通過對泵用機(jī)械密封的實際應(yīng)用和理論分析,提出了機(jī)械密封的實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)械密封自身方面查找原因,例如:機(jī)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(jī)械密封的外部條件方面去查找原因,例如:泵給機(jī)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(jī)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。
一、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。
二、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0.5mm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(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。
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 0105~011mm,滿足機(jī)械密封的允許軸向竄量015mm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,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(jī)械密封振動偏大,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。
三、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(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(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0107~011MPa,如果輸送介質(zhì)屬于易汽化的,則應(yīng)高于汽化壓力01175~012MPa。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。
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(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)計標(biāo)準(zhǔn)
泵產(chǎn)品的設(shè)計和機(jī)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(jī)械行業(yè)設(shè)計員迫切需要解決的問題。
四、結(jié)束語
在設(shè)計泵用機(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(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。