高黏度浆液齿轮泵机械密封失效分析

王瀚伦

（大庆炼化公司化工生产二部，黑龙江大庆 163411）

0 引言

二醋酸纤维浆液黏度大，其中还有丙酮等易燃易爆物质，通常情况下都会采取齿轮泵进行高压输送。齿轮泵在实际运行过程中经常会产生脉冲振动现象，导致齿轮泵机械密封在高压、振动运行工况下非常容易出现泄漏现象。一旦二醋酸纤维浆液泄漏后会导致丙酮挥发，引发安全隐患，也会造成严重原料浪费。

1 浆液齿轮泵机械密封结构及故障分析

浆液齿轮泵的机械密封主要采取在两个固定端上直接焊接波纹管，使用碳化钨硬质合金制作动环和静环，使用O 形圈实现动环座和轴套之间的有效密封。

浆液齿轮泵在实际应用过程中必须要充分保证密封端面比压超过密封端面上输送介质的饱和蒸汽压。如果密封端面比压过大，会增加摩擦热，导致端面上的液膜蒸发，进一步加剧密封端面磨损状况。另外，齿轮泵在实际应用过程中密封端面磨损在一定程度上还会受到平衡程度的影响。通常情况下机械密封平衡程度能够保持在75%左右，而如果平衡程度小于75%，会导致磨损进一步加剧，很可能导致密封面失效，使得输送介质泄漏量增加。如果机械密封在实际运行过程中的负荷比较大，会导致其端面产生大量摩擦热，在这种情况下要将其平衡程度设置在65%～70%。进口浆液齿轮泵在实际应用过程中经常出现密封端面磨损、波纹管失效断裂、O 形圈失效等故障[1]。

2 高黏度浆液齿轮泵机械密封失效分析

机械密封在实际应用过程中制作材料耐磨性能差、摩擦系数大、端面比压大等，都会严重影响机械密封使用寿命[2]。如果齿轮泵在实际应用过程中所输送介质中含有固体颗粒，那么机械密封密封面失效的主要原因是固体颗粒导致。当摩擦副断面中进入固体颗粒后会产生研磨剂的作用，使得密封端面产生严重磨损失效。机械密封在运行过程中密封面间隙、机械密封平衡程度、端面液膜等都会导致端面打开，这是固体颗粒进入密封端面的主要原因。

2.1 波纹管失效

机械密封在运行过程中如果环境温度过高或受到过度压缩都会导致波纹管出现失弹故障。进口二醋酸纤维浆液齿轮泵波纹管主要采用316L 不锈钢材料制作，这种材料本身的弹性相对较差，而且是通过将压制波片进行焊接后制作而成，焊接完成后由于没有妥善处理，导致内部产生残余应力，波纹管如果在运行过程中受到过度压缩，会导致其外部焊接区域超过屈服强度产生塑性变形；另外，如果波纹管实际运行环境温度比较高，会导致波纹管材料在高温以及应力的共同作用下，其内部晶格产生一定变化，最终出现应力松弛[3]。如果波纹管出现较大压缩量，在高温、高压的共同作用下很容易产生永久变形现象，使得波纹管出现失弹故障。

2.2 密封面变形

高黏度浆液齿轮泵机械密封在运行过程中会出现动环密封端面不均匀磨损现象，而且在内径位置出现较大磨损量，磨痕相对较窄，严重情况下会使得密封面产生线性接触。环座材料选择不合理，或材料线性膨胀系数过大都是导致密封面变形的主要原因。

高黏度浆液齿轮机械密封的密封环和密封座主要采取镶嵌结构模式，两者之间属于过盈配合，如果在安装过程中设置了过大过盈量，会导致密封环在挤压应力较大情况下出现变形甚至断裂现象；如果在安装过程中设置的过盈量过小，会导致在高温工况环境下，出现密封封托现象。进口二醋酸纤维浆液齿轮泵主要使用316L 不锈钢材料制作环座，与普通浸渍聚四氟乙烯树脂材料相比，该材料线性膨胀系数要大很多，其环座与密封环之间配合安装过程中过盈量设置为0.25 mm，在正常工况温度下，密封环与环座之间配合面的涨缩不能够实现同步。在过盈量产生变化情况下，两者之间的接触应力也会相应产生变化，这样就会导致密封面变形。

