高元勇，李強(qiáng)，嚴(yán)小生（江蘇揚(yáng)農(nóng)化工集團(tuán)有限公司，江蘇揚(yáng)州225009）

不銹鋼保溫泵機(jī)械密封泄漏原因分析與改進(jìn)

高元勇，李強(qiáng)，嚴(yán)小生
（江蘇揚(yáng)農(nóng)化工集團(tuán)有限公司，江蘇揚(yáng)州225009）

摘要：經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，確定不銹鋼保溫泵機(jī)械密封泄漏的原因是由密封端面比壓力過(guò)大造成靜環(huán)急劇磨損而引起的。通過(guò)將原來(lái)機(jī)械密封由非平衡型改成平衡型后，密封端面的密封性能和磨耗性能都滿足要求，使用壽命有了明顯的提高，達(dá)到了預(yù)期目的。

關(guān)鍵詞：保溫泵；機(jī)械密封；泄漏

不銹鋼保溫泵是精制對(duì)二氯苯精餾塔輸送泵，在裝置中起著關(guān)鍵作用。泵的入口壓力0.04MPa，出口壓力1.0MPa，轉(zhuǎn)速2950r/min，介質(zhì)為70～80℃對(duì)二氯苯。自投產(chǎn)以來(lái)，該泵機(jī)械密封故障頻發(fā)，經(jīng)常局部停車進(jìn)行檢修，嚴(yán)重影響裝置的正常運(yùn)行。不銹鋼保溫泵的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。該泵密封為內(nèi)流式機(jī)械密封，機(jī)械密封的壓縮量為3～5mm，在此壓縮量下彈簧的壓力為200N，泵腔內(nèi)介質(zhì)壓力為1MPa，密封摩擦副的冷卻采用內(nèi)部介質(zhì)自沖洗方式。通過(guò)多次檢修發(fā)現(xiàn)，機(jī)械密封的故障主要為泄漏，拆開后發(fā)現(xiàn)其動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的密封面都沒有破壞，也沒有劃痕，并且彈簧和各密封O型圈也完好，只是靜環(huán)的斷面磨損比較嚴(yán)重。為此，對(duì)可能產(chǎn)生泄漏的主要原因進(jìn)行如下分析。

1　摩擦副冷卻不夠?qū)е蚂o環(huán)磨損

從機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)來(lái)看，密封由自沖洗裝置實(shí)現(xiàn)密封摩擦副的冷卻。從工藝來(lái)看，介質(zhì)的溫度不高且十分干凈，泵的轉(zhuǎn)速也不高，能夠滿足其冷卻要求，因此冷卻不夠?qū)е蚂o環(huán)磨損不是主要原因。

2　機(jī)封結(jié)構(gòu)不合理使得端面比壓增大，導(dǎo)致靜環(huán)急劇磨損

由圖1可以看出，該機(jī)械密封為非平衡型，這種結(jié)構(gòu)密封的特點(diǎn)為泵腔介質(zhì)壓力對(duì)密封端面產(chǎn)生額外的壓力，雖然密封性能好，但磨損較快，為此需通過(guò)對(duì)端面比壓值的精確計(jì)算及校核密封端面的磨耗性來(lái)確定導(dǎo)致靜環(huán)磨損的原因。

2.1端面比壓力P比的計(jì)算

機(jī)械密封的關(guān)鍵部位是摩擦副的密封端面，而密封端面的工作質(zhì)量又取決于端面比壓的大小，一般用P比來(lái)表示。如果P比值太小，端面的密封性必然不好；反之，則端面的磨損速度加快，運(yùn)行壽命短。因此，P比值是衡量機(jī)械密封工作好壞的重要參數(shù)。端面比壓力P比的計(jì)算公式為：P比=P彈+（K-λ）ΔP- P阻，式中各參數(shù)計(jì)算如下：

彈簧的預(yù)緊壓力P彈=F彈/A，由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量可知：彈簧預(yù)緊力F彈=200N，密封元件的主要參數(shù)D1=62mm，D2=72mm，D0=60mm。因此P彈=F彈/3.14（D22- D12）=0.19MPa。

根據(jù)機(jī)泵操作參數(shù)其密封壓力差ΔP=1MPa。

載荷系數(shù)K是反映推力面積與端面面積之間的關(guān)系。K＞1的密封為非平衡型，0≤K≤1的稱為平衡型，K＜0稱為過(guò)平衡型。K=（D22- D02）/（D22- D12）=1.182。

反壓系數(shù)λ=λ靜+λ動(dòng)+λ汽。如果摩擦副的動(dòng)環(huán)不旋轉(zhuǎn)，只是輕輕地貼在靜環(huán)面，則端面內(nèi)的液膜壓力呈直線下降，這時(shí)液膜靜壓力系數(shù)λ靜=0.5。因動(dòng)環(huán)密封端面的平均線速度u=10.3m/s，介質(zhì)運(yùn)動(dòng)粘度η=4mPa· S，則λ動(dòng)=7.84（η/ΔP）1/3u=0.128。由于泵腔內(nèi)溫度不高，因此端面液膜不會(huì)汽化，故λ汽=0。綜上，λ=λ靜+λ動(dòng)+λ汽=0.628。

