冲洗对机械密封性能的影响分析论文

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　　摘要：机械密封产品被广泛应用到食品、炼油、石油化工等行业中，在保证设备能够安全运行的同时，机械密封还能够节约企业维修维护成本，使企业效益得到提高。在全新市场环境中，市场对于机械密封的性能和使用寿命的要求越来越高，机械密封性能和使用寿命与选材、结构、选型、工况情况具有密切关系。另外，正确选择冲洗能够使机械密封性得到提高，还能够使机械密封使用寿命得到延长。针对某石化装置中的密封方案进行研究，概述两种密封方案的特点和适用范围。通过环境友好性、操作维护便利性等方面进行的对比，通过有限元分析软件ANSYS充分考虑各种因素对机械密封性能的影响，计算端面弧形浅槽机械密封在不同冲洗量的温度场，并且基于温度场计算力热耦合变形。研究结果表明，冲洗能够使动静环最高温度降低，并且减少密封环温差的差别。

　　关键词：冲洗；密封；水下密封

　　Abstract：Mechanical sealing products are widely used in food，oil refining，petrochemical and other industries，while ensuring the safe operation ofequipment，mechanical tight sealing can also save the maintenance and maintenance costs，and improve the efficiency of the enterprise．In the newmarket environment，the market for the mechanical seal performance and service life requirements are getting higher and higher，mechanical sealperformance and service life and material selection，structure，selection，working condition has a close relationship．In addition，the correct choice of washing can improve the mechanical sealing，but also can extend the service life of the mechanical sealing．The sealing scheme in a petrochemical plant is studied，and the characteristics and application scope of the two sealing schemes are summarized．Through the comparison of environmental friendliness，operation and maintenance convenience，according to the finite element analysis software ANSYS fully considers the influence of various factors on the mechanical sealing performance，calculate the end surface arc shallow groove mechanical seal in the temperature field of different flushing amount，and calculate the force and thermal coupling deformation based on the temperature field．The study shows that washing can reduce the maximum temperature of the static ring and reduce the difference in the temperature difference of the sealing ring．

　　Key words：flushing；seal；underwater sealing

　　0引言

　　机械密封最开始是通过专利的形式出现的，冲洗系统为机械密封的主要构成，能够为机械密封创造有利环境，降低密封工况，实现密封泄漏的检测和控制，提高密封效果，使工艺需求得到满足，还能够应对严格的环保需求。密封摩擦副的外加气／液情况，密封包括干气、湿式两种密封方式[1]。

　　国内外研究学者通过密封结构、材料等角度对密封进行了研究，有学者对不同石墨材料摩擦磨损性能进行分析，并且指出了各自适应的场所。在数值模拟技术应用过程中，密封端面温度场、应力分布、端面变形等方面与有了进一步的应用。在冲洗系统选择方面，相关研究人员归纳了常用的冲洗方案选型要点，并且针对使用过程中的问题提出了针对性的解决方案。冲洗能够使密封环的问题降低，影响变形和力热耦合变形[2]。但是密封性能并不是单纯热变形或者力变形体现的，所以要研究冲洗对耦合变形的影响。变形最终宏观体现是使密封端面产生锥度，以机械密封平行端面原则，对密封环综合锥度进行控制，降低正锥度、消除负锥度，使密封具备良好工作稳定性、耐磨性、密封性，实现密封可靠、安全的长周期运转。不同应用场景所使用的密封冲洗方案也各有不同，有些时间有很多冲洗方案可选，要通过操作维护便利性、使用寿命、环境友好性等方面对比，选择合适的方案。本文和具体机械密封失效案例结合，分析对密封影响的因素，从而延长机械密封使用寿命[3]。

　　1冲洗的原理分析

　　1．1普通外冲洗

　　馏出物会受到原料性质和加工工艺的影响，正常情况下的减压蒸馏过程在升温过程中还会出现馏出物，石化行业要求馏出指标小于10％。所以，此指标在生产工艺中只能够改善，无法完全消除。

　　关于机械密封冲洗液的注入量，双支点离心泵的一开一备质量流量为100 t／h，使用注入式冲洗，将重柴作为冲洗液，重柴指的是装置整流的馏分，重新注入减压渣油。所以，注入此冲洗液能够增加减压渣油的馏出物。在实际使用过程中，备用泵的两个密封腔压力为负压，低压端密封腔压力为负压。此时，两台减低泵一共有4个注入点，一共注入10．6 t／h的冲洗液。减压渣油冲洗液含量为10．6％，并没有控制冲洗液注入量，从而使冲洗液注入介质过量，导致500℃馏出物指标并不合格[4]。

