（机械工程专业论文）机械密封在机泵上的应用及故障处理.pdf

摘要 摘要 机械密封是流体机械和动力机械中不可缺少的零部件。它对整台机器设备、 整套装置、甚至对整个工厂的安全生产影响度很大，特别是在石油化工企业中， 对保证设备运转可靠、装置连续生产具有重大的意义。在石油化工企业中，所处 理的流体大多数具有腐蚀性、可燃性、易爆炸及毒性。一旦密封失效、介质泄漏， 不仅污染环境，影响人体健康和产品质量，而且还会导致火灾、爆炸和人身伤亡 等重大事故。因此，不仅要注意和避免肉眼可视的液体泄漏，还应该避免不可视 气体的逸出。 针对上述问题，本文以中石化济南分公司生产现场出现的泄露问题为研究对 象，从机械密封的选材、安装及结构优化等方面对机械密封泄漏问题开展相关研 究。首先在总结国内外机械密封技术研究现状及端面密封的基本结构、原理和要 求的基础上，揭示了轻烃泵在生产现场中出现泄露的失效机理，进而对机械密封 的失效形式进行了归纳、总结，从结构上方面对机泵的机械密封失效特点和规律 乞一 进行了研究，最后以中石化济南分公司原料泵为研究对象，对原有的结构设计提 出了改进措施并在工程实践中进行应用，应用效果表明，新改进的结构有效改善 了机械密封特性，对设备维护和检修起到了示范作用。 关键词机泵；机械密封；故障处理；失效原因；泄漏；安全； 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e c h a n i c a ls e a li so n eo ft h ee s s e n t i a lp a r t so ff l u i dm a c h i n e r ya n dd y n a m i c m e c h a n i c a l i ti si m p o r t a n tf o r t h es a f e t yo fw h o l ee q u i p m e n ta n dt h ew h o l e e q u i p m e n t s ，e s p e c i a l l yi nt h ep e t r o c h e m i c a lc o m p a n i e s i t so fg r e a ts i g n i f i c a n e et o e n s r r er e l i a b l ee q u i p m e n to p e r a t i o n , i n s t a l l a t i o no fc o n t i n u o u sp r o d u c t i o n i nt h e s i n o p e ce n t e r p r i s e ，t h ef l u i dh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o r r o s i v e ，f l a m m a b l e ，e x p l o s i v e a n dt o x i c i ts h o u l db eh a n d l e dc a r e f u l l yt oe n s u r et h eh u m a nh e a l t ha n dq u a l i t yo f p r o d u c t s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r y t oa v o i dv i s i b l el i q u i dl e a k a g ea n de s c a p i n go ft h e i n v i s i b l eg a s i nr e s p o n s et ot h e s ei s s u e s ，an e wm e c h a n i c a ls e a lt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di nt h i s p a p e r b a s i cs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fe n df a c es e a l i n gf o rt h el e a k a g eo fs i n o p c c p r o d u c t i o ni sa l s oa n a l y z e d b a s e do nt h es t u d yo f d o m e s t i ca n df o r e i g nt e c h n o l o g yo f m e c h a n i c a ls e a l ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep u m pm e c h a n i c a ls