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离心泵轴头甩油分析及对策研究 离心泵轴头甩油分析及对策研究 摘要 本文对中国石油锦西石化分公司1 0 0 万吨年焦化装置离心泵运行中轴头甩油 这一技术问题进行了具体的分析和研究。 离心泵轴头甩油实质是离心泵轴承箱两端密封问题。轴头甩油不仅带来润滑油 的极大浪费，而且对环境造成很大污染，威胁操作人员的人身安全，影响企业形象。 通过实验研究和理论分析，论文对轴承箱两端密封结构采用了离心密封和螺旋 密封的组合密封方式，设计了相应的结构油封。这种组合密封方式是一种新型非接 触式密封形式，解决了以往迷宫密封间隙过大的问题，提高了密封性能，减少了甩 油量，从而从根本上保证了设备长期运行。 运用上述组合密封方式，对锦西石化分公司焦化装置的p 4 1 、p 6 2 、p 1 0 1 一l 、 p 1 0 3 - 1 、p 1 0 4 - 1 泵现有密封结构做了改进，进行了具体结构设计计算、技术分析 和经济效果测算。 对5 台泵现有密封结构改造后，经过一年多的运转实践，取得了良好的效果。 首先是节约了大量润滑油，单台泵润滑油损耗每年可减少1 0 0 0 元左右，同时也减少 了抱轴次数和影响整个装置循环或非计划停车所造成的间接经济损失。其次是便于 现场管理，减少了加油次数和泵台打扫的频率，因而减轻了操作工人的劳动强度， 更好地保证了设备长期运行。 该密封装置结构紧凑，易于实现，便于广泛实施。计划逐步对锦西石化分公司 1 6 8 5 台泵密封结构进行改造，全部完成后预计每年减少润滑油损耗折合人民币达1 ， 6 8 5 ，0 0 0 元。 关键词：离心泵甩油密封改造 组合密封 a b s t r a c t t h i s p a p e rm a i n l ya n a l y z e s a n ds t u d i e st h et y p i c a lp r o b l e mo fo i l l e a k a g eo f c e n t r i f u g a lp u m p s o fim i l l i o nt o n s a d e l a y e d c o k eu n i to fp e t r o c h i n aj i n x i p e t r o c h e m i c a lc o m p a n y t h er e a s o nf o ro i ll e a kl i e si nt h es e a l i n gp r o b l e mo fb e a r i n gb o xe n d so f c e n t r i f u g a lp u m p o i l l e a k b r i n g s n o t o n l yg r e a t w a s t eo fl u b r i c a n t s ，b u ta l s o e n v i r o m e n t a lp o l l u t i o n i tt h r e n t e n st h es a f e t yo ft h eo p e r a t o r sa n da f f e c t st h ei m a g eo f t h ee n t e r p r i s e t h r o u g hp r a c t i c a lt e s t a n dt h e o r i t i c a la n a l y s i s ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ec o m b i n e d s e a l i n gt y p e so fc e n t r i f u g a ls e a l i n ga n ds p i r a ls e a l i n g a n dd e s i g n st h e a p p r o p r i a t e s t r u c t u r a lo fo i ls e a l t h ec o m b i n e ds e a li san e ws t y l eo f n o n - c o n m c ts e a l i n g i ts o l v e s t h ep r o b l e mo f b i gc l e a r e n c eo fl a b y r i n t hs e a l i n g ，i m p r o v e s t h es e a l i n gp e r f o r m a n c ea n d r e d u c e so i lc o n s u m p t i o na n dt h e r e f o r ee n s u r e st h el o n g r u n o f e q u i p m e n t s w i t ht h ea f o r e s a i dc o m b i n e ds e a l i n g ，w ei m p r o v e dt h ep r e s e n ts