許立太，宋 楊，許鵬星

(1.蘭州石化職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730060;2.蘭州石化公司 設備維修公司，甘肅 蘭州 730060)

1 機封泄漏現(xiàn)象概述

P304/2是300萬噸/年催化裂化裝置冷油泵房的重要裝置之一，它主要負責將C304底部的汽油補充吸收到C301。其工藝條件:該泵入口壓力為0.89 MPa，工藝壓力為2.4 MPa，出口壓力2.5 MPa，流量為208.35 m3/h，輸送介質為穩(wěn)定汽油，工作溫度為40℃，轉數(shù)為2950 r/min。

2012年11月P304/2按計劃大修處理，同時按照原始記錄上的機封90B-65ZE換取機封，組裝好試車時打開管道入口閥門時機封沒有泄漏。當啟動電機試車時便開始滲漏，只能將機封拆卸下來重新檢查，發(fā)現(xiàn)機封端面有一道細小的裂紋，認為這是造成這次滲漏的主要原因。于是更換一套新的機封，并對其端面進行了仔細的檢查，確認無誤后開始組裝，隨著第二套機封的安裝，試車時機封仍泄漏，但這次拆卸下來的機封完好無損并沒有缺陷，連續(xù)多次的更換機封，但都達不到理想的效果。由于汽油為易揮發(fā)介質，極易氣化并產(chǎn)生相變，汽油泵機械密封的冷卻系統(tǒng)在結垢或堵塞時，由于端面摩擦產(chǎn)生的熱量使介質飽和蒸汽壓上升，當密封的工作壓力低于介質的飽和蒸汽壓時，端面液膜發(fā)生閃蒸爆裂，喪失潤滑，造成端面干摩擦，從而發(fā)生泄漏。汽油比較難封，故對泵304的機封前后更換了多次，但是效果甚微。

2 泄漏原因分析

P304/2機封泄漏的原因是多方面的:

(1)冷卻沖洗不良，在機械密封冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)結垢或阻塞時，由于端面摩擦及旋轉元件攪拌液體產(chǎn)生熱量而使介質的飽和蒸汽壓上升，造成介質壓力低于其飽和蒸汽壓的狀況，端面液膜發(fā)生閃蒸爆裂，喪失潤滑，造成端面干摩擦，從而發(fā)生泄漏。

(2)動、靜環(huán)的壓縮量設定不當，壓縮量過大會使機封端面磨損嚴重，容易發(fā)生泄漏，而壓縮量過小又會達不到密封效果。

(3)動、靜環(huán)端面與軸中心線垂直度偏差過大，會加劇動靜環(huán)的磨損。

(4)密封圈過大或過小，太軟或太硬，耐蝕、耐溫性能不好，會發(fā)生變形和老化，或者密封圈存在缺陷，也會發(fā)生泄漏。

(5)設計選型有誤，密封端面比壓偏低或密封材質冷縮性較大等。

通過多次的安裝與調(diào)試，疏通冷卻沖洗水線，調(diào)整機封壓縮量，找正等方法都未能解決P304/2機封泄漏現(xiàn)象。造成泄漏的原因有可能是第五種，設計選型有誤，密封端面比壓偏低或密封材質冷縮性較大等，但又由于機封90B-65ZE的端面材料是石墨與碳化鎢，在其它的同介質泵中都有良好的密封效果，因而密封端面比壓低很有可能就是造成泄漏的原因。

3 解決方法

由于90B-65ZE機封多次安裝未能達到使用要求，而DTM70B-1又是臺帳上所記錄的備用機封之一，且具有較大的壓縮范圍，所以下面根據(jù)P304/2的實際情況對DTM70B-1進行設計計算。

