熱水泵機械密封泄露分析與改造方案

文/賀子華

熱水泵機械密封失效原因以及改造的具體方案——就某熱水泵機械密封的改造實例，以結合實際解決問題為前提，從結構設計、材料選擇、沖洗方案等方面進行分析，闡述其運行中失效的具體原因，并根據用戶要求針對性地改進機械密封的結構，確保其達到長周期使用的效果，為化工行業熱水泵的密封技術提供參考及支持。

機械密封是流體機械和動力機械中不可或缺的零部件，對機械設備、乃至整個生產線的影響都很大，對保證設備運轉可靠、裝置連續生產具有重大意義。機械密封穩定運行是其工作參數與運行環境來決定的，為確保機械密封安全、可靠、長期地運行，機械密封結構及輔助系統的選擇不容失誤。

機械密封的設計，是根據機械設備的密封介質及使用工況來確定的，而輔助系統也是機械密封必不可少的重要組成部分。對于特殊工況，為機械密封選擇合適的輔助系統是保障機械密封長周期運行的前提。

本文將以某熱水泵機械密封泄露的改造實例，從設備使用工況、介質性質、機械密封結構、輔助系統等方面進行分析，找出運行中密封失效的原因，并給出改進方案。為化工行業熱水泵的密封技術提供參考及支持。

設備工況條件

熱水泵

該熱水泵是生產工藝流程的關鍵設備，是為聚氯乙烯生產工藝中提供所需要的熱水。

設備工況

設備工況如表1所示。

表1 設備工況

機械密封及輔助系統

該熱水泵原機械密封采用雙端面、平衡型、靜止式、集裝式機械密封結構機械密封結構如圖1所示。

圖1 機械密封結構示意圖

現場拆解機械密封后發現：介質端密封環熱裂，部分密封圈變形失效。

國內外熱水泵機械密封的首選沖洗方案為Plan23，此沖洗方案可有效改善機械密封的運行環境，使機械密封運行工況由熱水變為低溫水，為長周期穩定運行提供了保障。但設備現場不具備相應的條件，同一工位設備均采用Plan54沖洗方案，應用戶要求沿用該方案。

改造后機械密封采用單端面、平衡型、旋轉式、集裝式機械密封結構，機械密封結構如圖2所示。

圖2 機械密封結構示意圖

泄露原因分析

機械密封運行會產生大量的熱量，輔助系統沒辦法將這些熱量有效帶走，會直接影響機械密封的使用壽命。此工況下的熱水，當動靜環之間不能有效形成液膜時，摩擦熱會加劇，使得密封環產生熱裂，從而導致機械密封的失效。密封圈變形則是由于長時間處于高溫之中造成的。

密封環熱裂的原因是密封端面局部熱量過高，此熱量一部分來自介質，另一部分來源于密封環端面之間的摩擦。原機械密封大氣端設計采用外裝式結構，輔助系統為Plan54方案，結構上使得沖洗水壓力在一定程度上受限，沖洗水壓力不能太高，否則大氣端容易泄露，所以使得沖洗水壓力較低，造成沖洗不到位，無法有效進行換熱。

密封材料選擇

機械密封技術的水平與材料選擇有著密切的聯系。熱水工況較為特殊，水在一定溫度及壓力下會發生閃蒸，潤滑性變差。動靜環應選用自潤滑性較好的材料進行配對，動環材質選擇碳石墨，靜環材質為碳化硅。輔助密封圈應選擇耐高溫水解的三元乙丙橡膠，其余零部件材料與原機械密封選材一致。

熱交換熱計算

熱交換的過程主要依靠輔助系統來實現的，換熱效率直接影響機械密封的穩定運行。為保證換熱效率，需要計算機械密封產生熱量、熱傳導熱量和沖洗液流量。

傳導熱

機械密封的密封腔與冷卻腔中的液體存在溫差，密封腔的溫度傳導至冷卻腔，由冷卻腔中的液體帶走熱量。假設在傳導過程中溫度不變，則可用下式計算：

式中Qhs—熱傳導熱量,W；U—材料特性系數；A—傳熱面積,mm2；Db—密封平衡直徑,mm；ΔThs—密封腔與冷卻腔的溫差,℃；

根據機械密封零部件的材質，取熱導率U×A=0.00025進行計算，最終得出該機械密封的傳導熱約為5 kW。

沖洗流量

在算出密封產生的熱量后，可由下式計算輔助系統沖洗液 流量：

為保持機械密封良好的運行環境，在進行沖洗量計算時，沖洗流量安全系數按2倍來進行計算。由上述計算可知機械密封的換熱總功率約為7.8 kW，沖洗液流量為6.6 L/min。

結論

通過對熱水泵機械密封的泄露分析、結構改進、換熱計算等研究，為熱水工況下密封設計提供了思路，給出了密封功耗及熱交換的計算方法，為化工行業熱水泵的密封技術提供參考及 支持。

在此特別提出，本次改型機械密封通過對其結構及材料的優化設計，基本滿足當前工況的使用，相比于Plan23沖洗方案來講，其經濟性、適用性更好。 ●