e a l i n gs t r u c t u r eo f p u m p 4 - i ，6 - 2 ，1 0 1 一l ，1 0 3 1a n d1 0 4 1o f d e l a y e d c o k eu n i t w em a d ed e t a i l e ds t r u c t u r e d e s i g nc a l c u l a t i o n ，t e c h n i c a la n a l y s e sa n d e c o n o m i c a lb e n e f i te v a l u a t i o na b o u tt h e5s e t s o f p u m p a y e a r sr u n n i n go f 5s e t so fp u m ps h o w st h a tt h ei n n o v a t i o no fp u m ps t r u c t u r e g a i n sg o o dr e s u l t s f i r s t l y i t s p a r e s al a r g ea m o u n to fl u b r i c a n t sa n dr e d u c e st h e e x p e n s e so f1 , 0 0 0y u a nf o ras i n g l ep u m pp e ry e a r i n d i e c te c o n o m i cl o s so fu n p l a n e d s h u t d o w nc a u s e db yn o n c l e a r e n c eb e t w e e nb e a t i n g sa n dt h es h a f t s a r ea c c o r i d i n g l y r e d u c e d s e c o n d l yi t m a k e sf i e l dm a n a g e m e n te a s i e rw h i c hi n c l u d e sf i l l i n go i la n d p u m pg r o u n dc l e a n i n ga n d t h e r e f o r el e s s e n st h ew o r k e r s l a b o r t h e s e a l i n gu n i ti sc o m p a c t i ns t r u c t u r ea n de a s yt ob er e a l i s e da n de x e c u t e d w e h a v e p l a n e d t o i n n o v a t e t h es t r u c t u r e o f l ，6 8 5s e t so f p u m p so f t h e w h o l e c o m p a n y i t i s e s t i m a t e dt h ea n n u a lo i lc o n s u m p t i o no fr m b l ，6 8 5 ，0 0 0y u a n w i l lb ee c o n o m i z e da f t e r c o m p l e t i o n o f t h ei n n o v a t i o n k e yw o r d s ：c e n t ri f u g a ip u m p 0 ili e a ks e a ii n g i n n o v a t i o n c o m b i n e ds e a iin g 离心泵轴头甩油分析及对策研究 1绪论 11研究离心泵轴头甩油密封结构改造的意义 随着科学技术的日益进步，现代工业在不断发展，企业生产工艺上对机器设备的要 求也越来越高：效率高、噪音低、无泄露、易操作。特别是中国加入w t o 后，对于石 油化工行业，经济竞争日趋激烈：产品质量要求、生产环境要求、人体健康要求等诸多 方面越来越严格，越来越规范。 企业要想进入国际市场，科学与精细管理显得尤为重要，以前粗放管理中我们忽略 的许多问题也都提到议事r 程。 众所周知，石油化工企业性质是流程性连续化生产，油品介质在各种塔、炉、器、 罐等设备中密闭加工。工作的介质大部分是流体，而且多数具有腐蚀性、可燃性、易爆 性及毒性，一旦密封失效导致介质外漏，不仅污染环境、影响人体健康和产品质量，而 且往往会引起火灾、爆炸和人身伤亡等重大事故。 在企业的日常生产中，密封技术显得越来越重要。特别是在石油化工企业中密封效 果的好坏显得极其关键：它能保障安全生产，节省能量消耗和物料消耗；防止产品和大 气污染；保证设备运转可靠、效率高，装置正常连续化生产；而且它是任何新工艺、新 设备应用中所必不可少的组成部分。 离心泵作为一种流体输送设备，是石油化工生产的动力枢纽。 由于离心泵的不停高速旋转，轴承需要润滑，因此在轴承箱中必须贮有一定深度的 润滑油。当离心泵运行时，落在轴头上的润滑油在离心力的作用下沿着轴向外渗出，我 们称之为离心泵轴头甩油，离心泵轴头甩油使离心泵润滑质量下降。 