導熱油循環泵機械密封設計選型討論

2013-10-21 熊偉嘉科工程( 上海) 有限公司

　　機械密封的使用壽命及運行良好與否直接影響泵組運行及系統安全，通過分析討論導熱油循環泵機械密封的操作工況以及密封失效的原因，提出相應的機械密封的配置方案，以滿足工藝操作要求。

　　導熱油循環泵是整個導熱油系統的核心設備，其運行狀態是否良好直接影響到生產裝置的操作。而機械密封又是關系到泵組穩定安全運行的關鍵部件。同時，高溫對機械密封設計選型一直是個難點。本文將結合某項目中的情況和相關資料對其進行分析討論。

1、工藝條件

　　某項目導熱油循環泵選用單級懸臂離心泵，泵殼采用中心支撐，其操作參數見表1。

2、高溫導熱油機械密封的主要失效原因

　　通常機械密封的工作溫度超過80℃時就視作高溫機械密封。在高溫下，密封主要會產生下列問題而導致密封失效泄漏：

　　(1)密封端面液膜汽化；

　　(2)摩擦副的熱應力和熱變形；

　　(3)組合件、鑲嵌件可能因配合不當而松脫(當采用鑲嵌部件時)；

表1 導熱油循環泵操作參數表

導熱油循環泵操作參數表

　　(4)輔助密封圈因高溫引起的老化、龜裂、粘結和彈性消失；

　　(5)彈簧疲勞和強度降低；

　　(6)材料的腐蝕和磨損加快。

　　另外，對于高溫導熱油泵來說，導熱油的高溫碳化結焦也會導致機械密封的失效。導熱油因高溫和長期操作而產生結焦顆粒會阻礙密封彈性部件或滑動部件的補償運動，從而導致密封面因壓力不足而分離造成密封失效、泄漏。

3、設計選型方案討論

　　由泵操作條件和高溫導熱油機械密封的失效原因來看，熱油循環泵的機械密封是一個典型的高溫型機械密封，且操作條件非常苛刻。因此，在機械密封選型設計時應考慮到以下幾點，以保證機械密封的正常運行。

　　3.1、冷卻密封腔介質、控制密封腔溫度

　　冷卻密封腔介質溫度可以減少或消除高溫對輔助密封圈的影響，避免液膜汽化，抑制密封腔內導熱油碳化結焦等，常見的方法有：

　　(1)采用冷卻器冷卻高溫介質后再返回至密封腔進行，APIPlan23或APIPlan21。

　　根據工廠操作人員的反饋，由于高溫熱油系統或多或少會有結焦顆粒存在，而經過長期運行結焦顆粒黏結在冷卻器換熱管壁上影響換熱效率和堵塞連接密封腔的管子，故不建議采用此方式。

　　(2)采用外部冷卻介質沖洗密封腔，APIPlan32。

　　由于導熱油系統為密閉循環加熱系統，因此外加冷卻介質沖洗不利于整個系統的長期穩定操作，故也不推薦使用。

　　(3)采用帶冷卻夾套的密封腔來控制密封腔溫度。

密封腔溫度與泵送介質溫度關系圖

說明：1.此曲線摘自國外某離心泵制造商選型手冊；2.冷卻水流量基于21℃入口溫度。

圖1 密封腔溫度與泵送介質溫度關系圖

　　對于這個方案，很多設計者和機械密封的制造商都擔心此方式的冷卻效率是否能夠滿足要求。根據泵廠商資料顯示，采用密封腔冷卻夾套是能夠有效地控制密封腔溫度的。請見圖1，對此泵操作條件來說，利用19L/min的冷卻水流量能夠將泵密封腔的溫度控制在97℃左右。

　　另外，為了提高密封腔冷卻夾套的換熱效率，應在密封腔的根部設置節流環，消除泵腔內高溫熱流體對密封腔的影響。

　　3.2、消除焦炭顆粒對機械密封的影響

　　采用大尺寸密封腔，利用泵自身旋轉產生的離心力將顆粒物帶離密封面和彈性元件，消除其對密封的影響。當泵靜止時，大尺寸密封腔的大空間可以使顆粒在重力的作用下沉積到密封腔的底部，而不是在密封面或密封部件上。

　　3.3、配備次級或備用密封

　　由于熱油的操作溫度高于其燃點，一旦熱油泄漏極容易引起火災。而且有些品牌或牌號的導熱油對人體和環境是有毒有害的。因此對密封泄漏進行二次封堵就顯得非常必要了。通常有兩種方式：(1)帶節流襯套的密封壓蓋加背部急冷；(2)雙端面機械密封加阻隔液或緩沖液。對于采用節流襯套+背部急冷的方式，應注意急冷液應采用軟水或冷凝水或低壓蒸氣，如采用冷卻水易在密封部件上結垢而導致密封部件失去彈性或直接磨損密封面。

　　最理想的是采用串聯雙端面機械密封+不帶壓力的緩沖液，APIPlan52。當高溫介質側的主密封面發生泄漏時，阻隔液壓力會升高；而當大氣側的次密封面發生泄漏時，阻隔液壓力會降低。由此便于維修人員判斷哪個密封面出現故障。高溫介質泄漏到緩沖液中也便于導熱油的回收而降低導熱油的消耗，減少生產操作費用。另外，為了加強緩沖液的循環而帶走兩個密封面摩擦產生的熱量，需要在兩個密封面之間加設泵送環。

　　3.4、消除熱膨脹影響

　　為了消除各種材料不同熱膨脹系數對機械密封的影響，應盡量選擇膨脹系數相近的材料，并采用集裝式的機械密封結構。在制造時，還應對材料進行穩定性熱處理，消除殘余應力。配備大尺寸密封腔也可以避免密封部件因熱膨脹而接觸泵體造成磨損。