亓東民，趙 娜

（1.石油化工管理干部學(xué)院，北京 100012；2.中石化北京燕山分公司，北京 102500）

1 前言

當(dāng)前焊接金屬波紋管機械密封已被廣泛應(yīng)用在各個行業(yè)中，人們對其使用性能的關(guān)注度也與日俱增。雖然在整臺機器設(shè)備中，機械密封并不是很大的工作元件，但其對整臺機器設(shè)備、整套裝置，甚至對整個工廠的影響卻是很巨大的，特別在石油石化企業(yè)中，流體介質(zhì)大多數(shù)具有腐蝕性、可燃性、易爆性和毒性，一旦密封失效，介質(zhì)外漏，不僅污染環(huán)境、影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且往往會導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸和人身傷亡等重大事故。

2 焊接金屬波紋管機械密封的組成

目前，在石油石化煉油廠使用的高溫介質(zhì)泵中，普通的彈簧機械密封已被焊接波紋管機械密封廣泛替代。另外，金屬波紋管機械密封也被大量地使用在輸送液化天然氣、液氧、液氮等低溫介質(zhì)的泵中。

焊接金屬波紋管機械密封是各種機械密封結(jié)構(gòu)中較為先進的一種接觸型機械密封裝置，金屬波紋管機械密封的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖l 焊接金屬波紋管機械密封基本結(jié)構(gòu)

焊接金屬波紋管機械密封與傳統(tǒng)的彈簧機械密封相比具有三大特點：（1）以焊接金屬波紋管替代彈簧作為彈性元件。由于波紋管具有輔助密封的作用，因此減少了密封裝置的零件數(shù)，使機械密封整體結(jié)構(gòu)更加簡單。（2）通過選擇和處理金屬波紋管材料，讓波紋管的剛度可以調(diào)節(jié)，使波紋管的彈力更趨穩(wěn)定。（3）金屬波紋管具有良好的軸向隨動性和傾斜方向的浮動性，摩擦副能更可靠地貼合，使密封性能大大提高。

3 機械密封故障情況及其失效分析

3.1 故障情況分析

從實際使用情況結(jié)果看，盡管焊接金屬波紋管機械密封具有很多優(yōu)點，并且得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于其使用的溫度、壓力、介質(zhì)、沖洗方式等參數(shù)的不同，加之國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定以及用戶安裝使用的水平不同，導(dǎo)致焊接金屬波紋管機械密封在使用過程中還存在著許多問題，這些問題常常會造成密封的不穩(wěn)定和使用壽命的縮短。密封失效通常表現(xiàn)為異常泄漏、異常磨損、異常聲音、異常振動及異常扭曲等［1］。

某煉油廠加氫裂化裝置塔底油泵采用的是金屬波紋管機械密封，該機泵機械密封采用PLAN21帶冷卻器的自沖洗方案。機械密封剛投用時情況良好，但隨著運行時間的延長，機械密封從開始冒煙，而后轉(zhuǎn)而滴漏，通過檢修更換新的密封，使用不久又開始滴漏。如此反復(fù)檢修，給裝置運行帶來了極大的隱患。該泵具體工作參數(shù)見表1。

通過檢修解體發(fā)現(xiàn)泄漏機械密封的動、環(huán)接觸表面磨損比較嚴(yán)重，有明顯的變形，用光學(xué)平晶觀察，其干涉條紋也是多條彎曲的、不合格的干涉條紋；通過仔細(xì)查看發(fā)現(xiàn)機械密封的動、環(huán)組件內(nèi)表面粘著一層較厚的固體碳化物（如圖2所示），而且黑色的固體碳化物布滿了從動環(huán)座到波紋管的整個動環(huán)組件內(nèi)表面，特別是波紋管上的碳化物，已經(jīng)完全占據(jù)了波紋管內(nèi)波峰和波谷的整個壓縮空間（如圖3所示）。

圖2 動環(huán)組件內(nèi)表面積碳情況

波紋管作為機械密封唯一的補償機構(gòu)，幾乎不能被壓縮，補償性能基本喪失，機械密封在工作狀態(tài)時，不能實現(xiàn)自由補償，動、靜環(huán)也就不能實現(xiàn)良好的貼合，起不到密封的效果，進而出現(xiàn)了泄漏。

圖3 波紋管內(nèi)的固體碳化物

固體碳化物是由于動、靜摩擦副端面摩擦產(chǎn)生大量的熱，加之介質(zhì)本身溫度比較高且密封沖洗冷卻不足，致使介質(zhì)在密封端面碳化所致。積碳情況的產(chǎn)生不僅嚴(yán)重影響了波紋管的補償性能，而且，固體碳化顆粒很容易進入高速旋轉(zhuǎn)的摩擦副端面，使密封面造成嚴(yán)重磨損、變形；此外，由于摩擦導(dǎo)致密封端面液體溫度超過其沸點時，流體沸騰會產(chǎn)生噪音和振動，更加劇了磨損和泄漏的發(fā)生，致使機械密封壽命降低。所以，要根本解決機械密封頻繁泄漏的問題，必須要抑制住積碳情況的發(fā)生。