下图为离心泵损坏原因统计： 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 l o 0 润滑原因制造质量安装精度操作不当 其他原因 图1 1离心泵损坏原因统计 ( f i g u r e l 1 b r o k e nc a u s eo f c e n t r i f u g a lp u m p s 离心泵轴头甩油分析段对策帮f 冗 离心泵轴头甩油不单单损坏设备，还给安全生产带来很大隐患，同时也造成极大浪 费，不但对环境造成很大污染，而且影响人体健康和产品质量。在世界科技发展的今天， 全球经济一体化，以人为本，清洁生产、文明生产的模式日益形成。在这种大环境下， 它给企业生产文明及企业形象也造成负面影响。 我们从现场观察了大量的运转实例的基础上仔细分析研究离心泵甩油的原因，从流 体动密封的作用机理，方式及适用范围出发，进行理论分析与探讨，结合我们现场实际 中的甩油问题，首先通过方案论证及选择，而后进行理论上的具体分析计算，成熟后进 行了零件图纸设计，最后进行实地改造。在中国石油锦西石化分公司1 0 0 万吨年延迟 焦化装置的泵p 4 1 ；p 6 2 ；p 1 0 1 一l ；p 1 0 3 一l ；p 1 0 4 一l 对现有结构进行了改进，对新型 结构进行了台架模拟实验。 在石化行业中，使用最多的设备就是离心泵，据中国石油锦西石化分公司设备技 术状况月报精确统计，锦西石化分公司有大小离1 1 , 泵1 6 8 5 台，按最低费用计算，每 年每台因为润滑原因而引起各种故障从而增加维护成本费用约5 0 0 元，平均每台泵每 年从轴头甩出而浪费的润滑油保守测算为1 2 5 公斤左右，每公斤外购价格为人民币4 元。由此两项每年可增加直接成本费用1 ，6 8 5 ，0 0 0 元。这其中还不包括离心泵抱轴和 影响整个装置循环或非计划停车所造成的间接经济损失。 1 2 国内外离心泵轴承箱密封现状 为摸清离心泵轴头甩油这一问题的现状，我们对国内石油化工彳亍业进行了大量的现 场实地调研，我们先后调研了中国石化茂名炼油股份有限公司，中国石化镇海炼油股份 有限公司，中国石化燕山石油化工公司，中国石化金陵石化公司南京炼油厂，中国石油 大连石化分公司，中国石油西太平洋石化分公司，中国石油大庆石化分公司，中国石油 锦州石化分公司，中国石化武汉石化炼油厂，中国石油抚顺石化分公司等国内知名的大 型石化企业，他们的设备技术水平是国内石油化工行业的先进代表。但是对离心泵轴承 箱两端的密封上基本上都是沿用传统的梳齿油封结构，材质一般为黄铜。 我们从网上也检索了与此相关的一些内容；又咨询了国内一些较有名气的离心泵专 业制造厂商，包括国企、私营、合资和独资企业以及国外离心泵代理厂商，如沈阳水泵 股份有限公司，大连苏尔寿泵及压缩机有限公司，沈阳格瑞德化工泵有限公司，大连耐 酸泵厂，沈阳化工泵厂，长沙水泵厂，美国s u n d y n e 公司中国代表处，日本新泻华盛顿 泵业公司北京办事处等，得到的结论是：在目前炼化行业中，关于离心泵轴承箱两端密 封问题基本上没有什麽新的进展。对于调研的结果我们作了简要的统计，为了直观我们 用直方图简示。 离心泵轴头甩油分析及对策研究 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 l o 0 迷宫油封毛毡油封金属骨架油封磁力油封 图1 - 2轴承箱油封应用情况 ( f i g u r e l 一2p e r c e n t a g e o f b e a r i n g b o xs e a li n u s i n g ) 综合统计，大约1 0 的离心泵轴承箱密封采用橡胶骨架密封，如即弹簧骨架外包橡 胶的结构，7 0 采用梳齿式的迷宫密封结构，1 8 采用凹槽压入毛毡结构，另外有2 采用类似机械密封的磁力油封装置。不过这些密封结构效果都不是很好，迷宫梳齿密封 甩油量大，毛毡与骨架油封易发热，磁力机械油封装置价格很贵。从抑制甩油情况看， 磁力机械油封装置目前应该是最好，但是价格昂贵，相对性能价格比较低。所以从综合情 况上看梳齿油封应用较多，效果还算可以，缺点就是甩油量大，这也是我们解决问题的 关键所在。 1 3 本论文的主要研究内容与关键技术 本课题是一个把科学理论应用于生产实际的一个生产科研课题，并非纯理论性的研 究课题，更确切的说，是解决生产实际问题的一个典型实例课题。 离心泵轴头甩油分析及对策研究这个课题属于流体力学与石油化工设备结合的 学科，属于流体动密封范畴。本课题来源于锦西石化分公司炼油三厂“1 0 0 万吨年延迟 焦化装置大修理改造”项目。 我们选择的是日常生产中遇到的带有普遍性的问题，研究的主要目的是采用新的方 法解决现场实际中遇到的难题，达到用最少的投入，尽快地解决生产问题，从而减轻工 人的劳动强度，减少企业的经济损失，降低企业生产成本，使企业的管理水平上升一个 新的台阶。 本论文研究的实质是离心泵轴承箱两端密封问题，属于动密封范畴，即离心泵旋转 轴与浸泡轴承润滑的固定油箱之间的密封。