e a la n dt h ef a i l u r e m e c h a n i s ma r ea n a l y z e d t a k et h ep u m po fj i n a ns i n o p e ce n t e r p r i s ea sa l le x a m p l e ， t h ec a u s e so fm e c h a n i c a ls e a ll e a k a g ei si n v e s t i g a t e d a ni m p r o v e m e n td e s i g nf o rt h e o r i g i n a ls t r u c t u r ei ne n g i n e e r i n gp r a c t i c ei sp u tf o r w a r d i ti s s h o w nt h a tt h en e w m e c h a n i c a ls e a ls t r u c t u r ei m p r o v e st h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sg r e a t l y k e y w o r d ：p u m p ；m e c h a n i c a ls e a l ；t r o u b l e s h o o t i n g ；r e a s o no ff a i l u r e ；l e a k a g e ； s a f e t y ； u c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c ti ne n g l i s h i i 1 i n t r o u d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t o r yp o r t i o n 1 1 2c o m p o s i t i o no fm e c h a n i c a ls e a l sa n ds e a l i n gm e c h a n i s m 2 1 2 1c o m p o s i t i o no f m e c h a n i c a ls e a l s 2 1 2 2s e a l i n gm e c h a n i s m 3 1 3r e s e a r c hs t a t u so fs c a l i n gi nd o m e s t i ca n df o r e i g n 4 1 3 1r e s e a r c ha b o u te n d - f a c ef r i c t i o no f s e a l i n g 4 1 3 2r e s e a r c ha b o u th y d r o d y n a m i cs e a l 5 1 3 3r e s e a r c ha b o u th e a te f f e c to f m e c h a n i c a ls e a l s 7 1 3 4r e s e a r c ha b o u ts t r u c t u r eo f m e c h a n i c a ls e a l s 8 1 4b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h 8 1 4 1b a c k g r o u n do fm e c h a n i c a ls e a l s 8 1 4 2s i g n i f i c a n c eo f m e c h a n i c a ls e a l s 1 0 1 5s t r u c t u r es y s t e mo f p a p e r 1 0 2 f a i l u r em e c h a n i s m so fm e c h a n i c a ls e a l s li 2 1s e a l i n gf a i l u r ec a u s e db yc o r r s i o n ii 2 1 ic o r r s i o nt y p e 11 2 1 2c a u s ea n a l y s i so fc o r r s i o nl e a k a g eo fe n v i r o n m e n t a l 12 2 22 2f a i l u r em e c h a n i s m so f m e c h a n i c a lw e a l 。