高溫重油泵機(jī)械密封研究
2018-10-17 16:33:22
一、前言
在煉油行業(yè)中，存在大量的高溫?zé)嵊皖愐兹冀橘|(zhì)(起決定作用的物質(zhì))，這類介質(zhì)包括常、減壓渣油、焦化原料油、催化油漿等，具有高溫、高黏度、低自燃點(diǎn)、高污染性等特性。在輸送高溫重油類介質(zhì)的機(jī)泵中，離心泵應(yīng)用最為廣泛。這類泵的密封一般采用機(jī)械密封，端面之間因介質(zhì)易結(jié)焦使機(jī)械密封有可能在顆粒摩擦不穩(wěn)定(wěn dìng)狀態(tài)下工作，導(dǎo)致密封經(jīng)常失效，泄漏經(jīng)常發(fā)生。高溫?zé)嵊捅闷惹行枰环N性能優(yōu)良的密封，滿足環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)的要求。
二、高溫重油泵(Deep well pump)機(jī)械密封失效原因分析
1.機(jī)械密封的基本類型
(1)接觸式和非接觸式密封;
(2)內(nèi)裝式和外裝式機(jī)械密封;
(3)內(nèi)流式和外流式機(jī)械密封;
(4)非平衡式和平衡式機(jī)械密封;
(5)單端面、雙端面及多端面機(jī)械密封。
高溫重油泵機(jī)械密封的選用一直是一大難題，例如，催化裂化油漿泵、常壓塔底泵、初餾塔底泵、減壓塔底泵、減壓蠟油泵、延遲焦化的輻射進(jìn)料泵等。
高溫重油泵的介質(zhì)(起決定作用的物質(zhì))具有共同的特性，溫度高，一般在300～400℃;介質(zhì)黏度大，在300～400℃，運(yùn)動(dòng)黏度為12～180mm2/s;介質(zhì)有顆粒，如催化劑、焦炭、含有砂粒等雜質(zhì);機(jī)械密封形式，一般采用波紋管（Corrugated pipe）機(jī)械密封。
2.密封失效原因
(1)波紋管失彈或斷裂。波紋管在使用過(guò)程中，其剛度或彈性會(huì)慢慢減小，試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用表明，當(dāng)波紋管的失彈量超過(guò)設(shè)計(jì)初始?jí)嚎s量18%～20%時(shí)，整個(gè)波紋管機(jī)械密封就會(huì)發(fā)生泄漏。使用中發(fā)現(xiàn)，金屬波紋管機(jī)械密封在溫度<200℃時(shí)，失彈現(xiàn)象不明顯，但在高溫工況下(溫度>300℃)使用，泵很快就發(fā)生泄漏。因此，高溫和載荷是造成波紋管失彈的主要原因。
(2)配對(duì)摩擦副中石墨環(huán)過(guò)度磨損（零部件失效的一種基本類型）。上海凱泉由于葉輪進(jìn)口不可能形成絕對(duì)真空，因此離心泵吸水高度不能超過(guò)10米，加上水流經(jīng)吸水管路帶來(lái)的沿程損失，實(shí)際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠(yuǎn)小于10米。發(fā)生泄漏后，將失效的機(jī)封拆下巡查，石墨密封環(huán)磨損嚴(yán)重，金屬波紋管機(jī)械密封的端面比壓受波紋管有效直徑的影響(influence)，而有效直徑又隨壓力的變化而改變，當(dāng)波紋管受外壓，其有效直徑隨壓力的加大而逐漸縮小。當(dāng)波紋管受內(nèi)壓，其有效直徑隨壓力的加大而逐漸加大。由于壓力過(guò)大，導(dǎo)致摩擦副摩擦嚴(yán)重，石墨環(huán)過(guò)度磨損引起泄漏。
(3)配對(duì)摩擦副中硬質(zhì)合金環(huán)表面熱裂，使用中發(fā)現(xiàn)密封摩擦副的硬質(zhì)合金環(huán)，有許多由硬面中心向外發(fā)散的粗細(xì)不一的徑向裂紋，這是熱裂導(dǎo)致的密封失效。熱裂產(chǎn)生的主要原因是過(guò)高的局部熱應(yīng)力，其中硬質(zhì)合金環(huán)與環(huán)座兩種材料的線膨脹系數(shù)差別，采用堆焊結(jié)構(gòu)還是整體結(jié)構(gòu)，密封冷卻沖洗系統(tǒng)中沖洗液的類型、沖洗方式和流量的大小是否合適，都可能引起密封端面的熱裂。
三、雙端面機(jī)械密封的研究
單端面波紋管（Corrugated pipe）機(jī)械密封系統(tǒng)雖具有耐高溫、耐腐蝕、使用范圍(fàn wéi)廣等特性，但在實(shí)際使用中依然存在諸多突出問(wèn)題。例如，密封介質(zhì)易產(chǎn)生泄漏，造成物質(zhì)損失和環(huán)境污染;密封端面存在摩擦磨損（零部件失效的一種基本類型）、使用的時(shí)長(zhǎng)短;密封件產(chǎn)生熱變形、熱裂、熱脹而失效。隨著安全、環(huán)保及節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)，煉化企業(yè)對(duì)于高溫重油泵密封裝置使用性能的要求越來(lái)越高。為改善高溫重油泵機(jī)械密封的泄漏狀況，對(duì)一種新型非接觸式油膜機(jī)械密封進(jìn)行了研究。