在现场观察了大量的运转实例的基础上，仔 麴分析研究泄露原因，从流体动密封的作用机理，方式及适用范围出发，进行理论分析 与探讨，结合现场实际运行中的甩油问题，首先通过方案的论证及选择，而后进行理 离心泵轴头甩油分折及对策研究 论上的具体分析计算，成熟后进行了零件图纸设计，最后进行实地改造。 本论文的关键技术在与如何将密封基本理论与现场实际情况相结合，具体问题具体 分析，选择可行性方案，再进行理论上的计算与验证，而后根据研究结论进行了具体结 构的设计。 离心泵轴头甩油分析及对策 i i 究 2 密封基础理论 2 1 密封学概述 随着现代工业的不断发展，密封技术显得越来越重要。特别是在石油化工企业中， 对安全生产，节省能耗和物料消耗，防止产品和大气污染和发展新技术、新设备，保证 设备运转可靠、效率高，装置正常连续化生产等具有重要意义。石油化工企业中，工作 的介质大部分是流体，大多数具有腐蚀性、可燃性、易爆性及毒性，一旦密封失效介质 外漏，不仅污染环境、影响人体健康和产品质量，而且往往会导致火灾、爆炸和人身伤 亡等重大事故。 1 密封是一门新的学科，是研究密封规律、密封装置设计和使用原理的学科。密封的 功能是阻止设备内的介质泄漏，起密封作用的零部件称之为密封件。放景密封件的部位 称之为密封箱或密封室。较复杂的密封，特别是带有辅助系统的称之为密封装置。此外， 还有螺旋运动件和摆动件的密封。 密封装置是流体动力机械、工艺设备( 包括压力容器) ，液压设备、管道和阀门等的 重要组成部分。其中流体均以各种不同形式泄漏，包括内漏、外漏或中间串漏、渗漏、 串漏或滴漏；漏水、漏气或漏油等。 对密封的基本要求是保证结合部分的密闭性。工作要可靠，使用寿命长、而且对密 封装置的要求是结构紧凑、系统简单、制造安装维修简易、使用方便、成本低廉。由于 大多数密封件为易损件、故应保证它具有互换性，实现零件的通用化、标准化和系列化。 密封技术对于大多数技术领域都有着重要的意义，并且始终是机械制造专家们所关 注的中心问题。现代机器设备常在真空及各种不同介质的条件下操作，它包含许多液压 和气动部件，在这些部件中，有成千上万个密封件。目前，在机器制造业中，要求在降 低单位生产能力所消耗材料的同时迸一步提高工作压力、速度和温度，这在很大程度上， 受到了介质密封可靠性、工作容积空间密封程度的制约。因此，在提高生产效率和扩大 处理液相、气相和多相系统工艺产品范围的条件下，研究密封问题就更为迫切。 密封装置是机器的主要部件，整个机组的可靠性取决于密封装置的工作能力。同时， 密封又是机组的最薄弱环节之一。如在火箭上，与发动机有关的故障，有一半以上是由 密封失效造成的。密封的可靠性差不仅会影响机器的正常运行，增加修理的几率，而且 会威胁人们的安全。所以，密封系统的工作能力和可靠性常被认为是机器最重要的特性。 目前所形成的新学科密封学，主要研究密封的规律、密封联接的结构特点和操 作( 运行) 特点。密封学所涉及的问题，范围十分广泛，需要综合解决若干学科交叉的 复杂问题，在近十年里，有关密封方面发表的研究论文数量增加了4 5 倍，并定期召 开了国际密封会议，这都充分表明了在密封学领域中的研究活动十分活跃。理所当然地 堕：生茎塑墨里塑坌堑丝翌苎塑堑 需要对国内外所积累的密封实践经验、理论和实验研究成果加以概括总结。这要受到密 封学所接触到的许多尚未解决的问题的制约，而且，也明显说明为什么在现代技术领域 中，所用密封装置形式的种类繁多，其结构和工艺的多种多样。 由于机械加工的结果，机械产品的表面必然存在各种缺陷和形状及尺寸偏差。因此， 在机器零件的连接处不可避免地会产生间隙，当存在压差时，工作介质就会通过间隙而 泄漏。“密封”意味着在有液体或气体的机器、设备、建筑物或容器的连接处和壁面没 有泄漏现象。连接处的密封性指连接处的泄漏量小于工作条件允许的最小泄漏量。由于 接触零件的任何相互位移都会给接合表面上的粗糙处泄漏介质创造条件，因此，可拆动 密封要达到密封性是特别困难的。 、 最近二十至三十年来，新资料丰富了密封理论，同时在本质上使密封理论更加复 杂化。用工程现象学的方法来解决古典密封技术特有的介质密封问题，显然不足以描述 密封及密封失效过程。 在有关文献中，对于密封领域内的大量研究结果表明，在材料结构、状态理论和分 子理论问题上存在着许多不同的观点。于是，在涉及近期所得的最重要的研究成果的同 时，要合理、及时地系统阐明密封学的现况。 2 2 流体动密封的机理方法及分类 2 2 1概述 被密封的介质往往是以串漏、渗漏或扩散的形式而泄漏到密封连接处的彼侧。造成 泄漏的原因是密封连接处存在间隙( 包括宏观间隙或微观间隙) ，密封介质在压力差或浓 度差的作用下通过问隙而泄漏。因此，要使连接处达到密封，必须减少密封连接处的间 隙或消除间隙。 密封装置虽然是比较古老又十分普及的机械部件之一，但直到目前为止，还没有一 个通用的分类方法。密封的分类必须考虑密封结构，并对其性能加以综合考虑。 根据密封面是否接触，可把密封装置分为接触型和非接触型两大类。通常靠密封力 使密封面相互贴紧、接触甚至嵌合的密封称之为接触式密封；而密封面留有间隙使之互 相不接触的密封称之为非接触式密封。在接触型密封中，由密封面的机械接触，阻止了 密封介质的泄漏，非接触型密封是在密封面之闯预留一定的间隙。 