1 4 2 2 1e n d f a c ef r i c t i o na n dw e a rm e c h a n i s m 15 2 2 2t h ea n a l y s i so f t h et y p i c a lc o r r s i o nf a i l u r e 1 8 2 3s e a l i n gf a i l u r ed u et ot h ei m p r o p e rm a t e r i a lo ff r i c t i o np a i r 1 9 2 4t h ef a i l u r eo f h e a t1 0 s s 2 2 2 5s u m m a r y 2 2 3 f a i l u r ep h e n o m e n o na n dr c a s o l lo ft h ep u m pw h e nu s i n gm e c h a n i c a ls e a l s 2 3 i i i 3 1c 0 】：n m o nf a i l u r ea n dr e a s o n 2 3 3 1 1l e a k a g ei nh y d r o s t a t i cp r e s s u r et e s t i n g ”2 3 3 1 2p e r i o d i c a la n dp a r o x y s m a ll e a k a g e 2 3 3 1 3c o m m o nl e a k a g eo f m e c h a n i c a ls e a l 2 4 3 1 4i i l t e n s ev i b r a t i o no f m e c h a n i c a ls e a l 2 7 3 1 5s e a l i n g l e a k a g ec a u s e db ye v a c u a t i n gp u m p 2 7 3 1 6s e a l i n gl e a k a g ec a u s e db yc a v i t a t i o ni nt h es e a l i n gc h a m b e r 2 7 3 1 7s e a l i n g l e a k a g ec a u s e db yg a s i f i c a t i o no f e n d f a c e 2 7 3 1 8s e a l i n gl e a k a g ec a u s e db ys e v e r ev i b r a t i o no f p u m p 2 8 3 1 9s e a l i n gf a i l u r eo f t h eu n w a s h e ds e a l i n g 2 8 3 2s u m m a r y 2 8 4 t r o u b l e s h o o t i n gm e a s u r e so f m e c h a n i c a ls e a l 2 9 4 1t h es c e n ed e s c r i b e d 3 2 4 2s t l l l c t i l f ef i 焰n l r e so fm e c h a n i c a ls e a lo fd b m 9 0 ab e l l o w s 3 2 4 2 1b a s i cp e r f o r m a n c ea n dg e o m e t r i cp a r a m e t e r so fd b m 9 0 ab e l l o w s “3 2 4 3m e c h a n i c a la n a l y s i so f m e c h a n i c a ls e a l 3 4 4 3 1m e c h a n i c a la n a l y s i so fs e a l i n ge n d f a c e 3 4 4 3 2e n df a c ep r e s s u r e ”3 5 4 3 3p vv a l u e 3 5 4 4f a i l u r ep h e n o m e n o na n dr e a s o no fs e a l i n go fh i g h - t e m p e r a t u r ep u m p 3 6 4 4 1o v e r v i e wa b o u tt h ef e e dp u m p 3 6 4 4 2f a i l u r ea n a l y s i s 3 7 4 4 3i m p r o v e m e r i tm e a s u r e sa n de f f e c t 4 3 4 5s u m m a r y 4 9 5c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 4 9 5 1c o n c l u s i o n 4 9 5 2p r o s p e c t 5 0 r e f e r e n c e 5 l a k n o w l e g e m e n t 5 5 i v 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 一直以来，机泵的密封一直采用填料密封作为主要的密封形式，用来抑制液 体从泵壳体沿着主轴的向外泄漏。