1.雙端面機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)和工作原理
液膜潤(rùn)滑非接觸式機(jī)械密封與接觸式機(jī)械密封相組合的雙端面密封結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，左側(cè)為一非接觸式波紋管機(jī)械密封，右側(cè)為一接觸式波紋管機(jī)械密封。上海凱泉泵業(yè)集團(tuán)有限公司是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械。它將原動(dòng)機(jī)的 機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來(lái)輸送液體包括 水、油、酸堿液、 乳化液、懸乳液和 液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。
主壓蓋上的注入孔通入潔凈的冷卻沖洗臘油，其壓力可在一定范圍內(nèi)(0.3～0.5MPa)變化;右側(cè)的接觸式機(jī)械密封在運(yùn)行狀態(tài)下，主要是阻止沖洗臘油向大氣外的泄漏，而左側(cè)非接觸式機(jī)械密封能把少量的潔凈臘油(不超過(guò)5L/h)增壓后，泵送入密封箱內(nèi)。因此，該密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)出的非接觸式機(jī)械密封能使低壓臘油增壓至超過(guò)重油的壓力，有效阻止重油進(jìn)入機(jī)械密封的附近區(qū)域。可見(jiàn)，合理設(shè)計(jì)非接觸式機(jī)械密封至關(guān)重要。
正常運(yùn)行狀態(tài)下，應(yīng)通過(guò)(tōng guò)壓蓋上的注入孔通進(jìn)潔凈的沖洗蠟油，其注入壓力控制在0.3～0.5MPa 之間。上海凱泉由于葉輪進(jìn)口不可能形成絕對(duì)真空，因此離心泵吸水高度不能超過(guò)10米，加上水流經(jīng)吸水管路帶來(lái)的沿程損失，實(shí)際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠(yuǎn)小于10米。此時(shí)，盡管沖洗油的壓力小于密封重油的壓力(0.6MPa)，但由于非接觸式機(jī)械密封具有增壓泵送作用，使臘油經(jīng)非接觸式機(jī)械密封后，壓力增加至大于密封重油的壓力，從而使少量的潔凈臘油輸送進(jìn)泵內(nèi)，能夠徹底消除重油泄漏及對(duì)環(huán)境的污染。
2.雙端面機(jī)械密封的工作參數(shù)
雙端面機(jī)械密封的參數(shù)主要有轉(zhuǎn)速、壓力等，密封性能參數(shù)有泵入量、端面溫升、摩擦扭矩等。
(1)密封腔壓力的測(cè)量。采用外加設(shè)備使密封流體循環(huán)和增壓的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，一般均直接測(cè)量密封腔的平均壓力。采用在密封腔上安裝精密壓力表測(cè)量密封腔介質(zhì)和封液的壓力，壓力表便于直接讀數(shù)。
(2)泵入量的測(cè)量。泵入量是液膜非接觸式密封的一個(gè)重要指標(biāo)。可以采用流量計(jì)測(cè)量。
(3)摩擦扭矩的測(cè)量。機(jī)械密封端面摩擦扭矩的測(cè)量目前主要采用支反力法和傳遞法。支反力法是根據(jù)動(dòng)力機(jī)械在轉(zhuǎn)矩的作用下所產(chǎn)生支座反力的變化來(lái)測(cè)量扭矩的;傳遞法是根據(jù)彈性元件在傳遞扭矩時(shí)所產(chǎn)生的物理參數(shù)的變化來(lái)測(cè)量扭矩的。采用在電機(jī)與密封主軸之間安裝扭矩傳感器，傳感器將測(cè)得的信號(hào)傳遞給扭矩轉(zhuǎn)速儀，然后將扭矩儀的信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)(tōng guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，用已編寫(xiě)的機(jī)械密封測(cè)控軟件進(jìn)行信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理，便可以獲得軸扭矩。