滑移面所形成的阻礙壓力P阻=F阻/A，其中F阻= （300～500）L，故P阻=0.0716 MPa。

由以上參數(shù)可計(jì)算得P比=0.671MPa，又因密封面性能的最小許用值[P比]=0.0692（ΔP /η）2/3u=0.0276 MPa，所以P比＞[P比]，故該密封端面滿足密封性能要求。

2.2密封端面的磨耗性校核

眾所周知，在機(jī)械密封各零件的加工和安裝符合規(guī)定條件下，如果P比之值滿足P比1·u＜[P比·u]，則摩擦副端面的磨損減少，運(yùn)行壽命能達(dá)一年之久。P比1為P阻=0時(shí)所得的P比值。根據(jù)上面計(jì)算值可得P比1·u=7.68 MPa·m/s。由于介質(zhì)的粘度為4mPa·S以及摩擦材料為石墨堆焊硬質(zhì)合金，查表可得[P比·u]= 4.30 MPa·m/s。

因?yàn)镻比1·u＞[P比·u]，所以該密封端面在該端面比壓力下不能滿足磨耗性的要求。

2.3計(jì)算校核結(jié)論

由上述計(jì)算分析可知，不銹鋼保溫泵密封的密封端面雖然能滿足密封性能要求，但不能滿足磨耗性的要求，故此泵機(jī)械密封泄漏的原因是因?yàn)樵撔吞?hào)（非平衡型）的密封介質(zhì)壓力產(chǎn)生的端面貼緊力引起端面比壓過(guò)大，使得靜環(huán)急劇磨損，導(dǎo)致密封的壓縮量不足而引起泄漏。

3　機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

由上可知，不銹鋼保溫泵非平衡型的介質(zhì)壓力產(chǎn)生的端面貼緊力引起端面比壓力過(guò)大而使得靜環(huán)急劇磨損，導(dǎo)致密封壓縮量不足而引起泄漏。為此，對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，更換軸套，將軸套外徑加大、內(nèi)徑不變、長(zhǎng)度減短，把機(jī)械密封改造為平衡型密封，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。改造后變動(dòng)的參數(shù)為D1=57mm，D2=77mm，D0=65mm，彈簧壓力不變，各材料不變。

根據(jù)前述詳細(xì)計(jì)算步驟可得改造后技術(shù)參數(shù)，P比=0.0626MPa，[P比]=0.0276MPa，P比＞[P比]，所以改進(jìn)后的密封端面滿足密封性能的要求。同理可計(jì)算得P比1· u=1.105 MPa.m/s，而[P比·u]不變?nèi)詾?.30 MPa.m/s，因此P比1·u＜[P比·u]，故改進(jìn)后的密封端面在端面比壓下能滿足磨耗性的要求。

4　總結(jié)

不銹鋼保溫泵機(jī)械密封泄漏的原因是密封端面比壓P比值過(guò)大造成靜環(huán)急劇磨損而引起的。通過(guò)計(jì)算并改進(jìn)，將原來(lái)非平衡型改成平衡型的機(jī)械密封，使得密封性能和磨耗性能都能滿足要求。經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行觀察，不銹鋼保溫泵機(jī)械密封的使用壽命明顯提高，減少了維修量，穩(wěn)定了裝置的連續(xù)運(yùn)行，同時(shí)也為其它同型號(hào)泵的改造提供了經(jīng)驗(yàn)，給企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

參考文獻(xiàn)

[1]王璠瑜，等編著.化工機(jī)械[M].北京：中國(guó)石化出版社，1993.

[2]陳乙崇，等編著.攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

[3]何華，王自軍，胥良輝，等.堿泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)[J].機(jī)械，2014（9）:77- 79.□

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2015.02.030

中圖分類號(hào)：TQ051.25

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008- 553X（2015）02- 0085- 02

收稿日期：2014- 12- 20

作者簡(jiǎn)介：高元勇（1973-），男，畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試等工作，15995146698，yangnonglixiang@163.com。

Leakage and Improvement of the Stainless Steel Pump Mechanical Seal

GAO Yuan-yong，Li Qiang，YAN Xiao-sheng

（Jiangsu Yangnong Chemical Group Co.，Ltd.，Yangzhou 225009，China）

Abstract:Analysis of stainless steel vacuum pump mechanical seal leakage reason，through calculation and analysis，stainless steel vacuum pump mechanical seal leakage reason is the seal face pressure caused by excessive static ring wear caused by sharp. By improving the original unbalanced type into balanced type mechanical seal，seal end face sealing performance and wear performance can meet the requirements，the service life are improved obviously.

Key words:heat pump；mechanical seal；leakage