然而，随着密封技术的不断发展，人们在机泵 密封的使用上已经越来越严格，采用填料密封已不能满足生产需要，特别是针对 现代工艺流程中比较普遍的、腐蚀性较强的液体。因此，在实际应用中，机械密 封已经逐渐代替了填料密封。 近几十年来，机械密封技术有了很大的发展。由于机械密封有着工作可靠、 泄漏量少、使用寿命长、适用范围广等优点，故在工业中获得了广泛的应用。尤 其是在石油化工机泵中应用最广，在炼油工艺装置中8 5 以上机泵使用了机械密 封。 随着石油炼化行业的不断发展，对企业的安全、平稳以及尽可能的长周期运 行提出了更高的要求。机泵的平稳运转就是企业安全生产的核心，如何提高机泵 的运行效率，抑制机泵密封泄漏是关键。近些年来，随着原油性质的不断变化， 石化企业频繁发生因密封泄漏而导致着火的事故，严重影响了正常生产。因此， 为了使机器设备能在高效率下安全可靠的长时间连续运转，必须重视发展密封技 术。本文首先介绍了机械密封的原理，通过分析机械密封各种失效的原因，达到 尽可能避免或减少泄漏事故发生的目的。同时考虑到近期石化行业中由于高温热 油泵密封泄漏出现的着火事故较多，如扬子石化常压塔底泵p - 2 11 5 b 密封泄漏着 火、武汉石化常压泵p - 1 0 1 5 b 密封泄露着火、以及广州分公司三中油泵p 一2 1 1 7 a 密封泄露着火事故等等，严重影响了企业的正常生产。通过对上述三起事故进行 事故分析，发现了一个共同点，均是密封动、静环破裂失效以及端面失效导致泄 漏着火。其中广州分公司p - 2 11 7 a 泵轴承损坏是导致该泵泄漏的一方面原因。最 后，结合泄漏原因，以中石化济南分公司二催化车间热油泵p - 2 0 1 1 、2 为例，借 助于密封原理，详细分析了热油泵机械密封泄漏的原因及解决措施，为其它石化 行业提供一些可靠性帮助。 山东大学硕+ 学位论文 1 2 机械密封- 的组成及密封机理 1 2 1 机械密封的组成 机械密封又称端面密封，是靠一对或数对垂直于轴做相对滑动的端面在流体压力 和补偿机构的弹力( 或磁力) 作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置 n 】。即：有一对垂直于旋转轴线的端面，该端面在流体压力及补偿机械外弹力的作用 下，依赖辅助密封的配合与另一端保持贴合，并相对滑动，从而防止流体泄漏，它是 有由以下及部分结构组成的。 ( 1 ) 端面密封副( 动、静环) 端面密封副的作用是使密封面紧密结合，防止介质 泄漏。它要求静、动环具有良好的耐磨性，动环可以轴向灵活地移动，自动补偿密封 面磨损，使之与静环良好地贴合；静环具有浮动性，起缓冲作用。为此密封面要求有 良好的加工质量，保证密封副有良好的贴合性能。 ( 2 ) 弹性元件( 弹簧、波纹管、隔膜等) 它主要起预紧、补偿和缓冲的作用，要 求始终保持足够的弹性来克服辅助密封和传动件的摩擦和动环等的惯性，保证端面密 封副良好的贴合和动环的追随性，材料要求为耐腐蚀、耐疲劳。 ( 3 ) 传动件( 传动销、传动环、传动座、传动键、传动突耳) 它起到将轴的转矩 传给动环的作用。材料要求耐磨和耐腐蚀。 ( 4 ) 紧固件( 紧定螺钉、弹簧座、压盖、组装套、轴套) 它起到动、静环的定位、 紧固的作用。要求轴向定位正确，保证一定的弹簧压缩量，使密封副的密封面处于正 确的位置并保持良好的贴合。同时要求拆装方便，容易就位、能重复利用。与辅助密 封配合处、安装密封圈要有导向倒角和压弹量，应特别注意动环辅助密封件与轴套配 合处要求耐磨损和耐腐蚀，必要时与轴套配合处可采用硬面覆层。 ( 5 ) 辅助密封( o 形圈、v 形圈、u 形圈、楔形圈和异性圈) 它主要起静环和动环 的密封作用，同时也起到浮动和缓冲作用。要求静环的密封元件能保证静环与压盖之 间的密封性和静环有一定的浮动性，动环的密封元件能保证动环与轴或轴套之间的密 封性和动环的浮动性。材料要求耐热、耐寒并能与介质相容。 ( 6 ) 防转件( 防转销) 它起到防止静环转动和脱出的作用。要求有足够的长度， 防止静环在负压下脱出，并要求正确定位，防止静环随动环旋转。材料上要求耐腐蚀， 2 第1 章绪论 在必要时中间可以加四氟乙烯套，以避免损坏碳石墨静环。 1 2 2 密封原理 机械密封通常由动环、静环、压紧元件和密封元件组成。其中动环随泵轴一 起旋转，动环和静环紧密贴合组成密封面，以防止介质泄漏。动环靠密封室中液 体的压力使其端面压紧在静环端面上，并在两环端面上产生适当的比压和保持一 层极薄的液体膜而达到密封的目的。压紧元件产生压力，可使泵在不运转状态下， 也保持端面贴合，保证密封介质不外漏，并防止杂质进入密封端面。