在機械密封水泵的常見故障中,機械密封的故障大約占整個維修工作量的一半。可見機械密封在機泵維修中所占的位置。由于機泵所輸送的介質千差萬別,工藝條件各不相同,所以了解這些情況對機封的選擇及維護很重要。結合多年來在機封選擇和維修中的經驗,介紹幾種特殊工況下機械密封的工作特點和注意事項。
一、高溫下的機械密封
一般情況下,介質的溫度超過120℃即認為是高溫密封。此時機械密封存在的主要問題有:(1)由于摩擦副端面溫度升高,導致密封端面間液膜氣化,摩擦系數隨之增大,磨損加劇,溫升加大,密封環產生熱變形或熱裂而失效;(2)機械密封中的輔助密封圈材料一般為橡膠或聚四氟乙烯,由于長時間在高溫環境中,容易老化和分解,造成密封失效;(3)高溫下機械密封的彈性元件易產生疲勞和蠕變,使密封失效;(4)高溫會加劇金屬材料的腐蝕,縮短機封的使用壽命。
為保證機械密封在高溫環境下正常工作,可以采取如下措施:
1、給機封增加冷卻沖洗裝置。
2、選擇耐高溫的材料,根據不同的工作溫度選用不同的材料。丁腈橡膠溫度上限為80℃,硅橡膠和氟橡膠為200℃,聚四氟乙烯為250℃。另外,機械密封中的非金屬摩擦副多采用石墨浸漬材料制成,所以也要根據不同的工作溫度選用不同種類的浸漬石墨。一般浸巴氏合金石墨適用溫度范圍小于150℃,浸樹脂石墨適用溫度范圍為170~200℃,浸銅、鋁、鉛的石墨可在小于400℃的工作條件下使用。動環組件應盡可能選用膨脹系數相近的材料,以防止高溫下動環和動環座的連接松動。
3、選擇金屬波紋管機械密封。金屬波紋管密封近年來在高溫密封中使用很多,并且取得了很好的效果。在該種機封中,金屬波紋管取代了普通機封中的彈簧,省去了動環輔助密封圈,不需要克服動環補償時與轉軸的摩擦和磨損,因此在高溫下使用,一般都能取得不錯的效果。
二、低溫下的機械密封
在煉油化工裝置中,低溫輸送的介質一般都具有豁度小、潤滑性差、容易氣化的特點,而且介質在氣化時大量吸熱,使周圍溫度急劇下降,造成空氣中水氣的凝結,導致端面及其周圍結冰,使端面貼合不嚴引起泄漏。同時,因潤滑性差,端面摩擦產生的熱量較多,若不能及時轉移,必然會加劇端面處的氣化,造成惡性循環,加速密封面的早期失效。另外,低溫密封的輔助密封圈在低溫下發硬失彈也容易導致泄漏。
對低溫密封,除了選擇合適的輔助密封圈材質外,還要注意以下幾點:
1、改進密封結構及正確選擇摩擦副材料。實踐證明,在靜環表面開圓弧形凹槽可形成流體動力密封,增加流體膜承載能力,改善端面潤滑條件,有效延長機封工作壽命。在端面配對方面,碳化鎢一M106K石墨組對(即動、靜環材料)一般要優于其他材料,因為其潤滑性好,摩擦系數低,導熱性也比較好。
2、選擇合適的端面比壓。低溫密封由于端面潤滑性差,容易發生氣化、結冰,所以在保證密封可靠的前提下,端面比壓可適當減小。一般機械密封比壓值推薦為0.29-0.59MPa,對低溫密封可取其下限。對金屬波紋管機械密封,由于動環沒有軸向摩擦,端面比壓甚至可以低于下限。
3、工藝上采取相應措施。如盡量減少介質的含水量;保持密封腔壓力的相對穩定;盡可能配備沖洗冷卻裝置;在設備啟動前,對機封部位進行適當預熱等。
三、高速下的機械密封
當轉速超過3000r/min或者摩擦副的線速度超過25m/s時,一般可視為高速密封。在高速條件下,摩擦端面由于線速度很大,摩擦產生的熱量也多,此時端面液膜不容易形成,磨損加劇。高速還容易引起旋轉環的振動,并受到較大的離心力作用,不利于端面間液膜的形成和維持。所以在高速情況下,為了減小離心力和振動的影響,應盡量減少轉動部件,采用彈簧靜止式結構。也可以加強對摩擦副端面的冷卻和潤滑。另外還可選用[PV]值高的摩擦副材料,減小端面的接觸寬度,或者采用受控膜機械密封。近年來,一種名為差動環式的機械密封也在高速設備中得到應用。由于在原先的動靜環中間加入了一個差動環,可以將摩擦副線速度降低一半,取得了不錯的效果。
四、高壓下的機械密封
機械密封工作壓力超過4-5MPa即屬于高壓密封范圍。在高壓條件下,由于密封端面比壓值過大,引起端面發熱,從而破壞液膜的形成,造成異常磨損。高壓還可能使摩擦副產生變形和破裂。高壓密封一般均采用平衡型結構,以使端面比壓處于一個合適的范圍。但考慮到密封的可靠性,平衡系數不可能無限制增大,因而有些情況盡管已經采用了平衡型結構,但端面比壓仍可能較大。單靠平衡型結構很難滿足使用要求,這種情況可采用多端面機封或者受控膜機械密封。
五、腐蝕環境下的機械密封
有些機械密封處于腐蝕環境中,這時不僅要注意機封中每個零件本身的耐腐蝕性,還要防止它們組合在一起時可能產生的電耦現象。腐蝕環境中的機械密封,在選用時要注意采用耐腐蝕的材料。此外,可以采用外裝式機械密封。對腐蝕性特強容易引起安全事故的,可以采用雙端面密封,引入隔離液加以保護。
六、顆粒介質下的機械密封
有些機封可能在含固體顆粒的介質中工作,當固體顆粒進入摩擦端面時,容易產生劇烈磨損,導致密封端面很快失效。另外固體顆??赡軙箘迎h密封圈無法沿軸向移動,從而使動環無法浮動,失去補償性,導致機封失效。對此比較有效的做法是加入一個外沖洗裝置。由于引入密封腔的沖洗液壓力高于密封腔介質壓力,因此可以有效阻止顆粒介質進入密封腔。此外可以采用雙端面機械密封,在密封腔中間加入封液。還可以采用外裝式機械密封。
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