2 2 2 密封机理方法的分类“1 l 、全封闭或部分封闭： 2 、填塞或阻塞： 3 、分隔或间隔； 6 尚心泵轴头甩油分析及对策研，t 4 、引出或注入； 5 、流阻或反输； 6 、贴合或粘合 7 、几种密封方法的组合。 2 2 3 密封的分类 流体动密封按照密封面接触形式主要可以分成接触式、非接触式、组合式和无轴封 密封四大类。 接触式密封的特点是：密封面接触，采用先进方法可以最大极限的消除间隙或使密 封面之间的间隙达到最小，从而达到很高的密封效果。由于两个密封面的直接接触，加 之他们之间摩擦的原因，所以需要花费额外的做功消耗来克服摩擦耗能，并且带来很大 的副作用：密封面在运转过程中不断会产生新的摩擦热量和摩擦面的逐渐磨损。 接触密封的结构主要由四个元件组成。静止元件的功用是保证密封元件配合表面的 密封性，可以通过焊接、钎焊、粘结、紧配合、铆接或可拆性静连接的形式来实现。滑 动零件与配合零件的配合，而构成磨擦副，当表面发生平行位移时，可以保证配合面的 密封性。弹性元件不应渗漏密封介质，当元件沿垂直于配合面的方向发生位移时，如磨 擦副产生偏摆和磨损，由于弹性元件的补偿作用，仍可使配合面保持其密封性。元件产 生压紧力，以保证元件与配合表面压紧。根据不同的密封材料性质和密封件结构，还可 能有多种类型的密封方法。 非接触式密封的结构特点是：密封件之间不直接接触，因而无机械摩擦和磨损，单 单从这一点上考虑，密封件的工作寿命要远远长于接触式密封。非接触式密封可咀按连 接间隙中的物理过程特征来划分。粘滞密封是借助于内摩擦力形成运动介质的阻力。在 许多密封装置中，是利用质量力或增加惯性力的方法来实现密封作用的。旋流密封是使 旋涡产生振荡，从而阻止密封介质的自由流动。 组合式密封，顾名思义，他从结构和性能上兼有接触式密封和非接触式密封的优点， 因而能满足较高密封参数的要求。但由于结构复杂，故一般密封不常采用。 无轴封密封是近年来随着科学技术的不断发展而发展起来的一种新型密封结构，它 是一种很具有远大发展前景和发展空间的密封装置，常用于密封介质易爆、易燃和剧毒 的场合。【】 流体动密封按其运动的方式来分类，分为旋转( 件) 密封、往复( 件) 密封、螺旋( 件) 密封。1 2 2 3 动密封的计算 密封计算的目的在于通过计算其泄漏量、功率消耗、密封温升和零件强度等来从理 7 离心泵轴头甩油分析投对策研究 论上验证其工作的可靠性、密封寿命等。 2 31通过圆环形间隙的泄漏量 不可压缩性流体通过圆环型间隙的泄漏量按下面公式计算：1 2 q o = x a d h 3 ( p i p 2 ) 1 2 l 2 1 式中 1 d h l p 。 p z 一一一一密封直径 一密封间隙 一流体粘度 一密封长度 一密封前部压力 一一一一密封后部压力 下面为考虑偏心度、层流与紊流工况下的修正： a 偏心度影响的修正 密封与旋转轴之间偏心度对密封效果有一定的影响，当偏心度增大，密封泄漏量 有增大的趋势，此种情况可粗略用下列公式进行计算：【2 】 式中 q = q o o + 1 5 s 2 ) q q 0 其中 2 2 偏心情况下的泄露量 = e ，h 无偏心情况泄漏量 一一密封间隙 - - - 一一偏心度 b 层流与紊流的修正 在公式( 2 1 ) 中，当介质情况满足层流条件时，即雷诺数开始成立，其雷诺数的 表达式为： 2 1 离心袋轴头甩油分析及对策研究 式中 r 。= 2 w h v 一泄漏量的平均流速 一运动粘度 因w 和v 不能直接确定，故用下式表达较为方便 式中 g 一 d u g r 。= 2 g ，r t d g 2 3 2 4 一重量泄漏量k g s - 密封直径，c m 动力粘度k g s c m 重力加速度9 8 0 c m s 2 当r ， 2 3 0 0 时，式【2 1 】不再适用，计算泄漏量用下面公式： q = 1 4 6dh 1 纠7 ( p - p l ) 4 ；7 * ( i n ) 1 7 7 c m3 s 2 5 2 3 2 端面间隙的泄漏量 在层流条件下，不可压缩性流体通过端面间隙的泄漏量按照下面式公式计算 q 2 舞卜z + 半譬卜，5 式中 d 。 d i 2 3 3 通过迷宫的泄漏量计算公式“ 端面外径 一一一端面内径 旋转角速度r a d s ( 弧度秒) 离心杂轴头甩油分析投对策研究 式中 g = f c c ，一f 旦1 2 g p , l 岛 ( z + 昙- n 舢 f k g s 2 7 一间隙面积 a 一流出系数，对于尖锐梳齿。= 0 7 1 = l ，对于直流型梳齿 z 能量转换系数，对于完善的阶梯型梳齿， 迷宫的级数 p ，一一一一密封前部压力 k v 密封后部压力 绝热指数 气体密封前比容 泄漏量的计算是基于密封间隙的流动过程分析而建立的。对于接触型密封，其密封 的摩擦副是处于干摩擦条件下工作。 到目前为止，密封的工程计算还是抛开流体动力学现象来解接触问题，或者以流体 动力学理论为依据，而不考虑接触变形。泄漏量是密封最重要特性之一。泄漏量计算方 法的基础是己知的流体动力学理论或接触流体动力学润滑理论；介质泄漏现象是比 较复杂的，在工程应用中实际上还缺乏圆满的解释，因此，在密封的分析研究中应采用 方程的近似数值解法。