高溫重油泵機械密封研究
2018-10-17 16:33:22
一、前言
在煉油行業(yè)中，存在大量的高溫?zé)嵊皖愐兹冀橘|(zhì)(起決定作用的物質(zhì))，這類介質(zhì)包括常、減壓渣油、焦化原料油、催化油漿等，具有高溫、高黏度、低自燃點、高污染性等特性。在輸送高溫重油類介質(zhì)的機泵中，離心泵應(yīng)用最為廣泛。這類泵的密封一般采用機械密封，端面之間因介質(zhì)易結(jié)焦使機械密封有可能在顆粒摩擦不穩(wěn)定(wěn dìng)狀態(tài)下工作，導(dǎo)致密封經(jīng)常失效，泄漏經(jīng)常發(fā)生。高溫?zé)嵊捅闷惹行枰环N性能優(yōu)良的密封，滿足環(huán)境保護和安全生產(chǎn)的要求。
二、高溫重油泵(Deep well pump)機械密封失效原因分析
1.機械密封的基本類型
(1)接觸式和非接觸式密封;
(2)內(nèi)裝式和外裝式機械密封;
(3)內(nèi)流式和外流式機械密封;
(4)非平衡式和平衡式機械密封;
(5)單端面、雙端面及多端面機械密封。
高溫重油泵機械密封的選用一直是一大難題，例如，催化裂化油漿泵、常壓塔底泵、初餾塔底泵、減壓塔底泵、減壓蠟油泵、延遲焦化的輻射進料泵等。
高溫重油泵的介質(zhì)(起決定作用的物質(zhì))具有共同的特性，溫度高，一般在300～400℃;介質(zhì)黏度大，在300～400℃，運動黏度為12～180mm2/s;介質(zhì)有顆粒，如催化劑、焦炭、含有砂粒等雜質(zhì);機械密封形式，一般采用波紋管（Corrugated pipe）機械密封。
2.密封失效原因
(1)波紋管失彈或斷裂。波紋管在使用過程中，其剛度或彈性會慢慢減小，試驗和實際應(yīng)用表明，當(dāng)波紋管的失彈量超過設(shè)計初始壓縮量18%～20%時，整個波紋管機械密封就會發(fā)生泄漏。使用中發(fā)現(xiàn)，金屬波紋管機械密封在溫度<200℃時，失彈現(xiàn)象不明顯，但在高溫工況下(溫度>300℃)使用，泵很快就發(fā)生泄漏。因此，高溫和載荷是造成波紋管失彈的主要原因。
(2)配對摩擦副中石墨環(huán)過度磨損（零部件失效的一種基本類型）。上海凱泉由于葉輪進口不可能形成絕對真空，因此離心泵吸水高度不能超過10米，加上水流經(jīng)吸水管路帶來的沿程損失，實際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠(yuǎn)小于10米。發(fā)生泄漏后，將失效的機封拆下巡查，石墨密封環(huán)磨損嚴(yán)重，金屬波紋管機械密封的端面比壓受波紋管有效直徑的影響(influence)，而有效直徑又隨壓力的變化而改變，當(dāng)波紋管受外壓，其有效直徑隨壓力的加大而逐漸縮小。當(dāng)波紋管受內(nèi)壓，其有效直徑隨壓力的加大而逐漸加大。由于壓力過大，導(dǎo)致摩擦副摩擦嚴(yán)重，石墨環(huán)過度磨損引起泄漏。
(3)配對摩擦副中硬質(zhì)合金環(huán)表面熱裂，使用中發(fā)現(xiàn)密封摩擦副的硬質(zhì)合金環(huán)，有許多由硬面中心向外發(fā)散的粗細(xì)不一的徑向裂紋，這是熱裂導(dǎo)致的密封失效。熱裂產(chǎn)生的主要原因是過高的局部熱應(yīng)力，其中硬質(zhì)合金環(huán)與環(huán)座兩種材料的線膨脹系數(shù)差別，采用堆焊結(jié)構(gòu)還是整體結(jié)構(gòu)，密封冷卻沖洗系統(tǒng)中沖洗液的類型、沖洗方式和流量的大小是否合適，都可能引起密封端面的熱裂。
三、雙端面機械密封的研究
單端面波紋管（Corrugated pipe）機械密封系統(tǒng)雖具有耐高溫、耐腐蝕、使用范圍(fàn wéi)廣等特性，但在實際使用中依然存在諸多突出問題。例如，密封介質(zhì)易產(chǎn)生泄漏，造成物質(zhì)損失和環(huán)境污染;密封端面存在摩擦磨損（零部件失效的一種基本類型）、使用的時長短;密封件產(chǎn)生熱變形、熱裂、熱脹而失效。隨著安全、環(huán)保及節(jié)能意識的增強，煉化企業(yè)對于高溫重油泵密封裝置使用性能的要求越來越高。為改善高溫重油泵機械密封的泄漏狀況，對一種新型非接觸式油膜機械密封進行了研究。
1.雙端面機械密封的結(jié)構(gòu)和工作原理
液膜潤滑非接觸式機械密封與接觸式機械密封相組合的雙端面密封結(jié)構(gòu)見圖1，左側(cè)為一非接觸式波紋管機械密封，右側(cè)為一接觸式波紋管機械密封。上海凱泉泵業(yè)集團有限公司是輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的 機械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括 水、油、酸堿液、 乳化液、懸乳液和 液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。
主壓蓋上的注入孔通入潔凈的冷卻沖洗臘油，其壓力可在一定范圍內(nèi)(0.3～0.5MPa)變化;右側(cè)的接觸式機械密封在運行狀態(tài)下，主要是阻止沖洗臘油向大氣外的泄漏，而左側(cè)非接觸式機械密封能把少量的潔凈臘油(不超過5L/h)增壓后，泵送入密封箱內(nèi)。因此，該密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是設(shè)計出的非接觸式機械密封能使低壓臘油增壓至超過重油的壓力，有效阻止重油進入機械密封的附近區(qū)域。可見，合理設(shè)計非接觸式機械密封至關(guān)重要。
