高速泵机械密封故障研究

尤静辉，刘 晓

（北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100176）

0 引言

高速泵又称高速部分流泵，广泛应用于石化及航空航天等领域，如液氮、液氨和液化石油气等易气化介质的输送[1]。离心泵的组成部分包括电机、增速器和泵，利用增速齿轮、皮带增速和变频器来实现高速运转。泵的内过流部件一般包括诱导轮、叶轮、压水室、导流支座等[2]，结构性能优良。泵的密封装置主要有静密封和动密封两类（表1）。

表1 密封种类和具体形式

目前世界上主流的轴密封方法为机械密封（图1），其具有寿命长、稳定性好的优点，是现代工业泵行业最受欢迎的密封方式[3]。机械密封又称端面密封，是一种用于旋转轴和泵机之间的密封装置，由至少一对垂直于旋转轴线端面的流体压力与补偿机构在弹力作用以及辅助密封的配合下保持贴合，防止流体泄漏的装置[4]。

图1 机械密封的基本结构形式

机械密封根据零部件相对运动是否接触可以分为接触式和非接触式两大类，二者的特点及优缺点见表2。影响机械密封性能的因素有很多，不同槽型的密封效果也有很大不同。载荷是影响密封效果的重要因素，温度也在很大程度上影响着机械密封的性能。密封所使用的介质及工作一段时间后介质中的杂质会对密封件造成影响，导致机械密封失效。还有一个重要因素是机械密封零部件的加工与设计，提高加工精度可以提高密封性能。

表2 接触式与非接触式机械密封对比

机械密封在工作过程中会出现各种各样的问题，机械密封的检测也需要各种各样的技术手段来实现。我国的机械密封发展起步比较晚，但取得了很大的进步，机械密封技术和相关产品未来将会逐渐的系统化、高端化和智能化。

在石油化工企业中，高速泵主要用于一些流量小、扬程高的生产场合，在经过长期运行之后会出现一定程度的磨损，不可避免地导致机械密封性能下降，最终导致密封失效、产生泄漏[5]。

高速泵用的机械密封一般构成形式有：①介质密封；②增速箱密封；③高位油罐密封。高速泵机械密封失效的位置一般出现在轴套与轴之间、动环与轴套之间、动环与静环之间、静环与静环座之间、密封端盖与泵体之间等位置[6]。在旋转设备运行中，密封端面经常会出现磨损、热裂、变形、破损等情况，弹簧也会出现松弛、断裂和腐蚀等现象。辅助密封圈也会出现裂口、扭曲、变形、破裂等情况[7]。机械密封的故障表现及其原因有：①振动、发热；②介质泄漏；③周期性或阵发性泄漏；④经常性泄漏；⑤振动偏大。

1 机械密封改进案例分析

以某型苯加料泵为例，其流量为Q=2 m3/h，H=200 m，n=9900 r/min，机械密封为双端面，动环靠轴套、O 形圈的摩擦力传动，静环为浮动式，冷却介质为软水，动环平均线速度为18 m/s，密封机构形式如图2 所示。

图2 密封结构形式

该泵传送的介质为苯，介质苯对橡胶材料的O 形圈有溶胀的影响，因此耐油橡胶密封圈使用寿命短，腐蚀和溶胀会很严重。密封结构中动环靠摩檫力传动，其中轴套与动环之间的夹紧力靠叶轮螺母紧固产生，当O 形圈被腐蚀后，会导致轴套与动环之间的压紧力减小，进而导致螺母产生松动的现象。动环与轴套之间产生间隙会引起微量的相对运动，加速O 形圈和轴套的磨损。动环所受夹紧力的变化会影响动环的运动状态，产生振动。动环的振动会传到静环，加快静环的损坏。机械密封的寿命一般在30～60 d，有时甚至更短。机械密封的失效会导致所输送介质苯的泄漏，而介质苯和冷却水进入增速箱，会导致齿轮打坏及轴承损坏，给检修带来了很大的困难，成本较高，同时会影响生产的持续性，造成经济损失。另外，动环与轴之间也会产生相对滑动，导致高速轴磨损、损坏。高速轴加工难度大、采购周期长，检修更换成本高、困难大。

结合密封结构对故障情况进行分析，可以发现导致机械密封失效的主要原因是动环与高速轴的之间的传动方式存在不合理之处，传动过程中动环与高速轴之间出现滑动而导致一系列问题的出现。为了防止动环与高速轴之间的相对滑动，将动环与高速轴之间的传动方式改为销传动，结构形式改动如图3 所示。选用直径为6 mm 的钢珠作为传动销，需要在高速轴的外径上开孔，在动环上开槽。由于动环需要做旋转运动，考虑到开槽之后可能会影响动环的动平衡，如果动环的内径较小则不需考虑动平衡问题，如果动环内径较大可以在内环面上对称开槽。本文中动环内径较小，可以不用考虑动环动平衡的问题。实际应用证明，本次改进达到了预期效果，消除了动环与高速轴之间的相对滑动，避免了故障的发生。

图3 结构形式改动

2 应用效果及展望

通过本次改进，泵的机械密封寿命大幅度延长，从原来的30～60 d 延长至半年以上，减少泵因故障导致的停机，保证了产线生产的连续性，为企业节省成本。机械密封结构中，静环一般采用石墨材料，动环的寿命是静环寿命的2 倍以上，所以该改进具有很强的实际意义。

机械密封涉及摩擦学、流体静力学、流体动力学等学科的知识，计算机模拟仿真技术今后会在密封方面大量应用，推动人们更加深入地理解密封的本质。信息化也是未来的发展趋势，机械密封在信息化时代将会实现更加方便的快速监测和远程监测，自动控制技术也将逐渐在机械密封中应用，未来的机械密封装置会更加智能化。表3 汇总了已有的和预期可以实现的机械密封智能化发展。随着科学技术的不断发展，也可能会出现新型的高效密封技术代替传统机械密封技术。

3 结束语

综上所述，机械密封在很多工业领域都起着至关重要的作用，智能化是其未来发展的重要方向之一。目前已经具有一定的技术基础，但很多关键问题还需要进一步探索研究。机械技术与AI 技术、传感器技术将会更加深入地交叉融合，成为机械密封技术的强大的推动力，使机械密封技术在未来的装备中发挥更大的价值。