3.1 選 材

通過查詢工藝條件，選取與之相匹配的動靜環(huán)材料，工藝條件查找主要零部件的材料，如表1所列［1］。

表1 常用機械密封主要零件材料

根據(jù)表1，由已知P304/2被密封的介質為粗汽油，溫度為40℃，為此，其旋轉環(huán)可選石墨，相應的靜止環(huán)材料選碳化鎢。

3.2 平衡系數(shù)與載荷系數(shù)的確定［2］

機械密封的載荷系數(shù)K是在摩擦副軸向力平衡條件下，各軸向力與密封上最大介質壓力的比值，它反映了各種軸向力作用的大小。

式中:d1、d2分別為密封面內(nèi)直徑與外直徑;dB為平衡直徑。

平衡系數(shù)β同樣反應各種軸向力的大小，正常情況下，平衡系數(shù)β不能超過0.5，否則機封就會失效。一般β值為(0.15～0.45)，β用公式表示為β=1-K。平衡系數(shù)β選用遵照以下原則:①平衡系數(shù)越大，則由介質引起的端面比壓越小，雖然磨損小但容易泄漏，反之系數(shù)越小則端面比壓越大，加劇了磨損。②介質粘度越小，適用β越大。③介質粘度越大，適用β越小。根據(jù)以上討論，選取P304/2的β=0.4，則K=0.6。

3.3 密封環(huán)的主要尺寸

(1)靜環(huán)尺寸的確定 靜環(huán)端面寬度b1與端面內(nèi)經(jīng)d1和外徑d2，端面凸臺h，密封環(huán)與軸面配合間隙e均是密封環(huán)的主要尺寸。在強度，剛度允許的前提下，端面寬度b1應盡量取較小值，過大則冷卻、潤滑效果不好，但也不能過?。?］。一般靜環(huán)端面b1的寬度選取如表2所列。根據(jù)表2，再結合P304/2的軸徑為60 mm確定機封靜環(huán)寬度b=4 mm。

表2 窄環(huán)端面寬度b

(2)動環(huán)端面寬度的確定 一般來說，動環(huán)端面寬度要比靜環(huán)b1大1～3 mm，在本次設計中，選取動環(huán)端面寬度b2=6 mm。

(3)端面凸臺高度h 端面凸臺高度一般取2～3 mm，石墨等可取3 mm，考慮到強度與耐磨性，取h=3 mm。

(4)端面內(nèi)經(jīng)d1和外徑d2根據(jù)已知載荷系數(shù)K，端面寬度b及平衡直徑db，可算出端面內(nèi)經(jīng)d1:

端面外徑:d2=d1+2b=75.8(mm)

3.4 密封環(huán)與軸的端面間隙

對于密封環(huán)與軸的配合間隙，旋轉環(huán)與靜止環(huán)取值不同。旋轉環(huán)雖然與軸無相對運動，但為保證具有一定的浮動性以補償軸與靜止環(huán)的偏斜和軸振動等影響，取直徑間隙e1=0.5～1 mm。對于靜止環(huán)，因為它與軸有相對運動，其間隙應稍大，取直徑間隙e2=1～2 mm。設計中選e1=0.8 mm，e2=1.5 mm。

3.5 輔助密封圈與彈性元件的選取

輔助密封圈有O形，V形及柔性石墨等。其中以橡膠O形圈最為常見，且結構簡單，拆裝方便，有自封作用，動摩擦阻力小、耐壓力、溫度變化范圍大。所以此次設計選用橡膠O形密封圈。O形密封圈安裝后的壓縮量應該適當，普通橡膠O形圈壓縮量取截面直徑的5%～10%，對軸的過盈量為1%～3%，如表3所列。根據(jù)表3，再結合P304/2的軸徑為60 mm的實際情況，取d2=φ5.2 mm。

表3 橡膠O形圈尺寸及壓縮率推薦表

機械密封中彈性元件的主要作用是對密封端面產(chǎn)生一定的預緊壓力，使端面在啟動，停車或介質壓力波動時能保持良好的結合。同時用來克服輔助密封圈與軸之間的摩擦力，使補償環(huán)沿軸向移動，以補償端面磨損后形成的間隙，此外，還可對軸的跳動等引起的振動起一定的緩沖作用。本次機封設計中選擇內(nèi)裝式圓柱螺旋壓縮彈簧的小彈簧，采用八根均布的方式排列。為了取得較大的彈簧比壓，選取材料為1Cr18Ni9的小彈簧的單個設計壓力位55 N，小彈簧的其它各種幾何尺寸均符合機封的要求。

根據(jù)P304/2對端面材料的選取和摩擦副端面內(nèi)外徑的計算，以及輔助密封圈與彈性元件的選取，可以發(fā)現(xiàn)DTM70B-1基本滿足P304/2的使用要求。

4 前后兩套機封的性能對比

PV值是用來描述密封面的工作情況的，摩擦副承受的摩擦力有兩部分，一部分是處于端面間的液壓力造成的液體摩擦力，另一部分是有摩擦副的接觸面造成的摩擦力，與端面比壓有關。