2.3 波纹管断裂的主要原因

机械密封在运用过程中如果出现过度拉伸或扭曲等现象，会产生疲劳损坏。如果浆液齿轮泵与电机的连接轴安装过程中出现不对中、泵轴弯曲、轴向窜动过大现象[4]，会导致齿轮泵产生剧烈振动；动环与静环之间出现偏心现象；浆液齿轮泵在运行过程中如果机械密封与波纹管产生共振现象，会导致波纹管焊接位置出现破坏失效现象。

2.4 O 形密封圈失效

机械密封的转动轴与O 形密封圈之间为线接触形式，接触面相对较窄。当浆液齿轮泵运行过程中处在振动状态下，转动轴与O形密封圈的接触面之间会窜入浆液，最终形成浆皮，使得O 形密封圈出现严重磨损。与此同时，由于大部分输送浆液本身具有一定腐蚀性，例如，该齿轮泵输送的二醋酸纤维浆液中含有大量丙酮，会对O 形密封圈产生严重腐蚀，严重影响O 形密封圈使用寿命。

3 高黏度浆液齿轮泵机械密封失效改进措施

3.1 改进机械密封结构

浆液齿轮泵静环座上设置一个水槽和水咀接头，通过防转销来阻止静环产生转动。安装过程中可以将静环与静环座之间采取过渡配合方式，并在槽底预留膨胀间隙，以此来有效避免静环在热胀冷缩中出现损坏现象。动环与动环座之间主要采取过盈配合方式，利用石墨填料起到润滑作用。

动环和静环安装过程中要保证其与转动轴线处于垂直状态，而且要保证两者之间的接触表面光洁平整，并实现良好结合，同时还要施加合理的压紧力，压紧力的设置可以结合波纹管的压缩量来进行。

3.2 改进方式

动环和静环可以通过浸渍聚四氟乙烯树脂材料来制作，这种材料本身带有润滑作用。在波纹管上面设置导向套，导向套上面要相应设置密封槽，充分利用石墨填料环来有效避免机械密封在运行过程中动环内部窜入浆液，保障波纹管能够始终保持良好伸缩性能，同时也能够让动环和静环之间实现紧密贴合。使得机械密封运行过程中动环和静环之间能够始终保持良好的液体薄膜，以此发挥良好密封效果。

密封材料通常情况下会通过pv 值表示其工作性能，并利用[pv]表示其工作允许范围。如果浆液齿轮泵机械密封运行过程中pv 值不断升高，运行环境温度逐渐升高，就会导致摩擦面出现严重磨损，使得密封材料工作性能下降。由于渍聚四氟乙烯树脂材料润滑性和耐磨性均较强，波纹管会在静环上形成一个预压紧力，使得没有油润滑情况下静环的pv 值相对较低，在此情形下能有效提升机械密封使用寿命[5]。

3.3 改进效果分析

经过改进后，浆液齿轮泵在实际运行过程中可以为静环座提供冷却水，对静环座形成良好冷却作用。通过导向套能够对波纹管的轴向移动形成良好引导，能够始终在静环表面形成一定弹性压力。使得浆液齿轮泵在高压、振动工况下，静环和动环密封影响得到有效控制。

静环座与静环采取过渡配合形式，通过防转销对静环的转动进行有效抑制；波纹管与动环套以及导向套采取固接结构，动环组件是在转动轴上进行固定。这种情况下就能够让静环与动环的接触面始终保持良好贴合，完全实现动态补偿密封效果。由于采取石墨填料环，使得导向套的密封槽中不容易窜入浆液，充分保障了波纹管能够保持良好伸缩性能。有效避免了浆液齿轮泵在运行过程中经常出现脉冲振动现象，很好解决了高黏度浆液泵在高压、振动运行工况下产生泄漏的问题。

4 结束语

高黏度浆液齿轮泵机械密封在运行过程中经常出现密封失效现象，分析齿轮泵机械密封失效原因后，进一步改进机械密封，很好解决了机械密封在运行过程中出现脉冲振动现象，有效避免了高黏度浆液齿轮泵在高压、振动情况下出现泄漏。