密封元件起 密封动环与轴的间隙、静环与压盖的间隙的作用，同时弹性元件对泵的振动、冲 击起缓冲作用。机械密封在实际运行中是与泵的其它零部件一起组合起来运行的， 机械密封的正常运行与它的自身性能、外部条件都有很大的关系。但是要首先保 证自身的零件性能、辅助密封装置和安装的技术要求，使机械密封发挥它应有的 作用。机械密封本身有4 个密封点，即4 个泄漏点，在实际生产中也是依靠各自的 密封原理来实现密封的。分别为： lj ( 1 ) 摩擦端面泄漏点，为动密封点，在两个摩擦副之间有相对转动，是依靠 弹力和介质压力来保持贴和的。在图1 - 1 中显示为泄漏点1 ； ( 2 ) 补偿环密封圈，为静密封点，在密封圈与轴或轴套之间有微动，是依靠 密封圈的过盈量来实现密封。在图1 - 1 中显示为泄漏点2 。 ( 3 ) 非补偿环密封圈，为静密封点，在密封圈与相配合件之间相对静止，是 依靠密封圈的过盈量来实现密封。在图1 - 1 中显示为泄漏点3 。 ( 4 ) 压盖与腔体间的密封圈，为静密封点，在密封圈与相配合件之间相对静 止依靠密封圈的过盈量实现密封。在图1 - 1 中显示为泄漏点4 。 3 山东大学硕士学位论文 端盖 5 43 2 1 678 图1 1机械密封基本结构( 旋转式) l 一补偿环2 一补偿环辅助密封圈3 一弹簧4 一弹簧座 5 一紧固螺钉6 一非补偿环7 一非补偿环辅助密封圈 8 一防转销 1 3 机械密封的国内外研究现状 机械密封虽然看起来就是几个简单的机械零件，比起一台机泵来说要简单的 多。但是在机泵上的作用却是很重要的，如果密封不好，机泵就无法工作。在石 油化工生产装之中，如果密封不好而导致泄漏，严重的还将引起重大事故。目前 石化行业中，8 0 - - 9 0 的叶片泵采用了机械密封；而在国外的机械装置中，其用 量甚至占到了全部密封件的9 0 9 6 以上。目前主要从以下几方面进行主要研究。 1 3 1 密封端面摩擦的研究 因为端面间的摩擦是决定密封性能的首要原因，也是长期以来研究的热点。 m a y e r 认为普通机械密封的界面一般为边界摩擦n 1 ，并基于边界摩擦学说提出了流 体交换流动理论；n a u 认为：目前应用的机械密封大都处于流体动力摩擦乜1 。l e b e c k 的实验研究则表明，在水润滑条件下的普通机械密封中并不能形成足够的流体动 压承载能力口1 ；a 戈卢别夫研究了缝隙内的流体流动，指出密封元件的热弹性变 4 第1 章绪论 形与表面缺陷之间的关系险1 ；s u m m e r s - s m i t h 等证明在一定条件下，端面处于混合 摩擦状态“1 。因而对于普通机械密封，大多数人所接受的为混合摩擦学说，即机 械密封正常工作状态为混合摩擦，在开、停车会出现干摩擦，在润滑性良好的工 况可能会出现边界摩擦。 同时，c h r i s t e n s e n 给出了详细的混合摩擦理论分析，并建立模型口1 ；戈建志 等在c h r i s t e n s e n 的基础上，建立处于流体动压润滑的理论模型，并通过实验对 其进行验证陌3 ；葛培琪根据r e 方程和弹性固体接触理论，建立了混合摩擦模型， 并给出了计算流程和实例陋1 。这些为机械密封机理的研究奠定了一定的理论基础。 1 3 2 流体动压密封的研究 此方向是对摩擦状态研究的衍生。2 0 世纪6 0 年代初，实验证实了由于端面 几何特性和运转振动的存在，机械密封界面会产生流体动压和载荷。目前不仅能 用仪器测试流体膜的参数，并已经研究了不少成膜效应，新建了很多密封结构模 型。流体动压效应是目前国际上公认的机械密封流体膜承载机理h 1 ，主要通过端 面形貌特征来实现。 ( 1 ) 摩擦副表面特征的流体动压密封研究 表面粗糙度的研究 在机械密封运转中，由于密封摩擦表面粗糙度引起的凹凸不平，在受热、振 动后使两摩擦副接触，从而形成很小的润滑楔，产生流体动压效应。c h r i s t e n s e n 提出的混合摩擦模型b 3 ，考虑了粗糙度的作用，是对其进行的最早研究之一；戈 建志等的研究表明：对于密封油类等粘度较大的流体，密封端面可以处于流体动 压摩擦状态下嘲。但是这些模型还没有用到接触型密封。 表面波度的研究 这方面的研究相对较早且较广泛b 1 ：s t a n h a n - b a t c h 和i n y 等给出了由波度引 起的流体动压实验结果，并建立了数学模型：l e b e c k 提出了一个考虑到粗糙度影 响计算波度引起的润滑作用的扩展模型，还进行了水中的波度密封实验。上述研 究表明，端面中确实能产生流体动压开启力，且在某些情况下，波度是密封能够 成功运转的原因。但是这些研究仅针对由于机加工产生的波度进行的，而实际两 5 山东大学硕士学位论文 端面接触时，这种波度大都被压平，也就无从谈起其动压润滑作用。在实际运转 中，由于热、力变形产生波度的动压效应却因为涉及热、力变形以及流固耦合等 复杂问题很难开展。 