高温油泵机械密封失效分析与对策

矫健

摘要：高温油泵机械密封问题是长期困扰机械行业的一个问题。因工作环境温度高、压力大、介质粘度大且催化剂含有固体颗粒，在长期的工作下密封面会产生磨损或松脱，致使密封圈失效。作为机械热工工艺中的核心设备，高温油泵机械密封失效将严重影响机械热工生产的安全。基于高温油泵机械密封的重要性，本文主要探讨了高温油泵机械密封结构，分析了密封面失效的主要原因，从材质、制造工艺、密封结构、系统四个方面探讨了高温油泵机械密封失效改进的对策。旨在为机械热工生产工艺中高温油泵机械密封安全提供一些参考。

关键词：高温油泵机械;密封面;密封失效;结构;磨损

中图分类号：TE964                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0075-02

0  引言

机械业是一个非常重要的基础产业，使用机械热工生产技术可以生产出品类繁多，应用及其广泛的机械毛坯、半成品，它在现代工业中占据着非常重要的地位，是国民经济发展的基础产业。高温油泵是机械热工生产中的专用泵，它常用于机械热工中的焦化工艺、熔化工艺、减压蒸馏工艺等中，主要承担着传输的功能。生产工艺均需要高温高压的环境，因此对机械设备的密封性能要求极高。高温油泵机械作为机械热工的核心设备，设备密封性能一旦失效将直接引发火灾、爆炸等安全事件，威胁着生产的安全。研究高温油泵机械密封失效的原因及对策对于提高机械生产的安全有着重要的意义。

1  高温油泵机械密封结构

高温油泵机械的密封结构有弹簧式机械密封和焊接金属波纹管机械密封两种，不同机械密封选择的材料及处理工艺不同，对应用工况的适应性也存在差异性。机械密封的基本结构由传统件、防传件、辅助密封系统、弹性元件、摩擦副等组成。传动件包括键、销、螺钉、弹簧盒等元件。防传件主要元件之防传销。辅助密封系统主要包括柔性石墨圈、聚四氟乙烯圈、V圈、O圈等元件。弹性元件包括波纹管、碟簧、弹簧等元件。摩擦副主要指动环、静环元件。以上这些元件的质量及性能都会影响机械密封结构的密封性能。

当元件结构磨损严重时，就会导致密封面密封失效。传动件主要负责将轴的转矩传递给东环，传动件元件在主机运动过程中发生的磨损较大，一般建议选择耐磨、耐蚀的材料。防传件主要的作用是固紧、盛装及定位东环与静环的作用，需要有较好的弹性性能，来确保摩擦副使用处于正确的位置。辅助密封系统主要起密封东环、静环的作用，同时还有辅助浮动和缓冲的作用。当动静环失效时，密封面的密封性必然松脱而失效，因此要求辅助密封的材料不仅要和介质有较好的相容性、耐腐蚀性，还要具备耐寒、耐热的性能，防治主机长期在复杂工况下运行而发生变形。弹性元件主要起预报紧、补偿、缓冲的作用，依靠弹簧的弹性辅助主动件的摩擦和东环的惯性，才能维持密封副紧密的贴合性。建议采用耐疲劳、耐腐蚀的材料。

1.1 弹簧式机械密封

弹簧式机械密封结构的金属元件选用耐热合金，密封面的材料选择耐高温的四氟，密封底座还设计有低膨胀的合金材料作为密封环座的垫圈。法兰侧设计有急冷机构，用于密封失效时利用急冷对高温流体进行冷却。密封结构中采用较多的弹簧结构作为弹性元件。这种结构可适应的工况≦200℃。由于金属弹簧在高温环境下易发生碳化问题，因此长期的高温环境可能导致弹性结构失去弹性，影响高温密封结构的综合密封性能。

1.2 焊接金属波纹管机械密封

焊接金属波纹管机械密封的密封管采用金属波纹管的設计，金属材质的介质输送管道耐高温性能更加突出。金属波纹管道的连接采用焊接工艺，密封结构上又增加了金属材质弹性补偿元件。弹性补偿元件结构为波片组合，与弹簧类似，但手里更加均匀，弹性指数更好且不易失弹。金属管的焊接部位为主要的薄弱环节。金属管作为密封结构的组成部分，管道一旦失效，同样会导致截肢渗漏。机械的密封面采用铝合金或柔性石墨材料作为垫片，具有较好的耐高温性能。

2  高温油泵机械密封失效的原因

2.1 密封材质原因

高温油泵机械密封结构对元件的材料要求极高，要求能够耐高温、耐磨损、弹性指数好且稳定，膨胀系统差较小。弹簧式机械密封结构的弹簧材料在高温高压环境下易发生弹簧失效，焊接金属波纹管机械密封结构的波纹管选欧阳的普通耐高温合金在超高温环境下也会发生弹力失效的问题。金属垫片在高温环境下，受力较大易发生磨损，导致垫片失效，而耐高温的胶圈在高温、受力不均环境下易发生松动或变形，甚至是脱落，从而影响密封面的密封效果。