(4)溫度的測(cè)量。機(jī)械密封端面溫度的測(cè)量方法主要有熱電阻法、熱電偶法和紅外測(cè)量法等。熱電阻法是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量的;紅外測(cè)量法是紅外色譜進(jìn)行測(cè)溫的一種方法。但由于紅外測(cè)量法具有便于多點(diǎn)測(cè)量、方便使用等優(yōu)點(diǎn)，所以紅外測(cè)量是適宜采用的一種方法。采用紅外測(cè)量法測(cè)量密封端面溫度和密封腔流體溫度。
3.雙端面機(jī)械密封的優(yōu)點(diǎn)
(1)密封效果好。凱泉泵業(yè)由此可見(jiàn)，若離心泵葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，則可連續(xù)吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚(yáng)到高處或遠(yuǎn)方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用下，將水提向高處的。利用螺旋槽可實(shí)現(xiàn)封油向介質(zhì)泵送，避免熱油向外泄漏。而密封外側(cè)接觸式密封防止了封油泄漏問(wèn)題。
(2)端面溫度低。雖然溫度比較高，但是最高溫度大約100℃，比現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中摩擦副處于350℃的情況改良很多，如果再采用背冷方式，溫度會(huì)更低。
(3)冷卻水用量少。只有在背冷時(shí)才用冷卻水，比原來(lái)現(xiàn)場(chǎng)冷卻水用量大幅度降低。
(4)端面磨損小壽命長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)后的密封動(dòng)、靜環(huán)的研究，非接觸式動(dòng)、靜環(huán)的端面幾乎沒(méi)有磨損，接觸式端面磨損比原密封端面大大減輕，且熱裂情況不會(huì)發(fā)生，使用的時(shí)長(zhǎng)大大增加。
4.工業(yè)應(yīng)用的要求
(1)雙端面機(jī)械密封之間需注入沖洗冷卻蠟(candle)油，其壓力控制0.3～0.5MPa，且最好進(jìn)行過(guò)濾。上海凱泉泵業(yè)集團(tuán)有限公司是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械。它將原動(dòng)機(jī)的 機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來(lái)輸送液體包括 水、油、酸堿液、 乳化液、懸乳液和 液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。
(2)根據(jù)高溫重油泵(Deep well pump)現(xiàn)場(chǎng)具體條件，選擇采用外沖洗冷卻輔助系統(tǒng)，冷卻蠟(candle)油的溫度控制（control)在150℃以下。
(3)密封運(yùn)行過(guò)程(guò chéng)中應(yīng)定期對(duì)外側(cè)密封溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保其溫度控制在200℃以下。
四、結(jié)論
高溫重油泵采用的接觸式波紋管（Corrugated pipe）機(jī)械密封，易發(fā)生熱油泄漏著火，不僅造成物質(zhì)損失，還可能帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患等問(wèn)題，雙端面機(jī)械密封解決了密封介質(zhì)頻繁泄漏問(wèn)題，密封效果好，使用的時(shí)長(zhǎng)長(zhǎng)，端面溫度低，有效控制了因溫度高造成的端面熱裂和環(huán)烷酸對(duì)密封件的腐化侵蝕 。除此之外，輔助系統(tǒng)(system)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻水用量少，經(jīng)濟(jì)(jīng jì)效益好，符合周期安全運(yùn)行的要求以及越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)要求，具有廣泛的工業(yè)推廣應(yīng)用價(jià)值。