锥面密封的研究 d a v i e 最早提出密封中存在微观不平度口1 ，并给出了端面楔形空间的压力变化 有“承载能力”的概念嗍。e t s i o n 研究了锥面密封的径向力起源阻3 ，给出了径向力 和流体动压力表达式，并用数学方法得到动压承载力、刚度和倾斜率与泄漏量的 关系，分析了锥面密封的理论可行性；在这些工作的基础上，得出了在同时存在 周向波度和径向锥度的非接触密封适用的数学特征方法，给出了零泄漏的概念 阻埘。实际研究表明，由于安装、磨损或热、力变形引起的径向锥度，可以在短期 内有一定的承载能力和动压效应，但是仅靠它是很难形成动压效应的，而且要控 制维持这个锥度也很复杂，因而在工程中很少应用。 空化现象的研究 f i n d l y 于1 9 6 8 年提出机械密封中的空化现象，并分析了在一定空化工况下波 度密封的压力分布n 1 3 ；h u g h e s 等的研究表明，空穴的存在确实能产生不稳定的全 液膜承载作用1 。n a u 在实验中观察了机械密封的空化现象n 妇，并用控制容积法分 析密封边缘与空化边界控制单元，求出空化边界的坐标值；顾永泉在汽液两相流 理论的应用及空化边界的确定上进行了研究口1 ，这种现象使得流体膜不会因为正负 压相抵而失去承载能力，反而有一定的密封和保护作用，但其热效应会产生很大 的不良影响。空化现象使本来就很复杂的问题更加难以解决，尤其是热不稳问题 和边界条件的确定有待于进一步研究。 ( 2 ) 端面改型的流体动压密封研究 端面改型乃是通过在密封端面上开设各种形式的沟槽来改变端面间润滑状况 实现机械密封长寿命运行。近年来新发展的有零泄漏密封技术、干气密封技术、上 游泵送密封技术和热流体楔密封技术等。2 0 世纪6 0 年代初，e t s i o n 等对锥面密 封进行了广泛的研究阳j 们，并提出了非接触和零泄漏的概念，同时受流体动压轴承 的启示，人们开始对端面改型动压密封的研究。m u i j d e r m a n 在w h i p p l e 的基础上， 得到的窄轴承理论，为流体动压型密封的研究奠定了理论基础口1 。 6 第1 章绪论 零泄漏人字螺旋槽轴承的研究首先应用在气体密封上，1 9 6 8 年j o h nc r a n e 公司研制成功，并在1 9 7 4 年成功应用于炼油厂的透平压缩机上。2 0 世纪8 0 年代， 气体密封研究日趋成熟。液气的试验研究虽几乎同时进行，但发展相对缓慢。自 s t o r m 等进行了高温液态钠的实验研究后，开始了在试验台上研究水润滑螺旋槽 密封性能。1 9 9 0 年b u c k 和n e t z e l 等介绍了“上游泵送 密封的结构、工作原理 和应用范围等n ；e t s i o n 对表面多孔的激光纹理液压轴承进行研究n 钔；顾永泉、 宋鹏云、彭建等也对这一技术进行了研究口j 5 1 耵，并在实验和应用中也有一定的进 展。 采用有限元( f e a ) 和计算机辅助设计( c a d ) 来模拟和预测各种条件下的密封性 能，并与相关试验数据相互验证，进行密封机理的研究以及结构参数的优化是近 期研究的热点。目前所用的槽型有周向台阶、斜面、直线槽、三角槽、矩形槽、螺 旋槽、多孔及其组合等，其中以螺旋槽及其组合最为典型。 1 3 3 机械密封的热影响研究 机械密封的热影响表现在2 个方面；( 1 ) 相变和相态稳定性问题；( 2 ) 热弹 性失稳和热变形问题。 h u g h e s 等一直研究两相流动状态下流体端面密封和环形密封的稳态和动态 特性口1 ，不但观测到了密封端面间的相变，还得出了存在全液膜承载平衡作用的 结论；由于流体内的粘性耗散作用，低压闪蒸和( 或) 产生的热可能引起相变；并 得出实际上大量的密封均在两相流动状态下运转的结论n 刀。顾永泉、彭旭东也在 此方面做了大量工作n 射，并研究出了相态监控系统，且得到了一定的工业应用。 b u r t o n 等提出了有关密封磨损对热弹性不稳定性的影响，并观测到局部热不 稳的情况，得到存在油膜的密封稳定条件，他还观测了端面由均匀接触向局部接 触转变产生干摩擦的过程，并得出干摩擦可能导致热裂的结论；g o l u b i e v 给出端 面密封热应力裂变抵抗力的公式；b l a c h 得出了存在均匀受热的密封环的热应力 方程，并用它来估计热流密度；n e t z e l 观测到端面密封的热弹性不稳定的情况。1 ， 随后在石墨环上做深切口以改善润滑、冷却条件，从而减轻热力学影响。现代 计算分析工具的发展使得该方向的研究成为可能，同时也推动了密封监控系统的 7 山东大学硕十学位论文 发展。 1 3 4 机械密封的结构研究 对于机械密封的结构来说，其主要分为机械密封部分和密封系统两个部分。 