3.2 失效分析

導(dǎo)致機械密封密封端面變形的一個重要因素就是摩擦副端面內(nèi)、外側(cè)的壓差。變形的方式有2種：機械變形和熱變形，目前被普遍認(rèn)同的端面變形形狀為錐形［2］。密封端面錐形變形一旦產(chǎn)生，將導(dǎo)致密封端面局部應(yīng)力集中，以致局部過度磨損和高溫，影響整個密封端面的密封性能，導(dǎo)致泄漏量增加。密封斷面的變形如圖4所示。

圖4 密封端面的變形形式

需要系統(tǒng)地研究機械密封泄漏的根本原因，減小錐形變形的發(fā)生，首先要從研究機械密封密封端面的溫度場開始。因此，本文借助ANSYS軟件的前處理程序，選擇溫度作為反饋參量來研究機械密封的控制策略，通過建立密封端面溫度場的有限元分析模型［3～8］，對機械密封端面溫度及應(yīng)力場進行分析。

3.2.1 溫度場的計算與分析

通過密封端面溫度場的有限元分析模型，把溫度數(shù)據(jù)作為基本數(shù)據(jù)的節(jié)點。由于建立的是穩(wěn)態(tài)的溫度場模型，故分析結(jié)果如圖5所示。從圖中看到，顏色的不同代表等值溫度區(qū)不同的溫度；密封端面內(nèi)徑處散熱不好，溫度變化明顯且溫度最高；密封端面外端面散熱情況好，溫度變化不明顯且溫度最低。

圖5 密封環(huán)溫度場云圖

3.2.2 熱應(yīng)力分析

通過建立密封端面應(yīng)力場的有限元分析模型，對密封環(huán)的徑向應(yīng)力、軸向應(yīng)力、周向應(yīng)力、等效應(yīng)力進行分析。應(yīng)力場云圖如圖6所示。

圖6 密封環(huán)的應(yīng)力場云圖

對以上云圖進行分析：從靜環(huán)密封端面的應(yīng)力分量的分布情況看，由于靜環(huán)端面在接觸區(qū)域產(chǎn)生一定的繞曲變形，故徑向應(yīng)力分量波動較大；且軸向和周向的壓應(yīng)力較高與接觸壓力值相當(dāng)；由于在接觸區(qū)域內(nèi)軸向、周向應(yīng)力分量與徑向應(yīng)力分量相差較大，因此，最大綜合應(yīng)力與最大接觸壓力位置一致，且應(yīng)力強度高；而在密封端面中部，軸向、周向應(yīng)力分量與徑向應(yīng)力分量相差很小，故綜合應(yīng)力和應(yīng)力強度都很小。

根據(jù)溫度場模型及應(yīng)力場模型可知，密封端面的內(nèi)徑處溫度最高且溫度變化也最明顯，也最容易出現(xiàn)熱變形；同時最大的應(yīng)力出現(xiàn)在端面外徑臺階附近，主要是由于該處溫度變化較明顯，溫度梯度較大所導(dǎo)致；而且密封環(huán)內(nèi)溫度隨軸向尺寸的增加而減小，靠近端面處軸向溫度梯度較大，遠(yuǎn)離端面的軸向溫度梯度較?。痪C上分析，密封端面內(nèi)徑處，由于摩擦局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，以致局部過度磨損和高溫，從而導(dǎo)致密封端面發(fā)生錐形變形，最終導(dǎo)致密封失效，這與前面的實例內(nèi)徑處大量積碳相吻合。

4 密封改進措施及效果

綜合以上分析，為了保證機械密封長期有效的運行，結(jié)合裝置現(xiàn)場實際工作情況，提出改進措施：

（1）在設(shè)計機械密封時應(yīng)設(shè)法控制變形，建議在距密封端面一段距離開一圈應(yīng)力槽，以降低應(yīng)力集中。

（2）為減少摩擦熱的產(chǎn)生，應(yīng)將摩擦副適當(dāng)變窄，建議選擇彈性模量大，熱膨脹系數(shù)小而導(dǎo)熱系數(shù)高的材料來減小熱變形。

（3）建議增加一套外部沖洗系統(tǒng)，適當(dāng)加大沖洗量，改變自沖洗方式為外部沖洗PLAN32方案，從而盡量降低密封端面溫度，避免由于密封端面溫度太高，而導(dǎo)致摩擦副端面磨損、變形。

（4）建議將單端面機械密封升級替換成雙端面機械密封，且外沖洗為PLAN53A的沖洗方案，從而保證密封介質(zhì)不外漏，保證裝置安全。

5 結(jié)語

在高溫高熱金屬波紋管機械密封裝置中，端面摩擦副（動、靜環(huán)）接觸面上的摩擦熱容易造成干摩擦或產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而使密封環(huán)內(nèi)產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力出現(xiàn)端面結(jié)焦或熱裂紋，致使機械密封使用壽命降低。本文結(jié)合具體實例介紹了金屬波紋管機械密封的結(jié)構(gòu)原理，并對金屬波紋管機械密封端面溫度及應(yīng)力場進行了模擬分析研究，找到了密封失效的原因，提出了密封改進措施和方法，對于同類型機械密封設(shè)計和制造及其應(yīng)用具有理論指導(dǎo)和現(xiàn)實意義。

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