導(dǎo)熱油循環(huán)泵機(jī)械密封設(shè)計(jì)選型討論
機(jī)械密封的使用壽命及運(yùn)行良好與否直接影響泵組運(yùn)行及系統(tǒng)安全，通過分析討論導(dǎo)熱油循環(huán)泵機(jī)械密封的操作工況以及密封失效的原因，提出相應(yīng)的機(jī)械密封的配置方案，以滿足工藝操作要求。
導(dǎo)熱油循環(huán)泵是整個(gè)導(dǎo)熱油系統(tǒng)的核心設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)是否良好直接影響到生產(chǎn)裝置的操作。而機(jī)械密封又是關(guān)系到泵組穩(wěn)定安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件。同時(shí)，高溫對(duì)機(jī)械密封設(shè)計(jì)選型一直是個(gè)難點(diǎn)。本文將結(jié)合某項(xiàng)目中的情況和相關(guān)資料對(duì)其進(jìn)行分析討論。
1、工藝條件
某項(xiàng)目導(dǎo)熱油循環(huán)泵選用單級(jí)懸臂離心泵，泵殼采用中心支撐，其操作參數(shù)見表1。
2、高溫導(dǎo)熱油機(jī)械密封的主要失效原因
通常機(jī)械密封的工作溫度超過80℃時(shí)就視作高溫機(jī)械密封。在高溫下，密封主要會(huì)產(chǎn)生下列問題而導(dǎo)致密封失效泄漏：
(1)密封端面液膜汽化；
(2)摩擦副的熱應(yīng)力和熱變形；
(3)組合件、鑲嵌件可能因配合不當(dāng)而松脫(當(dāng)采用鑲嵌部件時(shí))；
表1 導(dǎo)熱油循環(huán)泵操作參數(shù)表
(4)輔助密封圈因高溫引起的老化、龜裂、粘結(jié)和彈性消失；
(5)彈簧疲勞和強(qiáng)度降低；
(6)材料的腐蝕和磨損加快。
另外，對(duì)于高溫導(dǎo)熱油泵來說，導(dǎo)熱油的高溫碳化結(jié)焦也會(huì)導(dǎo)致機(jī)械密封的失效。導(dǎo)熱油因高溫和長(zhǎng)期操作而產(chǎn)生結(jié)焦顆粒會(huì)阻礙密封彈性部件或滑動(dòng)部件的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致密封面因壓力不足而分離造成密封失效、泄漏。
3、設(shè)計(jì)選型方案討論
由泵操作條件和高溫導(dǎo)熱油機(jī)械密封的失效原因來看，熱油循環(huán)泵的機(jī)械密封是一個(gè)典型的高溫型機(jī)械密封，且操作條件非�？量�。因此，在機(jī)械密封選型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到以下幾點(diǎn)，以保證機(jī)械密封的正常運(yùn)行。
3.1、冷卻密封腔介質(zhì)、控制密封腔溫度
冷卻密封腔介質(zhì)溫度可以減少或消除高溫對(duì)輔助密封圈的影響，避免液膜汽化，抑制密封腔內(nèi)導(dǎo)熱油碳化結(jié)焦等，常見的方法有：
(1)采用冷卻器冷卻高溫介質(zhì)后再返回至密封腔進(jìn)行，APIPlan23或APIPlan21。
根據(jù)工廠操作人員的反饋，由于高溫?zé)嵊拖到y(tǒng)或多或少會(huì)有結(jié)焦顆粒存在，而經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行結(jié)焦顆粒黏結(jié)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(zhì)沖洗密封腔，APIPlan32。
由于導(dǎo)熱油系統(tǒng)為密閉循環(huán)加熱系統(tǒng)，因此外加冷卻介質(zhì)沖洗不利于整個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)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。
說明：1.此曲線摘自國(guó)外某離心泵制造商選型手冊(cè)；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(zhì)溫度關(guān)系圖
對(duì)于這個(gè)方案，很多設(shè)計(jì)者和機(jī)械密封的制造商都擔(dān)心此方式的冷卻效率是否能夠滿足要求。根據(jù)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(qǐng)見圖1，對(duì)此泵操作條件來說，利用19L/min的冷卻水流量能夠?qū)⒈妹芊馇坏臏囟瓤刂圃?7℃左右。
另外，為了提高密封腔冷卻夾套的換熱效率，應(yīng)在密封腔的根部設(shè)置節(jié)流環(huán)，消除泵腔內(nèi)高溫?zé)崃黧w對(duì)密封腔的影響。
3.2、消除焦炭顆粒對(duì)機(jī)械密封的影響
采用大尺寸密封腔，利用泵自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將顆粒物帶離密封面和彈性元件，消除其對(duì)密封的影響。當(dāng)泵靜止時(shí)，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(jí)或備用密封
