机械密封在液态气体中的工作寿命

陈勇

（成都仕伦密封有限责任公司，四川成都 610500）

引言

低温机械密封，泛指输送液氧、液氮、液氩、LNG和温度低于-80℃液态碳氢化合物的离心泵中使用的接触型机械密封，其使用工作温度最低为-196℃。迄今为止，这类机械密封国内尚无国家标准，也无国际标准可借鉴。但社会生产实践中，此类产品已广泛用于航天、空分、能源、冶金、制药、电子、玻璃等产业输送液态气体的离心泵中。

低温机械密封有关研发和实践经验的论述，在国内期刊和网络上的交流凤毛麟角，殊难一见。

接触型低温机械密封的工作寿命有多长？工作寿命的决定因素是什么？如何正确使用可以让低温机械密封寿终正寝？这是下文要研究的内容。

1 国内外有关研究情况

图1、图2为网络上搜索所获国外著名机械密封制造商对工作于液态气体介质中的低温接触型机械密封工作寿命的数据收集。

图1 美国PPC公司副总的文章，发表在美国“泵和系统”期刊文载

图2 美国约翰克兰公司工程师对25辆槽车机械密封的平均寿命（星期）的统计：液氩6周，液氮14周，液氧25周

图1未涉及低温泵工作的工况参数和密封面材料。笼统地公布收集的最短和最长的低温机械密封寿命数据：低温机械密封工作寿命低于2 000 h。

图2 的统计数据中，未公布开停车总次数和密封面材料，留下许多想象空间。

所以，我们认为图1、图2 因收集的数据数量不够多，公开的信息有明显欠缺，不具统计学的数据指导意义，但可以管中窥豹视为参考。

它告诉我们：工作于不同的液态气体介质中低温机械密封的工作寿命有很大的差异。这是我们无法改变的。

所有液态气体的动力粘度极低，所以严格意义下均无润滑能力，使用于其中的低温机械密封比干摩擦状态下的密封面间的磨损严重多倍（德国E.迈尔“机械密封”一书中，已有专门试验论述）。

我们发现之前德国、美国某些著名密封公司对此类机械密封工作寿命描述为≥2000 h，现在均已取消。

界于条件，我们自己无法试验（国外所有生产厂亦然），只有依靠“现场运行试验”。

我们参与并收集的杭氧某公司的寿命试验数据为：液氮、工作压力0.5 MPa，轴径35 mm,转速3 000 r/min，只从泵预冷结束开车计，运行时长0.5 h，停车。累计时长500～550 h，即开车约1 000～1100 次。密封面配对为进口人工合成高分子塑料（软环）对淬硬不锈钢（硬环）。

2 影响低温机械密封工作寿命的因素

多年实践总结，低温机械密封取得满意工作寿命的关键条件是下面的内容：

（1）低温离心泵的精度（泵轴精度、轴承精度等）。

（2）低温机械密封的品质（波纹管材料，动、静环密封面材料选择，低温处理，自然时效和密封面的平直度）。

总结：仅就低温接触型机械密封而言，密封面选用进口人工合成超高分子材料（红环）和某种硬度不锈钢是工作于液化气体介质中最好的密封面配对，其配对低温机械密封寿命高于碳石墨和改性四氟（绿色、灰色等）配对不锈钢或硬质合金。

（3）安装时适合的压缩量

所有提供给客户的低温机械密封，都有书面文件提供安装压缩量范围，以常见的低温运输槽车离心泵中的机械密封为例（法国Cryostar 公司的低温机械密封型号：MFLC12/27.5）,提供的安装压缩值1.2～1.5 mm,对工作压力0～0.6 MPa 的槽车而言，适合的安装压缩量是1.3～1.4 mm。

如果安装时取下限1.2 mm 以下，机封的闭合力减小，承压力降低，机封易发生泄漏。

如果安装时压缩值取上限1.5 mm 以上，工作时密封面（动、静环端面间）可能会形成干摩擦，动环（硬环）端面迅速磨成凹槽，静环（软环）迅速磨损。密封面的平直度、光滑度一旦破坏，干摩擦现象将不可逆，机械密封的工作寿命极短。

安装时选取适合的安装压缩值，是为了保证工作时机械密封的密封面间始终保持在临界摩擦状态（有不连续的液膜存在），低温机械密封有较长的工作寿命。

（4）开车前，低温离心泵及管线、阀门等环境必须充分预冷

低温离心泵开车前预冷的操作，要求严谨有序，有条件的企业，已将这项工序改由计算机程序控制，效果很好。

不少企业还是现场人工操作，人工操作可靠的少，不可靠的多。预冷不充分，这是很多低温机械密封工作寿命降低的主要原因。

预冷不充分除了造成泵轴急冷弯曲，泵精度破坏外，机械密封不能正常工作，同时因低温离心泵开车无输出，只能停车，再预冷，再开启。这无谓地增高了开车成本。

工作于气液两相的液态气体中的低温离心泵，现场工作人员在保证泵的精度和脱脂的前提下，选择安装机械密封合适的压缩量，开车前充分预冷，将泵体、管线、阀门等的环境温度，降至输送液态气体介质入泵的汽化压力在机械密封承压值内，当泵运行时，叶轮输送的是液体，不是气体。这是低温泵运行前必须充分预冷的物理原则。工作时将泵体内产生的搅拌热和摩擦热让输送流体带出泵外，是低温机械密封良好工作寿命的关键。

3 结语

综上所述，低温接触型机械密封的工作寿命，目前没有量化的指标，但如何提供出符合生产实践中优秀的力学参数的机械密封，用严格规范的生产工艺，保证产品的质量，是制造厂家努力的方向。

与此同时，认真地参考生产厂家提供的操作和安装文件，给低温机械密封提供正常的工作条件，这是现场操作人员要努力做好的工作。