4.1 計算端面比壓為P g

機械密封的端面比壓是決定密封性能和密封壽命的重要參數(shù)。機械密封的運轉實踐證明，維持端面間適宜的液膜。使摩擦副在液體摩擦狀態(tài)下工作是保障機械密封可靠運行及延長使用壽命的重要環(huán)節(jié)。端面比壓過大，端面間液膜無法形成會造成摩擦面發(fā)熱，磨損加劇和摩擦功率增加。端面比壓過小，易于泄漏，而當端面比壓小于端面間的液膜壓力時，密封端面將會被推開，使密封失效［4］。因此，正確計算與分析機封端面比壓對于密封的操作與設計十分重要。

(1)首先計算90B-65ZE機封:

式中:Ps為彈簧比壓，MPa;λ為機械密封流體膜反壓系數(shù)，可近似取λ≈0.5;P為介質壓力，是密封腔處的介質壓力。P=0.7 P2;P2為泵出口壓力，2.5 MPa;K為平衡系數(shù)，K=0.6。

對于內(nèi)流式結構，常用范圍是0.15～0.25 MPa，金屬波紋管機封90B-65ZE，選取Ps=0.2 MPa。

(2)而后使用的改進DTM70B-1機封:

式中:λ為機械密封流體膜反壓系數(shù)，可以近似的取λ≈0.5;P為介質壓力，是密封腔處的介質壓力。P=0.7 P2;P2為泵出口壓力，2.5 MPa;K為平衡系數(shù)，K=0.6;其K，λ，P值兩者都一樣，關鍵在于Ps值不同，由于P304/2以前使用的機封90B-65ZE可能是由于比壓不夠而造成泄漏，在選型時，應選擇較大的彈簧比壓來增大機封的端面比壓。由于DTM70B-1采用八根彈簧，其單個設計壓力為55 N可得出:

4.2 P g V值的計算

端面壓力Pg與密封端面平均滑動速度V的乘積表示PgV值，是機械密封實際工作時的性能參數(shù)。因為摩擦功率與摩擦熱量均與PgV成正比。隨著PgV值的升高，當摩擦面溫度達到某一值時，會引起液膜的強烈蒸發(fā)，或使邊界膜失向(破壞了極性分子的定向排列)而造成吸附膜脫吸，導致摩擦副兩個表面直接接觸產(chǎn)生劇烈磨損。所以PgV值是反映密封摩擦副的工作能力，也是評定摩擦副材料磨損性和耐熱性的重要指標［5］，常用摩擦副材料的值如表4所列。

表4 常用摩擦副材料的［P g V］值

表4看出碳化鎢，石墨的［PgV］值為90 MPa·m/s。為使機封安全投用，一般情況下，其實際PgV不得超出(0.2～0.25)［PgV］。由于泵的轉速為2 950 r/min，所以對于機封DTM70B-1的密封面平均周速V為:

式中:n為轉速，49 r/s

可以計算出V=49×0.0717π/2=11.047(m/s)

對于90B-65ZE

符合使用要求。

5 結論

(1)依據(jù)摩擦副尺寸計算改進前后的機械密封的計算端面比壓分別為0.375 MPa和0.534 3 MPa，改進前的機封比壓屬于正常范疇(0.3～0.7 MPa)偏小。有可能產(chǎn)生泄漏，而改進后的機封端面比壓為0.534 3 MPa，大于改進前的，安裝后試車投運，機封不再泄漏，效果良好。

(2)機械密封選型不當造成動靜環(huán)磨損，發(fā)生泄漏，結合P304/2與密封介質的特點，對泵的機封進行選型設計，新選型的機封結構能滿足設備使用要求，可實現(xiàn)密封介質的零泄漏，延長該泵的使用周期，自投運到現(xiàn)在，效果良好。

［1］ 徐 灝.密封［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005.

［2］ 陳國定.機械設計基礎［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［3］ 王金剛.石化裝備流體密封技術［M］.北京:中國石化出版社，2007.

［4］ 龔天宏.現(xiàn)場解決機械密封泄漏的方法［J］.石油化工設備技術，2001(2):62-64.

［5］ 孫秀麗.離心泵機械密封泄漏原因分析及處理方法［J］.化學工程師，2008(3):45-47.