由于熱油的操作溫度高于其燃點(diǎn)，一旦熱油泄漏極容易引起火災(zāi)。而且有些品牌或牌號(hào)的導(dǎo)熱油對(duì)人體和環(huán)境是有毒有害的。因此對(duì)密封泄漏進(jìn)行二次封堵就顯得非常必要了。通常有兩種方式：(1)帶節(jié)流襯套的密封壓蓋加背部急冷；(2)雙端面機(jī)械密封加阻隔液或緩沖液。對(duì)于采用節(jié)流襯套+背部急冷的方式，應(yīng)注意急冷液應(yīng)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(jié)垢而導(dǎo)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(lián)雙端面機(jī)械密封+不帶壓力的緩沖液，APIPlan52。當(dāng)高溫介質(zhì)側(cè)的主密封面發(fā)生泄漏時(shí)，阻隔液壓力會(huì)升高；而當(dāng)大氣側(cè)的次密封面發(fā)生泄漏時(shí)，阻隔液壓力會(huì)降低。由此便于維修人員判斷哪個(gè)密封面出現(xiàn)故障。高溫介質(zhì)泄漏到緩沖液中也便于導(dǎo)熱油的回收而降低導(dǎo)熱油的消耗，減少生產(chǎn)操作費(fèi)用。另外，為了加強(qiáng)緩沖液的循環(huán)而帶走兩個(gè)密封面摩擦產(chǎn)生的熱量，需要在兩個(gè)密封面之間加設(shè)泵送環(huán)。
3.4、消除熱膨脹影響
為了消除各種材料不同熱膨脹系數(shù)對(duì)機(jī)械密封的影響，應(yīng)盡量選擇膨脹系數(shù)相近的材料，并采用集裝式的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)。在制造時(shí)，還應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行穩(wěn)定性熱處理，消除殘余應(yīng)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。
4、推薦的機(jī)械密封配置方案
綜合上述討論，推薦的導(dǎo)熱油循環(huán)泵機(jī)械密封配置方案如圖2所示，采用串聯(lián)雙端面機(jī)械密封，密封腔夾套冷卻，APIPlan02+52沖洗方案。
1-節(jié)流碳環(huán)；2-密封腔冷卻夾套；3-泵送環(huán)。
圖2 導(dǎo)熱油循環(huán)泵機(jī)械密封裝置圖
方案說明：
(1)采用內(nèi)裝平衡式、完全集裝式串聯(lián)雙端面機(jī)械密封；
(2)配備大尺寸密封腔，并直接通過密封腔冷卻夾套冷卻密封腔，將溫度控制在100℃左右；
(3)兩個(gè)密封面之間設(shè)置泵送環(huán)加強(qiáng)緩沖液的循環(huán)；
(4)輔助密封圈的材料可以選擇Viton材質(zhì)，其最高耐溫可以達(dá)到204℃；
(5)選擇多彈簧結(jié)構(gòu)，彈簧材質(zhì)采用哈氏合金C-276；
(6)密封腔根部配備碳環(huán)節(jié)流環(huán)；
(7)工藝側(cè)密封面采用雙硬面配合碳化硅VS碳化硅，大氣側(cè)采用碳VS碳化硅；
(8)Plan52方案緩沖罐上按照API682要求配備，液位計(jì)，高、低液位開關(guān)，壓力表和壓力開關(guān)；
(9)出于安全考慮，還可在冷卻夾套的冷卻水回水管上設(shè)置流量開關(guān)與泵電機(jī)進(jìn)行安全報(bào)警、停車連鎖。
5、其他幾點(diǎn)思考
(1)密封腔夾套的冷卻水應(yīng)盡量采用軟水，當(dāng)水質(zhì)較硬時(shí)應(yīng)定期對(duì)夾套進(jìn)行酸洗維護(hù)，以消除水垢對(duì)夾套換熱效率的影響；亦可考慮采用冷凝水或低壓蒸汽進(jìn)行冷卻，但需與泵廠商仔細(xì)核算夾套的冷卻效率；
(2)對(duì)于某些品牌或牌號(hào)的導(dǎo)熱油，其常溫時(shí)黏度較大時(shí)，應(yīng)注意泵靜止時(shí)對(duì)泵體和密封腔進(jìn)行保溫，維持泵啟動(dòng)所要求的黏度；
(3)高溫容易引起泵對(duì)中的偏差而導(dǎo)致泵非正常振動(dòng)和泵部件磨損，因此在安裝時(shí)應(yīng)對(duì)泵進(jìn)行熱對(duì)中；
(4)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，高溫導(dǎo)熱油泵長(zhǎng)期運(yùn)行后，會(huì)有結(jié)焦顆粒黏附在泵葉輪上而破壞葉輪的動(dòng)平衡引起振動(dòng)，故需對(duì)導(dǎo)熱油泵進(jìn)行定期檢查和清洗；
(5)不要采用水進(jìn)行機(jī)械密封的壓力實(shí)驗(yàn)。當(dāng)熱油進(jìn)入泵和密封時(shí)，任何殘留在密封中或墊片中的水分將會(huì)汽化，非常危險(xiǎn)。
6、小結(jié)
機(jī)械密封的配置方案多種多樣，在選型設(shè)計(jì)時(shí)，需要與泵廠商、機(jī)械密封廠商一起充分地分析和討論操作工況，并結(jié)合以往生產(chǎn)使用經(jīng)驗(yàn)，方可選擇出適合特定工藝且經(jīng)濟(jì)的機(jī)械密封。