如，为了确定液层参数在电子计算机上利用程序计算元件变形 和位移。许多计算方法都立足于含有试验常数的经验式，并且，通常不考虑接触时的材 料性质，只有在计算分离膜、密封隔膜等特殊零件时才考虑。很显然，利用经验方法计 算密封全部参数是十分困难的，但这类方法在工程上计算密封还是有其特点的。 由于密封理论的复杂性和实际工况所涉及的各种影响因素较多，所以目前世界密封 研究领域中对于泄漏量的计算尚不成熟：有解释油封零泄漏的表面张力理论，有解释机 械密封的液体交换理论，热流体动力理论等，由于种种原因的限制，都还需要具体实际 情况的验证。 离心采轴头甩油分析驶对策研究 3 方案论证及选择 3 1甩油分析 首先，我们通过现场的实地运转观察后，对离心泵轴头甩油原因进行仔细分析，找 出问题的根源所在。 - 3 1 1 甩油机理 通过现场对不同型号，不同功率的悬臂式离心泵的研究发现，泵轴承箱润滑油泄露 的根本原因是由于离心泵旋转时，轴的转速很高，一般情况下二极电机作为动力驱动， 转速为2 9 5 0r 。泵轴的离心旋转带动轴承锁紧螺母搅动油箱中的润滑油，使润滑油飞溅 到轴承压盖内侧和轴上，与此同时，轴承滚动体和保持架也能带起润滑油飞溅到轴上， 由于泵轴的高速旋转，在轴表面的离心力作用下，溅到轴上的润滑油沿着轴封的动静结 合处的间隙甩出轴承箱之外，造成泄漏。当轴承箱内润滑油液位较高，润滑油过多时， 泄漏甩油情况更为严重。 3 1 2 甩油因素 下面我们对照典型离心泵结构简图来分析甩油因素。 图3 - 1 离心泵结构简图 ( f i g u r e 3 1 s k e t c h o fc e n t r i f u g a lp u m p s ) 禺心泉轴头甩油分析及对策研艽 通过对悬臂式离心泵结构的分析，轴承箱内靠近两端密封的部位为轴承及为其进行 轴向定位的锁紧垫片及螺母。轴承锁紧螺母直径过大，在泵的旋转运行中，由于液位的 限制，锁紧螺母下端浸入在油池中，把润滑油搅起，沿着轴承压盖的内表面淌下，直接 滴到高速旋转的泵轴上，轴上的积油逐渐增多，被旋转的泵轴带动，泵轴表面光洁度较 高，润滑油沿着旋转轴运动，一方面进行圆周运动，另一方面沿着轴作轴向运动，这样 合成运动的爬行结果，润滑油进入压盖与轴之间迷宫密封的间隙，由于迷宫密封与轴都 有一定的间隙，密封阻力较小，润滑油一旦进入则难以打回去，因而不断的沿着轴向甩 出，在轴端处形成积油，使迷宫密封及防尘挡环起不到良好的密封效果，即发生漏油。 此外，轴承压盖内孔与泵轴的间隙过大，从润滑机理上分析，问隙大使润滑油在轴 表面产生不了油膜，从而形成不了辅助密封的作用。 3 2 改进方案的初步选择 3 2 1 解决问题的思路 针对油封失效原因机理，我们从如下三个方面入手，作为研究的切入点，进行具体 改进分析。防止甩油。 a 减少甩出油量 甩油量的多与少取决于轴承箱内润滑油液面与轴承锁紧垫片与螺母之间的相对距 离，即螺母浸入油箱中润滑油池的深度。就此分析，我们可以减小锁紧螺母的直径，即 可达到浸油深度适中减小搅动。从而减少落到轴上的油量，间接减少漏油量。 b 减少落到轴上的油量，从根本上杜绝甩油来源。 c 增加或重新设计密封，对其结构进行分析，从密封基本原理角度讲可以考虑采用填 塞或阻塞、分隔、引出、注入、流阻反输、以及这些方案的组合应用等方法。 3 2 2 各种方法综述对比分析 对应上述所提到的漏油原因分析，我们可以采用许多不同的方法来加以防止，下面 我们对其逐一分析，从而初步进行方案筛选，选定改进方案。 a 与外界分隔 此种方案可采用机械密封，机械密封1 8 8 5 年在英国问世，1 9 6 0 年我国开始使用， 它是由一对垂直于旋转轴线的端面，在流体压力和补偿机梅弹力( 或磁力) 的作用及辅 助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防治流体泄漏的装置，它泄漏量低，材料 损耗小，使用可靠寿命长，适用范围广。“3 。根据机械密封性能、适用范围、使用寿命 来看，机械密封都能适用，但是机械密封结构复杂，零部件较多，加工工序复杂，所需 高心杂轴头m 油分析及对策研咒 威本费用较高，安装所需精度较高，所需空间较大，发生故障时拆装不是很方便快捷等， 而轴承端盖尺寸较小，两端的空间又不是很大，油封结构不能太复杂。由于密封本身的 鲒构特点和轴承箱体本身的特点所决定，用机械密封方式不适合用于这种小空间的端面 密封。 b 采用注入方法 采用注入方法，即采用从轴头靠外界的外来动力注入某种密封液体，使此种封液的 压力稍稍高于轴承箱内的压力，使两者之间始终能保持一定的压力差，也能达到使润滑 油不至于到处飞溅泄露，肯定能够满足密封要求，但是此种方式需要外来的动力源的提 供，即需要用小型泵来泵入封液，连接一些管路，需要小型封液储罐，以达到封液自循 环的封闭系统。而且还要土建方面基础的制作，非常麻烦。 从如上分析可知，这种需要外来辅助装置的方法，不仅复杂，而且相当烦琐，对于 功率超过1 0 0 0 k w 的大型机组或者大型原料油泵，这不失为一个好方法，但是对于我们 研究的中小型泵的油箱密封未免大材小用、得不偿失了，这种密封费用甚至高于泵本身 的价格。