轉(zhuǎn)時密封壓蓋溫度將偏高，對于聚丙烯類的介質(zhì)，在高溫下會被熔融，因此泵啟動后很快就失去密封效果，泵靜止時則密封端面出現(xiàn)間斷的噴漏現(xiàn)象。
2.3 泵軸的撓度偏大
機(jī)械密封又稱端面密封，是一種旋轉(zhuǎn)軸向的接觸式動密封，它是在流體介質(zhì)和彈性元件的作用下，兩個垂直于軸心線的密封端面緊密貼合、相對旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到密封效果，因此要求兩個密封之間要受力均勻。但由于泵產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不合理，泵軸運(yùn)轉(zhuǎn)時，在機(jī)械密封安裝處產(chǎn)生的撓度較大，使密封面之間的受力不均勻，導(dǎo)致密封效果不好。
2.4 沒有輔助沖洗系統(tǒng)或輔助沖洗系統(tǒng)設(shè)置不合理
機(jī)械密封的輔助沖洗系統(tǒng)是非常重要的，它可以有效地保護(hù)密封面，起到冷卻、潤滑、沖走雜物等作用。有時設(shè)計(jì)員沒有合理地配置輔助沖洗系統(tǒng)，達(dá)不到密封效果； 有時雖然設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)了輔助系統(tǒng)，但由于沖洗液中有雜質(zhì)，沖洗液的流量、壓力不夠，沖洗口位置設(shè)計(jì)不合理等原因，也同樣達(dá)不到密封效果。
2.5 振動偏大
機(jī)械密封振動偏大，最終導(dǎo)致失去密封效果。但機(jī)械密封振動偏大的原因往往不是機(jī)械密封本身的原因，泵的其它零部件是產(chǎn)生振動的根源，如泵軸設(shè)計(jì)不合理、加工的原因、軸承精度不夠、聯(lián)軸器的平行度差、徑向力大等原因。
2.6 泵汽蝕的原因
由于裝置系統(tǒng)操作不合理以及泵進(jìn)口汽蝕性能不好、泵的轉(zhuǎn)速偏高，在泵的入口處發(fā)生局部汽蝕，汽蝕發(fā)生后，水中會有氣泡，它一方面會沖擊機(jī)械密封面的外表面，使其表面出現(xiàn)破損； 另一方面會使動靜環(huán)的吻合面的流動膜中也含有氣泡，不能形成穩(wěn)定的流動膜，造成動靜環(huán)的吻合面的干摩擦，使機(jī)械密封裝置損壞。
2.7 機(jī)械加工精度不夠
機(jī)械加工精度不夠，原因有很多，有的是機(jī)械密封本身的加工精度不夠，這方面的原因容易引起人們的注意，也容易找到。但有時是泵其它部件的加工精度不夠，這方面的原因，不容易引起人們的注意。例如：泵軸、軸套、泵體、密封腔體的加大精度不夠等原因。這些原因的存在對機(jī)械密封的密封效果是非常不利的。
3 應(yīng)采取的措施
3.1 消除泵軸竄量大的措施
合理地設(shè)計(jì)軸向力的平衡裝置，消除軸向竄量。為了滿足這一要求，對于多級離心泵，比較理想的設(shè)計(jì)方案有兩個：一個是平衡盤加軸向止推軸承，由平衡盤平衡軸向力，由軸向止推軸承對泵軸進(jìn)行軸向限位； 另一個是平衡鼓加軸向止推軸承，由平衡鼓平衡掉大部分軸向力，剩余的軸向力由止推軸承承擔(dān)，同時軸向止推軸承對泵軸進(jìn)行軸向限位。第二種方案的關(guān)鍵是合理地設(shè)計(jì)平衡鼓，使之能夠真正平衡掉大部分軸向力。對于其它單級泵、中開泵等產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)時采取一些措施保證泵軸的竄量在機(jī)械密封所要求的范圍之內(nèi)。
3.2 消除軸向力偏大的措施
合理地設(shè)計(jì)軸向力平衡機(jī)構(gòu)，使之能夠真正充分地平衡掉軸向力，給機(jī)械密封創(chuàng)造一個良好的條件。對于一些電廠、石油、化工等領(lǐng)域應(yīng)用的重要產(chǎn)品，在產(chǎn)品出廠之前，必須做到臺臺試驗(yàn)檢測和發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。有些重要的泵可以在轉(zhuǎn)子上設(shè)計(jì)一個軸向測力環(huán)，對軸向力的大小進(jìn)行隨時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。
3.3 消除泵軸撓度偏大的措施
這種現(xiàn)象大多存在臥式多級離心泵中，在設(shè)計(jì)時采取以下措施：
(1) 減少兩端軸承之間的距離。泵葉輪的級數(shù)不要太多，在泵總揚(yáng)程要求較高的情況下，盡量提高每級葉輪的揚(yáng)程，減少級數(shù)。
(2) 增加泵軸的直徑。在設(shè)計(jì)泵軸直徑的時候，不要簡單地僅考慮傳遞功率的大小，而要考慮機(jī)械密封、軸撓度、起動方法和有關(guān)慣性負(fù)荷、徑向力等因素。很多設(shè)計(jì)員沒有充分認(rèn)識到這一點(diǎn)。
(3) 提高泵軸材料的等級。
