熱油泵機械密封面異常磨損原因及對策

徐建赟，李大鵬，王大勇

（克拉瑪依石化有限責任公司，新疆克拉瑪依 834003）

0 引言

二精密分餾裝置熱油泵操作壓力0.4 MPa，溫度范圍180～195 ℃，介質潤滑油WI80，機械密封型號YH609CAT-22，動環材料為碳化鎢，靜環材料為浸石墨酚醛樹脂。使用4 個月后機械密封開始泄漏，此后機械密封壽命都在半年左右，機械密封達不到預期壽命。為此，車間進行攻關，提高密封使用壽命。

1 機械密封泄漏部位

機械密封泄漏機理比較復雜，泄漏點基本是密封面、動靜環密封圈等，找到泄漏點后才能有針對性地探討泄漏原因。采用外裝式的方式，將泄漏的機械密封裝進特制試壓工具，使用0.3 MPa 壓縮空氣試壓，將試壓裝置放進水槽。發現只有密封面有氣泡冒出，斷定是機械密封面泄漏，檢查密封面無明顯劃痕，但存在磨損痕跡，泄漏靜環密封面如圖1 所示。

圖1 磨損的靜環密封面

2 機械密封面磨損原因分析

2.1 密封面有雜質

熱油泵入口濾網為20 目，拆檢濾網完好無雜質。熱油泵介質是清潔的潤滑油，機械密封面上也無溝槽等。這些說明顆粒雜質不是造成密封面磨損的主因。

2.2 靜環耐磨性不良

靜環采用浸石墨酚醛樹脂，材料本身具有一定自潤滑性，符合文獻推薦的該工況機械密封靜環標準。同一型號機械密封在條件類似的熱油泵上使用效果良好，密封面沒有異常磨損。因此靜環材料也不是密封面磨損的原因。

2.3 密封面液膜潤滑不良

機械密封面正常條件下會有液膜，起到潤滑保護密封面作用。對于內裝式機械密封，密封面外側到內側存在壓力梯度，壓力逐漸減小，最外側是操作壓力0.4 MPa，最內側是大氣壓力。在密封面某一位置的溫度對應的壓力，可能會小于該溫度下的液膜飽和蒸氣壓。因此，從該位置開始液膜汽化，密封面該點半徑稱為沸騰半徑。在一定溫度壓力條件下液膜會汽化，因此，液膜可能存在以下4 個相態。

（1）全液相（液膜完全沒有汽化）。此時密封面潤滑最佳，但相對泄漏量會偏大，而且需要加強自沖洗冷卻，能耗大。因此，生產上一般不采用全液相方式。

（2）似液相。此相態中液相多、汽化少，密封面潤滑較好，泄漏量相對較少，自沖洗冷卻能耗不大，泄漏較少而且密封面摩擦較小的理想相態。

（3）似汽相。此相態中液相少、汽化多，泄漏量和似液相相比，相差不大，但密封面潤滑不好，對密封面有一定磨損，影響密封使用壽命，實際生產中不推薦該相態。

（4）全汽相。此時機械密封液膜完全汽化，密封面處于干摩擦狀態，泄漏量暫時最少。此時密封面基本靠材料自潤滑，密封面磨損最大。隨著時間推移，密封面逐漸磨損，無法保證良好貼合。使用一段時間后，泄漏會突然增大而失效。經檢測在用泵靜環尾部溫度為245 ℃，該溫度對應的飽和蒸氣壓大于密封面液膜最大壓力（密封面溫度比靜環尾部溫度略高）。因此，機械密封液膜相態處于全汽相狀態，密封面磨損較快，實際使用壽命不到設計時長的1/4。

3 液膜相態計算

3.1 液膜相態計算思路

機械密封要處于良好密封和潤滑狀態，液膜一般要在似液相工作。關鍵是要確定密封面的沸騰半徑點，沸騰半徑大小，決定了密封面液膜的液相和汽相比例，只有汽相比α＜0.2 時密封面液膜處于似液相相態。液膜相態計算非常復雜，有些參數很難實測和計算，甚至需要用超越電子方程計算。計算出的密封面溫度也不足夠精確，用公式直接計算密封面相態很困難，現場需要用簡單的參數控制來判斷密封面相態。為此，從現場實際出發，提出簡化方法，先假定機械密封在最合適理想工作狀態下，由此確定相應的端面比壓，由端面比壓公式可求出其中的似液相膜壓系數；再根據汽相比α＜0.2 時，液膜相態是似液相，求出似液相沸騰半徑。把沸騰半徑參數代入膜壓系數公式，由膜壓系數公式就可求出似液相狀態下的飽和蒸氣壓。根據飽和蒸氣壓對應的溫度，最終求出似液相工作狀態下的密封面溫度。只要密封面溫度不大于所求溫度，則密封面液膜相態就是似液相。

3.2 計算過程

3.2.1 沸騰半徑計算

3.2.2 膜壓系數計算

端面比壓Pb=Pf+Ps×（B-K），在適合狀態下一般取0.3 MPa，彈簧比壓取1.5 MPa，面積比，R0為軸徑，Ps為介質壓力。這些數據代入端面比壓公式，即可求得膜壓系數K。

3.2.3 密封面汽化溫度計算

4 控制自沖洗油溫

機械密封面的摩擦熱由自沖洗油控制，原自沖洗的油冷器換熱面積為0.7 m2。由于裝置處于煉油加工末段，進出口循環水壓差低，因此循環水流量不足，冷卻器芯子換熱效果不好且容易結垢，冷卻后自沖洗油溫度偏高，達不到給密封面有效降溫的目的。為此，改用換熱面積為1.5 m2的油冷器，采用循環水定期排污，冷卻器使用3 個月后除垢等措施，保證油冷器的換熱效率。更換新的油冷器后，實測自沖洗油溫降低為140 ℃，此時現場檢測靜環尾部溫度為166 ℃。根據文獻實驗數據顯示，一般密封面實際溫度略高于靜環尾部溫度3～7 ℃。現場實際測量靜環尾部溫度不便，通過靜環壓蓋急冷水孔，用紅外線測溫儀測量，有一定偏差，給出5 ℃的安全余量。因此，機械密封面實際最高溫度為178 ℃，小于計算得出的似液相狀態下最高工作溫度210 ℃，機械密封處于似液相的良好工作狀態。

5 結論

通過控制機械密封面溫度，保證機械密封處于最佳潤滑相態。采用該控制方法，機械密封壽命超過2 年，熱油泵機械密封使用年限達到設計要求。