高速泵機械密封故障研究

尤靜輝，劉 曉

（北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100176）

0 引言

高速泵又稱高速部分流泵，廣泛應用于石化及航空航天等領域，如液氮、液氨和液化石油氣等易氣化介質的輸送[1]。離心泵的組成部分包括電機、增速器和泵，利用增速齒輪、皮帶增速和變頻器來實現高速運轉。泵的內過流部件一般包括誘導輪、葉輪、壓水室、導流支座等[2]，結構性能優良。泵的密封裝置主要有靜密封和動密封兩類（表1）。

表1 密封種類和具體形式

目前世界上主流的軸密封方法為機械密封（圖1），其具有壽命長、穩定性好的優點，是現代工業泵行業最受歡迎的密封方式[3]。機械密封又稱端面密封，是一種用于旋轉軸和泵機之間的密封裝置，由至少一對垂直于旋轉軸線端面的流體壓力與補償機構在彈力作用以及輔助密封的配合下保持貼合，防止流體泄漏的裝置[4]。

圖1 機械密封的基本結構形式

機械密封根據零部件相對運動是否接觸可以分為接觸式和非接觸式兩大類，二者的特點及優缺點見表2。影響機械密封性能的因素有很多，不同槽型的密封效果也有很大不同。載荷是影響密封效果的重要因素，溫度也在很大程度上影響著機械密封的性能。密封所使用的介質及工作一段時間后介質中的雜質會對密封件造成影響，導致機械密封失效。還有一個重要因素是機械密封零部件的加工與設計，提高加工精度可以提高密封性能。

表2 接觸式與非接觸式機械密封對比

機械密封在工作過程中會出現各種各樣的問題，機械密封的檢測也需要各種各樣的技術手段來實現。我國的機械密封發展起步比較晚，但取得了很大的進步，機械密封技術和相關產品未來將會逐漸的系統化、高端化和智能化。

在石油化工企業中，高速泵主要用于一些流量小、揚程高的生產場合，在經過長期運行之后會出現一定程度的磨損，不可避免地導致機械密封性能下降，最終導致密封失效、產生泄漏[5]。

高速泵用的機械密封一般構成形式有：①介質密封；②增速箱密封；③高位油罐密封。高速泵機械密封失效的位置一般出現在軸套與軸之間、動環與軸套之間、動環與靜環之間、靜環與靜環座之間、密封端蓋與泵體之間等位置[6]。在旋轉設備運行中，密封端面經常會出現磨損、熱裂、變形、破損等情況，彈簧也會出現松弛、斷裂和腐蝕等現象。輔助密封圈也會出現裂口、扭曲、變形、破裂等情況[7]。機械密封的故障表現及其原因有：①振動、發熱；②介質泄漏；③周期性或陣發性泄漏；④經常性泄漏；⑤振動偏大。

1 機械密封改進案例分析

以某型苯加料泵為例，其流量為Q=2 m3/h，H=200 m，n=9900 r/min，機械密封為雙端面，動環靠軸套、O 形圈的摩擦力傳動，靜環為浮動式，冷卻介質為軟水，動環平均線速度為18 m/s，密封機構形式如圖2 所示。

圖2 密封結構形式

該泵傳送的介質為苯，介質苯對橡膠材料的O 形圈有溶脹的影響，因此耐油橡膠密封圈使用壽命短，腐蝕和溶脹會很嚴重。密封結構中動環靠摩檫力傳動，其中軸套與動環之間的夾緊力靠葉輪螺母緊固產生，當O 形圈被腐蝕后，會導致軸套與動環之間的壓緊力減小，進而導致螺母產生松動的現象。動環與軸套之間產生間隙會引起微量的相對運動，加速O 形圈和軸套的磨損。動環所受夾緊力的變化會影響動環的運動狀態，產生振動。動環的振動會傳到靜環，加快靜環的損壞。機械密封的壽命一般在30～60 d，有時甚至更短。機械密封的失效會導致所輸送介質苯的泄漏，而介質苯和冷卻水進入增速箱，會導致齒輪打壞及軸承損壞，給檢修帶來了很大的困難，成本較高，同時會影響生產的持續性，造成經濟損失。另外，動環與軸之間也會產生相對滑動，導致高速軸磨損、損壞。高速軸加工難度大、采購周期長，檢修更換成本高、困難大。

結合密封結構對故障情況進行分析，可以發現導致機械密封失效的主要原因是動環與高速軸的之間的傳動方式存在不合理之處，傳動過程中動環與高速軸之間出現滑動而導致一系列問題的出現。為了防止動環與高速軸之間的相對滑動，將動環與高速軸之間的傳動方式改為銷傳動，結構形式改動如圖3 所示。選用直徑為6 mm 的鋼珠作為傳動銷，需要在高速軸的外徑上開孔，在動環上開槽。由于動環需要做旋轉運動，考慮到開槽之后可能會影響動環的動平衡，如果動環的內徑較小則不需考慮動平衡問題，如果動環內徑較大可以在內環面上對稱開槽。本文中動環內徑較小，可以不用考慮動環動平衡的問題。實際應用證明，本次改進達到了預期效果，消除了動環與高速軸之間的相對滑動，避免了故障的發生。

圖3 結構形式改動

2 應用效果及展望

通過本次改進，泵的機械密封壽命大幅度延長，從原來的30～60 d 延長至半年以上，減少泵因故障導致的停機，保證了產線生產的連續性，為企業節省成本。機械密封結構中，靜環一般采用石墨材料，動環的壽命是靜環壽命的2 倍以上，所以該改進具有很強的實際意義。

機械密封涉及摩擦學、流體靜力學、流體動力學等學科的知識，計算機模擬仿真技術今后會在密封方面大量應用，推動人們更加深入地理解密封的本質。信息化也是未來的發展趨勢，機械密封在信息化時代將會實現更加方便的快速監測和遠程監測，自動控制技術也將逐漸在機械密封中應用，未來的機械密封裝置會更加智能化。表3 匯總了已有的和預期可以實現的機械密封智能化發展。隨著科學技術的不斷發展，也可能會出現新型的高效密封技術代替傳統機械密封技術。

3 結束語

綜上所述，機械密封在很多工業領域都起著至關重要的作用，智能化是其未來發展的重要方向之一。目前已經具有一定的技術基礎，但很多關鍵問題還需要進一步探索研究。機械技術與AI 技術、傳感器技術將會更加深入地交叉融合，成為機械密封技術的強大的推動力，使機械密封技術在未來的裝備中發揮更大的價值。