　　1．2冲洗的原理

　　1．2．1 53B冲洗系统的原理

　　53B冲洗系统密封包括两对密封面密封，为典型带压湿式密封，此系统使外部隔离液在两对密封端面之间设置。将隔离带压力比密封腔压力要高，为带压密封。此密封将泵送流体对外界环境泄漏消除，能够在有毒、危险液体泵送中使用，还能够应用到导热流体、蒸汽压力液体和带研磨性液体中使用。囊式蓄能器能够将加压隔离液提供给密封腔，隔离液要和泵送介质相互融合，并且工艺流程要能够使微量隔离液进入到泵送流体中。蓄能器中的气囊能够使加压气体和隔离液体进行分开，从而实现加压目的，还能够避免加压气体在隔离液中相溶。现场压力表或者具备远传作用压力变送器能够全面监测密封工作情况，在降低压力的过程中，要对密封是否出现泄漏进行全面检查[5]。

　　1．2．2 74冲洗方案的原理

　　此种密封方式也具备两对密封端面带压密封，此种方式为典型干气密封冲洗方案。利用加压隔离气体控制系统比密封腔压力隔离气要高，也就是Arrangement3密封，能够在泵送有毒、危险液体和高饱液体中应用。氮气是一种最常用的隔离气氮气，密封腔最高压力会受到氮气源压力影响。因为隔离介质指的是气体，此密封还能够在立式泵中使用。压力控制阀能够保证隔离气压力比密封腔压力要高，在隔离气压力比匀速范围要偏的过程中，压力报警器就会报警。另外，假如流量变送器不断增加，就会导致流量变流器报警[6]。

　　1．3改善措施

　　(1)控制冲洗压力。根据相关研究表示，泵用机械在密封过程中的工作压力为2MPa以上，并且压力并没有太大的变化，在准确情况下的冲洗液要比密封腔中的压力高出0．05~0．2 MPa。所以，要将泵用泵冲洗液关闭，保证运行泵冲洗力比密封泵压力高。因为实际操作过程中的波动指标很难精准控制，所以使用冲洗液压力比密封腔压力要高[7]。

　　(2)冲洗量控制。在机械密封轴径为90 mm的时候，冲洗液用量超过8L／min。现有泵冲洗点有两个，用量超过960 L／h。此装置全部运行泵冲洗液满足需求，所有备用泵的冲洗液停用之后，冲洗液的总消耗量为9t／h，这个值比理论控制量要高。以现场实际经验，在冲洗量比较小的时候，机械密封的使用寿命就会缩短，使用效果就会变差。为了使冲洗液影响得到降低，可以使用响应的措施降低机械密封冲洗液的用量[8]。

　　2冲洗对密封的影响

　　常见的冲洗方法包括外冲洗和自冲洗，在设计过程中要充分考虑冲洗孔位置、流量、压力，否则无法延长机封的寿命，就会损伤到密封。自冲洗指的是通过泵内部压力高处的介质作为冲洗液，利用冲洗管线打入到密封腔中，阻碍固体进入到密封腔中。外冲洗指的是将外来介质作为冲洗液，利用冲洗管线进入到密封腔中，也能够阻碍固体杂质颗粒进入到密封腔中。在使用外冲洗的过程中，要求外冲洗液的输送没有污染，并且使装置工艺需求得到满足。图1所示为冲洗液冲蚀损坏，此情况是因为冲洗液中具备固体颗粒，或者冲洗压力比较高导致的，结合此案例对密封性能影响进行分析[9]。

　　2．1冲洗孔位置

　　在密封端面接近动环处的冷却效果是最好的，并且对密封性能的影响最小。由于是在密封端面附近，能够将端面摩擦热及时带走，实现密封端面降温冷却的作用。另外，因为动环随着泵轴旋转，所以接近动环能够实现端面均匀冷却，避免冲洗液只对局部某个点冲洗，从而使端面受热不均匀，进而出现温度变形，对密封性能造成影响[10]。

　　2．2冲洗压力

　　冲洗压力过高会导致出现损坏，或者推开密封端面，损坏到密封，还会对机械密封使用性能造成影响。所以，利用多年机械密封现场实际经验，在设计过程中要求密封腔压力与冲洗液压力在0．5 MPa以下，一般差值为0．05~0．2 MPa。从而能够使冲洗液正常地注入到密封腔中实现冲洗作用，还能够避免影响到机械密封性能。冲洗液原始的压力比设计要求要高，在冲洗管线中设置限流孔板和节流阀实现冲洗液的限压、限流速的作用，通过API682标准对限流孔板最小的直径设计为3mm。假如限流孔板直径小于3mm，在正常限流时会对限流孔堵塞，从而导致冲洗液无法进入到密封腔中，使机封失效[11]。