正常運行狀態(tài)下，應(yīng)通過(tōng guò)壓蓋上的注入孔通進潔凈的沖洗蠟油，其注入壓力控制在0.3～0.5MPa 之間。上海凱泉由于葉輪進口不可能形成絕對真空，因此離心泵吸水高度不能超過10米，加上水流經(jīng)吸水管路帶來的沿程損失，實際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠(yuǎn)小于10米。此時，盡管沖洗油的壓力小于密封重油的壓力(0.6MPa)，但由于非接觸式機械密封具有增壓泵送作用，使臘油經(jīng)非接觸式機械密封后，壓力增加至大于密封重油的壓力，從而使少量的潔凈臘油輸送進泵內(nèi)，能夠徹底消除重油泄漏及對環(huán)境的污染。
2.雙端面機械密封的工作參數(shù)
雙端面機械密封的參數(shù)主要有轉(zhuǎn)速、壓力等，密封性能參數(shù)有泵入量、端面溫升、摩擦扭矩等。
(1)密封腔壓力的測量。采用外加設(shè)備使密封流體循環(huán)和增壓的實驗臺，一般均直接測量密封腔的平均壓力。采用在密封腔上安裝精密壓力表測量密封腔介質(zhì)和封液的壓力，壓力表便于直接讀數(shù)。
(2)泵入量的測量。泵入量是液膜非接觸式密封的一個重要指標(biāo)。可以采用流量計測量。
(3)摩擦扭矩的測量。機械密封端面摩擦扭矩的測量目前主要采用支反力法和傳遞法。支反力法是根據(jù)動力機械在轉(zhuǎn)矩的作用下所產(chǎn)生支座反力的變化來測量扭矩的;傳遞法是根據(jù)彈性元件在傳遞扭矩時所產(chǎn)生的物理參數(shù)的變化來測量扭矩的。采用在電機與密封主軸之間安裝扭矩傳感器，傳感器將測得的信號傳遞給扭矩轉(zhuǎn)速儀，然后將扭矩儀的信號輸入計算機，通過(tōng guò)計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，用已編寫的機械密封測控軟件進行信號采集和數(shù)據(jù)處理，便可以獲得軸扭矩。
(4)溫度的測量。機械密封端面溫度的測量方法主要有熱電阻法、熱電偶法和紅外測量法等。熱電阻法是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的性質(zhì)進行測量的;紅外測量法是紅外色譜進行測溫的一種方法。但由于紅外測量法具有便于多點測量、方便使用等優(yōu)點，所以紅外測量是適宜采用的一種方法。采用紅外測量法測量密封端面溫度和密封腔流體溫度。
3.雙端面機械密封的優(yōu)點
(1)密封效果好。凱泉泵業(yè)由此可見，若離心泵葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，則可連續(xù)吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚到高處或遠(yuǎn)方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用下，將水提向高處的。利用螺旋槽可實現(xiàn)封油向介質(zhì)泵送，避免熱油向外泄漏。而密封外側(cè)接觸式密封防止了封油泄漏問題。
(2)端面溫度低。雖然溫度比較高，但是最高溫度大約100℃，比現(xiàn)場應(yīng)用中摩擦副處于350℃的情況改良很多，如果再采用背冷方式，溫度會更低。
(3)冷卻水用量少。只有在背冷時才用冷卻水，比原來現(xiàn)場冷卻水用量大幅度降低。
(4)端面磨損小壽命長。通過對連續(xù)運轉(zhuǎn)后的密封動、靜環(huán)的研究，非接觸式動、靜環(huán)的端面幾乎沒有磨損，接觸式端面磨損比原密封端面大大減輕，且熱裂情況不會發(fā)生，使用的時長大大增加。
4.工業(yè)應(yīng)用的要求
(1)雙端面機械密封之間需注入沖洗冷卻蠟(candle)油，其壓力控制0.3～0.5MPa，且最好進行過濾。上海凱泉泵業(yè)集團有限公司是輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的 機械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括 水、油、酸堿液、 乳化液、懸乳液和 液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。
(2)根據(jù)高溫重油泵(Deep well pump)現(xiàn)場具體條件，選擇采用外沖洗冷卻輔助系統(tǒng)，冷卻蠟(candle)油的溫度控制（control)在150℃以下。
(3)密封運行過程(guò chéng)中應(yīng)定期對外側(cè)密封溫度進行監(jiān)測，確保其溫度控制在200℃以下。
四、結(jié)論
高溫重油泵采用的接觸式波紋管（Corrugated pipe）機械密封，易發(fā)生熱油泄漏著火，不僅造成物質(zhì)損失，還可能帶來嚴(yán)重的安全隱患等問題，雙端面機械密封解決了密封介質(zhì)頻繁泄漏問題，密封效果好，使用的時長長，端面溫度低，有效控制了因溫度高造成的端面熱裂和環(huán)烷酸對密封件的腐化侵蝕 。除此之外，輔助系統(tǒng)(system)結(jié)構(gòu)簡單，冷卻水用量少，經(jīng)濟(jīng jì)效益好，符合周期安全運行的要求以及越來越嚴(yán)格的環(huán)境保護要求，具有廣泛的工業(yè)推廣應(yīng)用價值。