影響泵用機械密封外部條件的研究

摘要：通過對泵用機械密封的實際應(yīng)用和理論分析，提出了機械密封的實際密封效果不僅與機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)計泵機組產(chǎn)品時，要為機械密封的使用提供一個良好的外部條件。

目前機械密封在泵類產(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，機械密封的應(yīng)用前景將更加廣泛。機械密封的密封效果將直接影響整機的運行，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)慣在機械密封自身方面查找原因，例如：機械密封的選型是否合適，材料選擇是否正確，密封面的比壓是否正確，摩擦副的選擇是否合理等等。而很少在機械密封的外部條件方面去查找原因，例如：泵給機械密封創(chuàng)造的條件是否合適，輔助系統(tǒng)的配置是否合適，而這些方面的原因往往是非常重要的。本文作者從泵用機械密封的外部條件的角度分析了影響密封效果的幾種因素和應(yīng)采取的合理措施。

1機械密封的原理及要求

機械密封是靠一對相對運動的環(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，這種裝置稱為機械密封。

機械密封通常由動環(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。機械密封在實際運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行的，同時通過其基本原理可以看出，機械密封的正常運行是有條件的，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)。但在實際設(shè)計當(dāng)中，由于設(shè)計的不合理，往往泵軸產(chǎn)生很大的竄量，對機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。

圖2 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、工況劇變時的軸向竄量可能大大超過機械密封允許的軸向竄量。

泵經(jīng)過長時間運行后，平衡盤與平衡環(huán)摩擦磨損，間隙b隨著增大，機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)的機械密封全部失去密封作用。

2.2軸向力偏大

機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，對機械密封的影響是嚴(yán)重的。有時由于泵的軸向力平衡機構(gòu)設(shè)計的不合理及制造、安裝、使用等方面的原因，造成軸向力沒有被平衡掉。機械密封承受一個軸向力，運轉(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)計的不合理，泵軸運轉(zhuǎn)時，在機械密封安裝處產(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，它可以有效地保護密封面，起到冷卻、潤滑、沖走雜物等作用。有時設(shè)計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)計人員設(shè)計了輔助系統(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)計不合理等原因，也同樣達(dá)不到密封效果。

2.5振動偏大

機械密封振動偏大，最終導(dǎo)致失去密封效果。但機械密封振動偏大的原因往往不是機械密封本身的原因，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，使機械密封裝置損壞。

2.7機械加工精度不夠

機械加工精度不夠，原因有很多，有的是機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)計時采取一些措施保證泵軸的竄量在機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)計軸向力平衡機構(gòu)，使之能夠真正充分地平衡掉軸向力，給機械密封創(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，在泵總揚程要求較高的情況下，盡量提高每級葉輪的揚程，減少級數(shù)。

(2) 增加泵軸的直徑。在設(shè)計泵軸直徑的時候，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)計員沒有充分認(rèn)識到這一點。

(3) 提高泵軸材料的等級。

(4) 泵軸設(shè)計完成后，對泵軸的撓度要進(jìn)行校核檢驗計算。

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、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)計標(biāo)準(zhǔn)

泵產(chǎn)品的設(shè)計和機械密封產(chǎn)品的設(shè)計要執(zhí)行相關(guān)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，設(shè)計員應(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)計過程中。到目前為止，有很多設(shè)計員還沒有理解標(biāo)準(zhǔn)的實際含義，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)計員的經(jīng)驗。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，是目前機械行業(yè)設(shè)計員迫切需要解決的問題。

4 結(jié)束語

在設(shè)計泵用機械密封時，不僅要考慮機械密封本身的影響因素，而且要考慮機械密封外部的各種影響因素。在實際工作中要注意以下幾個問題：

(1) 在泵產(chǎn)品的設(shè)計過程中要充分考慮到泵其它零部件以及現(xiàn)場其它設(shè)備對機械密封的使用效果的影響，為機械密封創(chuàng)造一個良好的外部條件。

(2) 增加對機械密封輔助系統(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)品的機械密封，要增加保護措施，提高密封質(zhì)量，減少密封質(zhì)量事故。

(4) 分析機械密封的質(zhì)量事故的原因時，要充分考慮到泵的其它零部件對機械密封運行的影響，采取措施不斷提高機械密封的效果。

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