在机械密封的结构主要有一下几方面进行： ( 1 ) 摩擦副，主要在配对宽度、端面的精度以及宏观开槽等方面做了很多研 究，而且以宏观开槽为研究的热点： ( 2 ) 补偿机构，以弹簧的断裂为主，目前基本上所有的石化企业均已改用波 纹管形式n 引，尤其在炼油厂的热油泵、高温、低温泵等的使用效果更为突出； ( 3 ) 机械密封的使用过程中，对其端面配合要求是很高的，故对密封的安装 过程提出了严格要求，采用标准化的卡式或采用集装式结构的机械密封对用户的 使用提供了很多便利，能减少因安装带来的诸多不利影响。 ( 4 ) 在密封系统的研究方面，对密封冷却系统和密封反冲洗系统的研究已经 相对成熟。但是在一些工作条件苛刻的情况下( 如高温油泵、大型机组等) ，需 要引用组合式机械密封结构，而且需要对密封使用的过程监控系统和报警系统也 要相应的的深入研究，以便更快的发现问题、解决问题。 1 4 本文研究的背景、意义 1 4 1 研究机械密封的背景 机械密封( 又称端面密封) 是一种依靠弹性元件对静、动环端面密封副的预 紧和介质压力与弹性元件的压紧而达到密封的轴向端面密封装置，它是流体机械 和动力机械中不可缺少的零部件，如图1 - 2 所示机械密封的典型结构外型，由于 其有着工作可靠，泄漏量少、使用寿命长，适用范围广等优点，故在炼油、化工、 核电、航空等工业中得到了广泛的应用，特别在石化企业中它对整台机器设备、 整套装置，甚至整个工厂的安、稳、长、满、优地运行起到了关键的作用。据行 业统计，在炼油装置中8 5 以上的机泵使用了机械密封，这主要因为机械密封与 8 第1 章绪论 曼皇曼皇皇i l 鼍曼曼曼曼曼曼量曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! ! ! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼量曼曼曼曼曼 填料、径向等密封结构相比具有提高机器效率、降低能耗、节约原材料、提高机 器可靠性和安全环保等优特点。 济南炼化公司是国内中型的炼油企业之一，具有5 0 0 万吨年综合炼油规模， 所处理的流体多数具有腐蚀性、可燃性、易爆性和有毒性，一旦密封失效介质泄 漏，不仅污染环境，影响人体健康和产品质量，而且还会导致火灾、爆炸和人身 伤亡等重大事故，目前该公司大小装置3 2 套，机泵设备3 0 0 0 多台，其中约有9 0 的机泵使用机械密封，据2 0 0 3 2 0 0 6 年统计，在所有机泵故障检修中，因机械密 封泄漏原因的约占6 0 左右，每年仅机械密封更换材料费用就近3 0 0 万元。日本 j i sb 2 4 0 5 - 7 7 机械密封通用规范中规定，一般机械密封的寿命要求最低使用 一年，美国石油协会标准a p l 6 8 2 离心泵与转子泵密封系统规定，密封使用寿 命平均为3 年。而目前该公司机械密封平均寿命仅在1 2 年左右，但其中1 0 左 右的机泵占了近5 0 的密封更换率。从机械密封失效故障原因分析上来说，设计、 选用、安装、操作等诸多因素中，因振动原因直接造成密封泄漏或过早失效的比 重约为1 5 。记忆犹新的是2 0 0 4 年催化装置“3 3 0 ”着火事故，就是油浆泵因振 动过大造成密封泄漏引起的。 针对此现状，对机械密封进行深入的研究，找到其失效的原因，以提高机械 密封的性能和使用寿命，减少由于机械密封失效带来的损失显得尤为重要。因此， 为了能使机泵能安全可靠的长时间运转，本文针对机械密封的原理，详细分析了 热油泵机械密封泄漏的原因及解决措施，为其它石化行业提供一些可靠性帮助。 图1 - 2 典型的机械密封 9 山东大学硕士学何论文 1 4 2 研究机械密封的意义 济南炼化公司的绝大部分机泵设备所选用的机械密封，基本上是在新装置建 设时期根据工作条件设计确定的，而在实际使用中，经常有一些机械密封刚开始 就发生故障率高、使用寿命短等现象。实际上这些机械密封在设计、制造及组装 上就存在不少缺陷，如密封的选型、材料的选择等不适合泵的实际运行工况等。 但目前公司对密封的检验手段又相对落后，在遇到发生泄漏情况的密封时往往直 接更换而不是对该密封进行失效分析。因此，针对特定的设备，对机械密封性能 进行多方面的研究和分析，找到故障的原因和解决的方法，对提高机械密封的工 作性能和使用寿命，减少故障发生率，降低设备运作成本具有非常重要的作用因 机械密封的价格相对较高，为减少生产成本，相当一部分的机械密封有修复再利 用的价值 所以本篇论文主要论述了机械密封在机泵上的应用。通过对机械密封失效机 理的分析，可以提高机械密封的工作可靠性，防止失效。可以在出现故障时可以 做出准确判断以防止事故的扩大化。 1 5 论文结构体系 本论文的结构体系如图1 3 所示： 绪论 机械密封失效机理及处理 机械密封运用在机泵时的 故障表现及原因 机械密封的故障处理措施 结论与展望 引出机械密封的工作原理 机械密封的研究现状 研究的背景及意义 列出各种形式的泄漏方式 图1 - 3 本文结构体系 l o 找出泄漏的原因 第2 章机械密封失效机理分析及改进措施 第2 章机械密封失效机理分析 在实际生产中，不同的生产条件及操作条件对机械密封的影响产生重要影响， 并导致机械密封失效。