所以这种方案根本不可取。 c 采用引出的方法 其实，采用引出的方法，只不过是注入方法的逆向思维而己，把漏出的润滑油集合 起来引入某种辅助装置，这种装置也需要外来的辅助动力源，连接的管路系统，储油罐 及其土建基础等等，其费用造价和烦琐程度与注入的方法是不相上下的，从某种程度上 讲，会比注入还要复杂，所以引出方法，也是不可取的。 d 填塞或者阻塞的方法 由于轴承箱是固定不动的，丽泵轴是每时每刻都在高速旋转的，所以二者之间是动 静密封结构。由于是动密封，而且对其使用寿命要求较长，所以，一些接触型密封等， 如毛毡圈，刚性档圈，硬性密封圈，软性金属材料梳齿油封、橡胶骨架油封等等，在运 转的过程中，无一仞j 外，都要与高速旋转的离心泵轴之间产生接触磨损，其使用寿命极 为有限，不适合高速旋转机械的长周期运转。另外，我们从磨擦学机理可知，摩擦会产 生一定量的摩擦热，如果这些热量不及时散失出去，会使接触部位温度逐渐升高，最后 产生胶合，也就是我们生产实际中通俗称为“离心泵抱轴”现象。填塞或阻塞的方法， 若想密封效果好，必须采用小间隙，由于泵轴的不停高速旋转，不断地产生新的磨擦热 量，旧的热量还未及时散失，新的热量有不断积聚，间隙小的情况就更容易导致热量很 快的产生，更难以散失：如果间隙放大，这样会减少摩擦热量的产生，但是就会增加润 滑油的泄露，这是一个相互矛盾的现实，所以油封问隙这个“度”很难掌握，稍有不慎， 就会产生“抱轴”，所以用填塞或阻塞的方法也是不是最优化的。 对于填料密封来讲，它的结构简单，拆装方便，成本低廉，有一定的可行性，但填 离心泉轴头甩油分析及对策研究 料压紧力沿轴向分布不均匀，轴套在靠近压盖处磨损较快，自身要求不高，允许少量泄 漏，维修工作量大，对合理装配有一定要求，且需定期更换填料，故而也不易采用。 骨架密封也是属于阻塞的方法，它的结构是橡胶环行套中间用弹簧作为骨架，紧紧 抱在轴上，安装位置小，不仅具有填料密封结构简单、拆装方便、成本低廉的特点，又 有机械密封摩察损耗小、寿命长、密封性可靠的性能，但这种结构对轴的光洁度，密封 面的加工质量有一定要求，对橡胶材料要求较严，要耐油，耐磨檫等，增加能耗，与轴 之i 甸还会产生磨擦热损伤轴。5 1 不宜采用。 e 考虑流阻反输或几种方案的综合 流阻反输是利用密封件狭窄的间隙或曲折途径造成密封所需要的流体阻力或利用 密封件对泄漏体造成反压使之部分平或完全平衡将流体反输到上游已达到密封的目的， 其特点是不存在机械磨擦结构，可以设计得很紧凑，这是一个较为可行的密封方法。 流体反输，也称动压，包括迷宫螺旋密封，动液密封，螺旋密封，离心密封( 典型 的密封形式如叶轮密封) 。从结构上看迷宫螺旋密封、螺旋密封都是可行的，二者相比 较密封效果基本接近，但是螺旋密封在制造、安装及拆卸上更为方便快捷，节省人力和 时间，更适于炼油化工这样的连续化流程性企业。因此我们优先考虑螺旋密封，离心密 封可与螺旋密封配合使用，也可考虑。 综上所述，根据石油化工企业离心泵轴头甩油的特点，考虑到方案的可行性与经济 性，论文选定螺旋密封和离心密封相结合的解决方案。 4 离心泵轴头甩油分析及剐策研究 4 螺旋密封和离心密封 4 1 螺旋密封的基本结构及工作原理 螺旋密封属于新型非接触型流体动密刻，他的基本结构是：在密封部位的轴或孔的 表面上，或者同时在轴或孔上，切出螺旋槽：若螺旋槽开在轴上，则称其为螺杆式螺旋 密封，目前较常用；若螺旋槽开在孔上，则为螺套式螺旋密封；若在两者的表面上同时 切出旋向相反的螺旋槽，则称为迷宫式螺旋密封。动压型螺旋密封主要是由光滑衬套( 光 轴) 与螺杆( 螺套) 组成。当螺杆( 轴) 旋转时，液体摩擦力作用在螺旋槽内的液体上， 使之产生轴向反压。其值与密封腔内压力p 相等，就此消除液体外漏达到密封作用。 这种流体动压反输型螺旋密封是依靠被密封液体的粘滞力产生压头来封住介质的，因此 又叫它粘滞密封。1 1 】 螺旋密封的工作原理简单说就是在轴与静止壳体之间有一个狭小的螺旋槽，其中充 满粘性流体。当轴旋转时候，螺旋槽对液体施加一个推进力，进行能量交换，使轴的旋 转动能转换成粘性液体的压力能，从而形成密封压头，即螺旋密封的泵送效应。该压头 与被密封流体压力相平衡，便能够阻止液体泄漏。螺旋密封的工作原理概括说就是利用 机械效应、节流效应来实现密封的。 图4 一l 螺旋密封原理图 ( f i g u r e4 - 1 p r i n c i p l e o fs c r e w s e a l s ) 螺旋密封可以用螺杆也可以用螺套。可以采用右旋螺纹或左旋螺纹。但是为了实 现正确的密封，必须孬清楚螺旋密封的赶油方向，下表列出螺旋旋向和轴的转向与赶油 方向的关系。 i5 离心泉轴头甩油分析及对策研究 轴转向 右转( 顺时针) 左转( 逆时针) 螺旋阳螺纹阴螺纹阳螺纹阴螺纹 种类( 螺杆)( 螺套)( 螺杆)( 螺套) 螺旋旋向右旋左旋右旋左旋右旋左旋右旋左旋 高压侧右边左边左边右边左边右边右边左边 低压侧左边右边右边左边右边左边左边右边 流向 表1螺旋旋向、轴的转向与赶油方向关系表。 ( t a b l e1 r u n n i n gd i r e c t i o n 在螺旋密封中，存在着尖角和节流效应，无论螺旋密封是采用何种形式的螺旋沟 槽，经过机械加工后必然会形成一个尖角，我们以矩形螺旋槽为例子进行说明。如图4 2 所示，当液体通过矩形槽的尖角时会产生局部压力损失，另外，当液体通过截面时候通 流面积变大和变小会形成涡流，这样也会产生局部压力损失，这些局部压力损失减缓和 阻止了液体向外面的流动，起到密封作用。 内 图4 2 ( f i g u r e 4 2 尖角和节流效应图 4 2螺旋密封的主要参数 外 4 2 1 流量平衡 螺旋密封的螺旋槽内和螺旋与衬套间隙内存在着液体的流动，主要是两种流动。 离心象轴头甩油分析及对策研究 a 泵送流量( 反输) q ， 在螺旋槽内液体是依靠粘性，“生剪切流动，又称泵送流量 式中 q i = “rc o s 2 a a j 2 u t 一螺旋周速，m s n 一一一一一螺旋角 a 一一一一一一一一一槽宽，m h 一一齿高，m i 一一螺纹头数 b 泄漏流动( 压差流动) 4 一1 ( 1 )沿螺旋槽的泄漏流动 在螺旋密封两端有系统压力与大气压力的压差卸作用，密封腔内介质在 此压差作用下产生压差流动即泄漏流动，其泄漏量为：【1 式中 4 2 系统压力与大气压力压差，p a 总间隙，m 介质动力粘度，p a s 口一一一螺旋角 螺纹头数 a 一一一一一一槽宽，m l 一浸湿长度，m ( 2 )跨越螺旋槽的泄漏量 里a薹| | 恤一一工 ，。l 竺蛳 = q ：曼：生墨塑墨璺垫坌塑墨翌篁竺堑 1 9 7 5 年，英国学者克里斯( c r e a s e a b ) 根据“流量平衡”观点提出的沿螺旋槽和 跨越螺旋槽的泄漏量之和等于泵送流量是零泄露密封的条件。【9 】 q 3 = a p i s 瓦3 ( a + 面b ) c 矿t g c t c o s 2 a 卜3 式中 a p - - -系统压力与大气压力压差，p a 螺纹头数 s 一一一螺旋导程，m 一一一一：一一介质动力粘度，p a s 口一一一螺旋角 a 一一一槽宽，m b 一一齿宽，1 t i l 一一一浸湿长度，m d u = a + b 总泄漏量为q q = q2 + q3 因此， 当q ，- q 时，达到流量平衡，即介质不往外泄漏。 4 2 2 密封能力 1 9 2 5 年，科学家龚倍尔一埃佛林格，从压力平衡观点提出的密封能力公式：1 1 1 a p = 3 u c o d l c s 2 4 - - 4 上面公式中c 。为层流工况下螺旋密封的增压系数，它只与螺旋本身的几何参数有 气神一x v 一- p t ) 2 而f 而赫 离心蒙轴头甩油分析及对黄研究 式中 u = “( a + b ) 一- 卡目对槽宽 v = ( h + s ) s 相对槽深 t - t g o ：螺旋角的正切 一- 一一轴的角速度 b 一螺旋台宽 4 2 3 功率消耗 科学家勃恩和泰尔经过大量实验与研究，给出下面计算螺旋密封功率消耗的计算 公式： n = l c , u c 0 2 d 3 三q 4 h 4 5 】 式中 c 。为功率消耗系数 c 。公式中的加号前的部分为剪切流所导致的功率消耗，加号后的部分为压差 流所导致的功率消耗。 4 2 4 最佳参数 克里斯认为，密封能力ap e 最大时取密封系数为最佳值。 取窭：0 ，则得u = o 5 硎 取皇o e t2 。，= v 3 ：南则得t 2 。2 8 。6 6 + “n 一甜_ ) ( v ) 一l r 。 取挈：o ，则得v ：3 6 5 3 3 于是，曩；x 2 a p = 3 c f d l s2 = o 2 7 3 5 3 t c o d l s 2 ， 最小a p = 36 5 8 9 x o ) d l s 2 等 一 离心采轴头甩油分析及对策研究 4 3 螺旋密封的一般性设计过程 4 3 1 螺旋密封几何参数的选取 为了具体的设计计算，我们首先说明一般性的设计过程，然后再根据具体结构进行 计算。 螺旋的独立参数包括：密封间隙s ，螺旋角n ，槽宽a ，槽深h ，齿宽b 。 螺旋的非独立参数包括：螺旋导程s ，螺旋头数i 。他们可用上述独立参数表示 为： s = z c d t a n 口 4 6 】 i = s ( a 十b )【4 7 】 在给定d 和c 下影响密封性能的独立无量纲参数有四个： t = t a n o t b l = a ( a 十6 、 v = ( + j ) s w = 口h 【4 8 4 9 】 【4 1 0 】 4 一1 1 螺旋密封的性能主要是： 第一， 对于螺旋主体来说，指单位压差下浸湿长度l p 和n p 的大小。 第二，对于螺旋低压端来说，是指密封失效发生的迟早和强度；对于高压端来说， 是指无效螺旋长度的大小 参数的选取。可根据前面所述一些资料推荐参数进行选取，如果从能够产生最大 压差角度选取，可选螺旋参数t = o 2 8 0 7 即= 1 5 0 3 9 1 ，u = o 6 ，v = 3 6 5 3 ，同样长度 下可产生撮大密封压差，但功率消耗要大些。而如果从综合角度考虑，把功耗考虑 在内，按前述观点可选较小的t 值和较大的u 值。 4 3 2 参