高溫介質機械密封性能測試系統研制*

沈宗沼 蔡粵華 李 香 楊博峰 姚黎明 李文建 丁思云

(合肥通用機械研究院有限公司 安徽合肥 230031)

近些年，隨著工業技術的迅猛發展，各行業裝備都朝著高參數方向發展。為了提升生產效率，工藝介質溫度更是不斷提高，致使輸送設備的工作條件也越來越復雜。機械密封作為一種用來解決輸送設備旋轉軸與機體之間密封的裝置，屬關鍵基礎部件[1-2]，往往對設備的安全運行起決定性作用，其密封性能和使用壽命必然會要求更嚴格[3]。高溫泵作為石油煉化生產工藝過程的關鍵設備，輸送油介質最高溫度可達400 ℃，其機械密封普遍存在密封環高溫變形、彈性元件失彈或卡滯等問題[4-7]。機械密封一旦失效引發介質泄漏，將發生火災導致財產損失，嚴重時危及人員生命安全。因此，高溫泵用機械密封除在產品設計等方面進行理論研究外，必須通過嚴格有效的試驗來充分檢驗其性能是否滿足要求。目前，為了保證高溫介質機械密封運行的可靠性，API682標準《離心泵和轉子泵用軸封系統》[8]和易派客機械密封產品質量評價規范都對試驗做出了相關規定，將隨著產品質量要求提升在國內廣泛被采用。因此，研制符合試驗要求的高溫介質機械密封性能測試系統提供檢驗手段，以適應整個行業的技術發展勢在必行。

本文作者依據行業標準及用戶質量評價規范對高溫介質機械密封產品的測試要求，研究開發了高溫介質機械密封產品性能測試系統。采用理論計算方法，結合試驗研究手段，驗證了性能測試系統的轉子-支承單元、軸承散熱單元、溫度控制單元等關鍵單元的設計，得出了試驗運行參數隨時間變化的規律，獲得了介質溫度等被控參數的變化規律和控制精度。

1 裝置設計

為滿足產品相關標準[8-9]和質量評價規范的試驗要求，高溫介質機械密封測試系統設計技術參數如表1所示。

表1 設計技術參數

1.1 結構設計

綜合考慮運行過程中減振降噪和結構緊湊等要求，整個測試裝置結構布局方案為電機直聯驅動，電機、扭矩傳感器與軸承座之間通過柔性聯軸器來傳遞動力。為了適應各種結構型式的高溫介質機械密封，便于安裝，密封試驗部位采用主軸懸臂式、密封腔獨立雙支撐并可軸向調整定位距離的結構設計；為了增加運行穩定性和安全性，提高裝置使用壽命，在密封腔和軸承之間安裝隨主軸一起旋轉的散熱裝置，以抑制試驗介質高溫傳遞，降低軸承熱傳導量;同時結合噴油潤滑冷卻方式[10-11]，來保證軸承正常的工作溫度。測試裝置結構方案如圖1所示。

圖1 高溫介質機械密封測試裝置結構

1.2 臨界轉速校核

由于測試裝置中試驗密封懸臂安裝，且測試軸徑范圍寬，當進行較大軸徑密封高速試驗時，裝置轉子穩定性較差，臨界轉速低，運行過程中易產生共振[12-13]。因此，合理設計裝置轉子-支承系統，并進行臨界轉速校核是保證安全可靠運行的必要前提。測試裝置主軸除滿足強度設計外，采用內徑為70 mm的滾動軸承進行支承來確保足夠的支承剛度，并依據相關設計要素，通過計算分析安裝極限軸徑(φ120 mm)試驗密封時轉子-支承系統的模態，計算得出轉子的坎貝爾圖，如圖2所示。

圖2 測試裝置轉子-支承系統的坎貝爾圖

從圖2可以看出，一階臨界轉速為7 894.4 r/min，超出裝置最高設計轉速，表明在極限試驗條件下，裝置能保持穩定運行，測試裝置轉子-支承系統的結構設計符合試驗運行要求。

1.3 軸承溫度分布

軸承的工作狀態直接決定測試裝置的運行穩定性，試驗過程中介質溫度非常高，若不采取有效措施，熱量會通過主軸傳導至軸承，影響其正常運行，嚴重時會因溫度過高而損壞，從而導致密封失效，產生高溫介質泄漏，危及試驗安全。因此，測試裝置在設計過程中分析軸承正常運行的溫度分布，預測軸承工作溫度，對驗證設計的有效性和準確性極其重要。

測試裝置配備自散熱裝置，結合噴油潤滑方式對軸承進行散熱和潤滑，依據設計結構和參數，建立主軸和軸承的傳熱計算模型[14-16]；通過理論計算分析，得出測試裝置正常運行情況下的高溫側主軸和軸承整體溫度分布如圖3所示，軸承部位溫度分布如圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，軸承部位整體溫度較低，最高運行溫度為42.9 ℃，表明測試裝置在進行溫度為400 ℃的高溫油介質試驗時，通過自散熱裝置和軸承強制潤滑和冷卻，能有效地阻止熱量傳導，控制軸承的運行溫度。