在阐述导致常见机械密封失效原因如腐蚀损坏、机械磨损、 热损坏等引的基础上。重点分析了轻烃泵的失效特点，研究了其失效机理与失效 规律。 2 1 腐蚀引起的机械密封失效 机械密封的损坏有多种原因，比较复杂，但由于腐蚀导致密封失效是最为常 见的，下面从三方面对机械密封腐蚀损坏的原因进行了分析，以便采取正确的防 护措施来提高机械密封的性能。一 2 1 1 腐蚀机理 ( 1 ) 金属环腐蚀 表面均匀腐蚀。如果金属环表面接触腐蚀介质，而金属本身又不耐腐蚀， 就会产生表面腐蚀，其现象是泄漏、早期磨损、破坏、发声等。金属表面均匀腐 蚀有成膜和无膜两种形态，无膜的金属腐蚀很危险，腐蚀过程以一定的速度进行， 这主要是选材错误造成的。成膜的腐蚀，其表面的膜对金属环一般具有保护作用， 但是一旦其表面的成膜在端面摩擦中破坏，从而导致密封腐蚀泄漏。 应力腐蚀破裂。金属在腐蚀和拉应力的同时作用下，首先在薄弱区产生裂 缝，进而向纵深发展，产生破裂，称为应力腐蚀破裂。选用堆焊硬质合金及铸铁、 碳化钨、碳化钛等密封环，容易出现应力腐蚀破裂。密封环裂纹一般是径向发散 型的，可以是一条或多条。 ( 2 ) 非金属环腐蚀 石墨环腐蚀。用树脂浸渍的不透性石墨环，它的腐蚀有3 个原因：一是当 端面过热，温度大于1 8 0 c 时，会使石墨环的耐磨性下降；二是浸渍的树脂若选择 不当，就会在介质中发生化学变化，也使耐磨性下降；三是树脂浸渍深度不够，当 山东大学硕十学位论文 磨去浸渍层后，耐磨性下降。 石墨环的氧化。在氧化性的介质中，端面在干摩擦或冷却不良时，产生3 5 0 4 0 0 的温度能使石墨环与氧发生反应，产生c 0 2 气体，可使端面变粗糙，甚 至破裂。 ( 3 ) 辅助密封圈及接触部位的腐蚀 辅助密封圈的腐蚀。橡胶种类不同，其耐蚀性亦不同。由于橡胶的腐蚀、 老化，其失效后表面会变粗糙且失去弹性，容易断裂。橡胶耐油性因品种而异， 不耐油的橡胶易胀大、摩擦力增大，浮动性不好，使密封失效。橡胶的耐温性较 差，硅橡胶耐温性最好，可在2 0 0 使用。 与辅助密封圈接触部位的腐蚀。机械密封动环、轴套、静环、静环座与橡 胶或f 4 辅助密封圈接触处没有大的相对运动，该处相对静止易形成死角，给与之 接触的金属轴套、动环、静环座及密封体等造成了特种腐蚀，主要有缝隙腐蚀、 摩振腐蚀、接触腐蚀，三种腐蚀同时存在，交替进行，所以腐蚀面较宽、较深。 2 1 2 引起腐蚀泄漏的环境分析 密封的腐蚀泄漏受各种因素的影响，其腐蚀类型也不尽相同，下面以油浆泵 为例，仔细分析下各种引起机械密封腐蚀泄漏失效的因素。 ( 1 ) 受工作介质的影响 油浆泵介质为分馏塔底油浆，温度为2 9 0 ，泵出口压力3 o m p a 。由于油浆中 含有一定量的硫化物，碱化物容易对密封的静环和动环辅助橡胶圈密封件产生腐 蚀作用，形成局部腐蚀。同时，由于机械密封的动环和轴套间缝隙狭小，在机泵 的运转过程中，介质流动受到窄缝的阻碍，生成惰性氧化层物，窄缝内溶液因供 氧不足，与间隙外的溶液之间形成浓差电池而在缝隙部分产生了缝隙腐蚀。 ( 2 ) 受机泵运行状况的影响 由于油浆泵是两级高速泵，而且运行过程中机泵的高压端轴向力也过大，导 致机泵振动偏大，机械密封的补偿机构起不到正常的补偿作用。因此，机械密封 在处于腐蚀的环境下，其金属波纹管也承受着应力腐蚀的情况。同时，由于该泵 介质温度高，所以氢扩散也随之加快，应力腐蚀破裂加快。密封环端面剧烈摩擦， 1 2 第2 章机械密封失效机理分析及改进措施 此时端面比压也增大，表面粗糙度大，摩擦热也对加速密封应力腐蚀起到了关键 影响。 2 2 机械磨损引起的机械密封失效 由于受生产条件及操作变化的影响，机械密封还是有失效泄漏的现象发生。 但是总的来说，机械密封相对于填料密封来说，其性能可靠，泄漏量小，使用寿 命长，且能适应于生产过程自动化和高温、高压、真空、高速以及各种强腐蚀性 介质、含固体颗粒介质等工作环境。 总结机械密封容易失效泄漏的部位，大体有以下几处：( 1 ) 轴套与轴间的密封 ( 2 ) 动环与轴套间的密封( 3 ) 动、静环间密封( 4 ) 对静环与静环座间的密封( 5 ) 密封 端盖与泵体间的密封。其中磨损是机械密封经常发生的一种失效形式。对于接触 式机械密封，掌握磨损规律，预计磨损率，设法延长耐磨寿命乃是一个重要问题。 磨损的主要形式及其转化，摩擦表面上可能出现的主要磨损形式有：粘着磨损， 磨料磨损，疲劳磨损，微动磨损和腐蚀磨损。表2 1 列出了各类磨损的特点及其对 材料性能的要求例。 表2 - 1 各类磨损的特点及其对材料性能的要求 1 3 山东大学硕士学位论文 2 2 1 端面摩擦与磨损机理 摩擦是指压力作用下两相互接触的物体在其接触表面上相对运动的现象。机 械密封在运行过程中无时无刻不存在摩擦，通常端面间的存在的摩擦状态有儿嘲： ( 1 )