　　2．3冲洗流速与流量

　　根据机械密封实际经验，冲洗流量为3~30 L／min的时候是最佳的，根据介质温度和密封规格决定具体的流量。在选择冲洗液流速过程中，洁净冲洗液的流速在流过节流阀的流速不超过5m／s。具备固体合理的液体流速通过节流阀流速不超过3m／s，避免冲洗液进入到密封腔的时候冲蚀端面。

　　2．4限流孔板孔径

　　假如使用限流孔板实现冲洗液的卸压和限流，在对实际机封规格型号、工况温度和介质特性充分考虑之后，利用计算对限流孔板孔径进行计算。另外，根据冲洗量计算公式对限流孔板孔径尺寸计算如下：

　　Q＝0．0019159Cd2(Δp／ρ)1／2

　　式中：Q为冲洗量；C为流量系数；ρ为冲洗液密度；p为孔板前后压差。

　　利用上述公式对满足设计需求的限流孔板孔径进行计算，假如单个限流孔板压降不够，可以将多个限流孔板串联满足使用需求[12]。

　　3其他因素对密封的影响

　　3．1人为操作的影响

　　取100个外盖和内盖构成密封盖，使用湿热灭菌法进行灭菌，两个人使用同一台扭矩测试仪进行检测，表1~2为检测结果。

　　通过测试结果表示，两个人在相同条件下，使用同一台测试仪的扭力矩平均值具有明显的差别，最大和最小值也具有明显的差别。所以，密封效果也会受到人为因素的影响[13]。

　　3．2对密封环变形的影响

　　3．2．1变形分布趋势

　　以密封环从内径到外径的方向为正方向，动环背部和端面为轴向的正前方，图2为动静环力柔和的变形图。从密封环外径到内径的收敛间隙指的是正锥度，发散间隙指的是负锥度。为了使观察更加的方便，放大静环变形1000倍，放大动环变形为500倍。由图可知，动静环都存在正锥度[14]。

　　在冲洗量不断增加的过程中，动环变形绝对值会逐渐降低，之后逐渐减小。主要是因为在冲洗量不断增加的过程中，密封环的温度会降低，在冲洗到一定量的时候，温度降低的趋势就会逐渐变弱。

　　3．2．3对变形锥度的影响

　　在冲洗量不断增加的过程中，动环锥度会先不断减小，之后逐渐平缓，静环锥度先不断增加，之后逐渐平缓，这和动静环温差变化的趋势是相同的。在整体过程中，因为动环锥度降低比静环锥度增加量要大，那么动静环耦合变形的综合锥度在冲洗量增加过程中，先逐渐降低，之后回归平缓。

　　3．3冷却方式的影响

　　取100个外盖和内盖构成100个密封盖，使用湿热灭菌的方法进行灭菌，分别使用自然冷却或者冷却水急速冷却的方法进行冷却，利用机器提供扭力并且检测。结果如表3~4所示，使用不同冷却方法的冷却密封扭矩结果平均值并没有改变，最大和最小值也并没有差别。所以，冷却方式并不会影响到密封[15]。

　　由于动静环配合面存在摩擦热源，并且内径接触空气，对流换热系数比较小，那么密封环最高温度为动静环配合面并且接近内径的位置；在静环最低温度为物流接触位置的时候，动环最低位置在动环背部，此处远离密封配合面，受热摩擦的影响比较小。

　　3．4．2对密封环温差的影响

　　冲洗量对于动静环最低、最高的温度和密封环温差影响分析中表示：在冲洗量不断增加的过程中，密封环最高温度逐渐降低，之后平缓；动环最低温度在动环背部，因为远离静环配合面，所以最低温度的变化并不大。由此可知，动环温差先是逐渐降低，之后平缓；在冲洗量不断增加的过程中，静环最低温度不断降低，在冲洗量达到一定量的时候逐渐平缓。因为静环最低温度中的趋势比最高温度的下降趋势大，那么静环温度是先逐渐上升，之后平缓；在冲洗量不断增加的过程中，动静环温度逐渐缩小，在冲洗量达到一定值的时候一致[16]。

　　4结束语

　　对机械密封性能影响的因素比较多，通过合理选择和设计能够避免出现损坏情况，从而为机械密封创建良好工作环境，使密封性能得到提高，还能够延长密封的使用寿命。本文所得出的结论包括：(1)冲洗能够使动静环最高温度降低，减少密封环温差差别，在冲洗量到一定值的时候两环温差一致；(2)一定量冲洗能够减小动静耦合变形锥度，增加静环锥度，降低两者综合锥度。所以，一定量冲洗能够使耦合变形所产生的正锥度得到降低。

　　实施改进措施之后，压缩机运行效果良好，密封没有泄漏。通过实践表明，在密封维修过程中，设备管理人员要通过密封类型、介质特性、工况情况寻找密封失效的原因，积极使用全新的方法和技术提高密封使用寿命和可靠性。

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