(4) 泵軸設(shè)計(jì)完成后，對泵軸的撓度要進(jìn)行校核檢驗(yàn)計(jì)算。
3.4 增加輔助沖洗系統(tǒng)
在條件允許的情況下，盡量設(shè)計(jì)輔助沖洗系統(tǒng)。沖洗壓力一般要求高于密封腔壓力0107 ～011 MPa，如果輸送介質(zhì)屬于易汽化的，則應(yīng)高于汽化壓力01175～012 MPa。密封腔壓力要根據(jù)每種泵的結(jié)構(gòu)型式、系統(tǒng)壓力等因素來計(jì)算。軸封腔壓力很高時或者壓力幾乎接近該密封使用最高極限時，也可由密封腔引液體至低壓區(qū)，使軸封液體流動以帶走摩擦熱。推薦的沖洗量如表1所示。
根據(jù)每種泵的操作條件，合理地配置管路和附件。如冷卻器、孔板、過濾器、閥門、流量指示器、壓力表、溫度等。實(shí)際上密封的可靠性和壽命，在很大程度上取決于密封輔助系統(tǒng)的配置。
3.5 消除泵進(jìn)口汽蝕的措施
(1) 提高泵的汽蝕性能水平，滿足現(xiàn)場裝置的汽蝕性能的要求。
(2) 現(xiàn)場試驗(yàn)裝置的要求要與泵汽蝕性能水平匹配。
(3) 現(xiàn)場安裝和工況調(diào)節(jié)要給泵創(chuàng)造有利的條件。
3.6 消除泵振動的措施
(1) 泵產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中，要充分分析振動的來源，以消除振動源。
(2) 泵產(chǎn)品的制造裝配過程中，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程去執(zhí)行，消除振動源。
(3) 泵、電機(jī)、底座、現(xiàn)場管路等輔助設(shè)備在現(xiàn)場安裝時，要嚴(yán)格把關(guān)，消除振動源。
(4) 現(xiàn)場生產(chǎn)、操作、維修、調(diào)節(jié)時，嚴(yán)格把關(guān)，消除振動源。
3.7 嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
泵產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和機(jī)械密封產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要執(zhí)行相關(guān)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)員應(yīng)認(rèn)真執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，深刻理解標(biāo)準(zhǔn)每一條內(nèi)容的具體意義，將標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的要求執(zhí)行到產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中。到目前為止，有很多設(shè)計(jì)員還沒有理解標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際含義，沒有嚴(yán)格地去執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)，而是盲目地照搬照套老圖紙和老設(shè)計(jì)員的經(jīng)驗(yàn)。這種作法對提高我國產(chǎn)品技術(shù)水平和進(jìn)入國際市場是非常不利的。提高標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)識，是目前機(jī)械行業(yè)設(shè)計(jì)員迫切需要解決的問題。
4 結(jié)束語
在設(shè)計(jì)泵用機(jī)械密封時，不僅要考慮機(jī)械密封本身的影響因素，而且要考慮機(jī)械密封外部的各種影響因素。在實(shí)際工作中要注意以下幾個問題：
(1) 在泵產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中要充分考慮到泵其它零部件以及現(xiàn)場其它設(shè)備對機(jī)械密封的使用效果的影響，為機(jī)械密封創(chuàng)造一個良好的外部條件。
(2) 增加對機(jī)械密封輔助系統(tǒng)的重要作用的認(rèn)識，盡可能配備完善的機(jī)械密封輔助系統(tǒng)，以提高密封效果。
(3) 對重要泵產(chǎn)品的機(jī)械密封，要增加保護(hù)措施，提高密封質(zhì)量，減少密封質(zhì)量事故。
(4) 分析機(jī)械密封的質(zhì)量事故的原因時，要充分考慮到泵的其它零部件對機(jī)械密封運(yùn)行的影響，采取措施不斷提高機(jī)械密封的效果。
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