圖3 高溫側主軸和軸承整體溫度分布

圖4 高溫側軸承溫度分布

2 系統設計

2.1 介質循環系統設計

測試裝置需配備合適的系統來實現試驗介質的加溫、冷卻和循環，以達到相關試驗要求，其系統流程如圖5所示。系統采用電加熱器在介質內浸沒加熱，并配有冷卻裝置對介質快速降溫，以實現介質溫度的快速變化；試驗介質通過高溫泵強制循環，使整個系統運行溫度均勻，并通過調節閥來調節流量和平衡壓差；試驗過程中產生的油氣通過氣液分離罐分離至高位補油罐排出，保證了試驗壓力的穩定和運行安全。

圖5 介質循環系統方案流程

2.2 溫度控制系統設計

為滿足高溫介質機械密封相關試驗要求，保證密封運行參數穩定和測試安全，必須對溫度、壓力、轉速等試驗參數進行實時監測和控制。采用傳感器來測量和遠程顯示各試驗參數，并通過信號反饋，實時調整各執行機構來實現對試驗參數的控制。對于高溫試驗過程，溫度精確控制是整個控制的重點和難點。系統采用密封腔溫度信號作為控制信號進行反饋，通過動態調節加熱裝置的功率大小來控制密封腔溫度保持在允許范圍內，其控制調節方案圖如圖6所示。

圖6 溫度控制調節原理

2.3 保溫設計

高溫試驗過程中，為阻止熱量損耗，同時避免高溫壁面燙傷試驗人員，采用耐火、耐高溫硅酸鈣保溫材料包裹管路進行保溫處理，以隔絕熱量。通過分析計算，進行介質400 ℃高溫試驗時，保溫層厚度對應外壁溫度變化規律如圖7所示。

從圖7中可以看出，管路外壁溫度隨著保溫層厚度的增加而降低，且分3個階段：保溫層厚度15 mm以內為快速下降階段，15～30 mm為緩慢下降階段，30 mm以后為趨于平穩階段。保溫層厚度為30 mm時，管路外壁溫度為34.2 ℃，再增加保溫層厚度對外壁溫度的影響較小，故選取保溫層厚度為30 mm。

圖7 外壁溫度隨保溫層厚度變化規律

3 運行測試

背對背安裝2套DBM-50型金屬波紋管機械密封產品對性能測試裝置進行運行調試。試驗介質選用320導熱油，調試設定加熱溫度為260 ℃，裝置運行轉速為3 000 r/min，試驗壓力為1.6 MPa，穩定運行5 h。試驗得到的加熱功率隨時間變化、介質溫度隨時間變化和介質側軸承溫度隨時間變化曲線分別如圖8—10所示。

圖8 試驗系統加熱功率隨時間變化規律

從圖8和圖9可以看出，試驗裝置運行初期，加熱功率快速到滿負荷功率，介質溫度隨之上升;溫度上升到約130 ℃，加熱功率慢慢減小;當溫度上升到約260 ℃時，加熱功率始終保持在小功率范圍內,以調節介質溫度維持在設定溫度偏差范圍內;溫度最大偏差為1.2 ℃，滿足設計要求精度。從圖10可以看出，介質側軸承溫度隨運行時間而緩慢上升，150 min后基本穩定，溫升為29.1 ℃，最高運行溫度為45.9 ℃，滿足軸承運行要求。

圖9 試驗系統介質溫度隨時間變化規律

圖10 試驗系統介質側軸承溫度隨時間變化規律

4 結論

研制出高溫介質機械密封性能測試系統，通過理論計算和運行測試相結合的手段，對性能測試系統的設計進行了分析和驗證。結果表明：

(1)該裝置安裝極限軸徑為120 mm的機械密封條件下，測試裝置轉子一階臨界轉速大于設計轉速,設計合理，滿足測試范圍要求。

(2)測試裝置通過高溫側自散熱和軸承噴油潤滑相結合的方式，能有效地阻止高溫側軸承溫度升高，保證軸承的正常穩定運行；測試裝置高溫側軸承實際測試運行溫升為29.1 ℃，與理論計算預測溫升相差不大。

(3)測試裝置調試運行過程穩定，安全可靠；系統介質運行溫度均勻，溫度控制精確，最大偏差為1.2 ℃，滿足溫度設計精度要求，充分保證了試驗數據記錄和分析的準確性。

(4)高溫介質機械密封性能測試系統不僅能完全滿足API682等標準和易派客產品質量評價規范關于高溫介質機械密封產品的性能試驗要求，而且能為高溫介質機械密封可靠性相關研究提供測試手段支持，應用前景廣闊。