2.2 元件加工工艺原因

焊接金属波纹管机械密封结构的密封性受管材热处理工艺及焊接工艺的影响较为明显。焊接管道的焊缝特处理工艺不佳，波纹管的组件在高温、受力较大的情况下会发生扭断，这也是导致负压环境下柔弱部位发生介质渗漏的原因之一。

2.3 系统故障问题

高温油泵机械系统的主机在运行期间受压力波动、介质供给波动、冲洗工艺短暂失效、冷却水结垢、轴承失效等故障的影响，会导致密封面长期受较大的摩擦力，同时受高温和抽空影响，导致晃动密封圈发生松脱、翻边等问题的出现，从而影响高温油泵机械的密封性能。

如图1所示，密封冲洗系统存在问题及密封腔温度过高是造成机械密封频繁失效的主要原因。原设计的机械密封外冲洗系统是自该泵出口引出的水经过冷却器后，流入密封腔对机封端面进行冲洗。但经计算，冲洗液压差密封冲洗系统实际为外冲洗。

2.4 密封结构设计问题

高温油泵机械密封结构的设计直接影响着主机的运行性能。当结构设计与实际工况适应性较差时，主机运行期间易发生周期性的停顿，或存在切换异常、工作负压等问题。长期运行异常加剧了密封结构的失效。

3  解决高温油泵机械密封失效的对策

3.1 选择耐性较好的材料

高温油泵机械在不同的工艺中的工况环境不同，因而对密封结构的性能要求不同。在设计高温油泵机械密封结构时，应根据主机设备运行的工况选择材料。选择材料考虑的属性包括耐高温性、耐腐蚀性、耐磨损性。在材料选择上，处于长期的市场竞争考虑，务必选择复合行业标准规定的材料。有特殊需求的主机密封机构金属合金可选择C-276、合金718，切记以次充好。

3.2 优化元件及材料处理工艺

要提高高温油泵机械密封结构的密封效果，首先要对材料热处理工艺进行优化，增强高温油泵机械密封结构元件的耐高温、耐腐蚀、耐磨损性能。特别是在制造焊接金属波纹管及补偿元件时，需要经过多次测试最终选择对金属材料耐高温属性提高较为明显的热处理工艺，确保密封结构在长期高温工况环境下能够保持较为稳定的弹性性能。热处理后加强对波纹金属管质量的检查，剔除表面存在裂纹或质量有明显薄弱环节的金属波纹管。

3.3 优化系统设计

系统故障是造成高温油泵机械密封失效的外部原因，因此需要通过优化系统设计来稳定系统运行的状态，提高系统运行的流畅性。对系统的轴承、冲洗结构进行优化，将串联的设计更改为面对面式的设计，在系统中直接接入外来冲洗接口，同时设计高温油泵机械密封辅助系统。相当于为主机增加了一套循环冲洗系统，在发生紧急泄漏时，系统可根据泄漏的介质属性选择冲洗液，摒弃单一的水来冲洗的方案，防止了冲洗过程中汽化、结晶问题的产生，促进系统排渣、节流、抗温、抗压、润滑，有助于改善机械密封的工作环境。这对于降低介质汽化引发的爆炸事件有着重要的意义。

3.4 优化结构设计

对高温油泵机械密封结构进行设计时，尽可能的选择双端面的密封结构。单端面的机械密封结构只有一对摩擦副，耐摩擦性能较差，易发生变形或松动，因而易发生泄漏问题。双端面的密封设计采用两套密封结构，分别是一套主密封结构，一套外端的辅助密封结构，具有双重保护作用，增加了密封结构的稳定性，同时增加了摩擦副，耐磨损性能增强，在负压或高压波动环境下发生有更强的抗变形和抗松动性能。即便是在内端密封结构失效后，外端的密封结构仍旧可以起到保护作用，防治油类介质、有毒介质等泄漏，确保主机运行的安全。

4  结语

高温油泵机械内部结构复杂，在机械热工生产工艺系统中的运行工况更加复杂。高温油泵机械运行要受高温、高压及其他特殊环境的影响，增加了高温油泵机械运行的危险系数。高温油泵机械内部的油类介质一旦突破机械密封结构的薄弱环节渗出或发生泄漏，在高温高压环境下极易引燃或引爆，将酿成不可挽回的后果。根据高温油泵机械密封结构的分析，增强密封结构的安全性和密封性能，可以從选用耐磨损的材质、优化密封结构及机械系统，优化金属管道的热处理工艺等多个方面入手，增强密封结构连接缝及密封面的可靠性，加强高温油泵机械密封结构的薄弱环节，尽可能的延长高温油泵机械元件及机械本身的使用寿命，加强设备维护及检修，从而有效的确保高温油泵机械在长期的高温高压环境运行下的安全性。

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