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催化装置302泵为解吸塔塔底泵，输送介质为脱乙烷汽油，泵轴采用104-45型机械密封。该泵自安装以来，机械密封使用状况一直比较正常，维修间隔一般在2个月左右。但是在1997年大检修后，维修次数较为频繁，使用周期在3～8天，给安全生产带来了较大的困难，这一问题亟待解决。1 机械密封损坏情况
机械密封是1种靠弹性元件对动环和静环摩擦副的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧来达到密封的轴向旋转密封装置。其密封性好，在石油化工等行业得到广泛应用。该催化解吸塔底泵是沈阳水泵厂生产的，流量7m3/h，转速2950r/min，吸入压力0.9MPa，排出压力为1.5MPa。机械密封结构为内装单端面弹簧非平衡型，传动套传动。冷却方式为石墨静环外水冷，常温冷却，冷却水流量为0.3t/h。
将损坏的机械密封解体后发现，石墨静环上的摩擦副接触凸台被磨平，端面粗糙，并有开裂现象。硬质合金动环表面变成墨色，并且出现径向裂纹。辅助密封圈老化失效，摩擦副处密封轴套有烧伤痕迹。
2 失效形式及原因
由于机械密封结构复杂，制造安装精度要求高，如果设计或使用不当，也会出现磨损严重，使用寿命短等多种问题。密封失效的形式有4种，即腐蚀失效、热裂失效、磨损失效以及因安装或运转等因素引起的失效。一般来说，机械密封的失效原因大体有6个方面，见表1。
故障
原因设计
缺陷装配
误差辅助
系统机泵
振动工艺
操作其它比例／%432082126表1 机械密封失效原因统计根据该泵密封失效后的损坏情况，初步判断其机械密封失效有以下原因：①除密封失效及寿命短外，其余一切情况正常，因此，可以排除装配误差、辅助系统、机泵振动及工艺操作等因素的影响，大致可以认为是设计缺陷引起的密封失效。②从密封面的失效现象看，动环表面出现径向裂纹，辅助密封圈老化，属于典型热损失效。石墨静环磨平并有开裂现象是磨损和热损双重作用所致。③1997年大检修后因生产的需要，工艺上做了部分调整，增加了轻质油产率，致使该泵输送的汽油中轻质组分增加，并含有少量的液化汽成分(C4、C5)，导致摩擦副工作的温升过大，动环出现热裂现象，同时静环磨损加剧，使密封寿命大为降低。
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图1 不同相态机械密封液体膜载荷与膜厚关系 另外，104-45型机械密封使用的psv值和工作Pbv值均超过了允许值。而端面比压pb的大小对机械密封的稳定运行有着极大的影响。端面比压太小容易产生泄漏。端面比压太大，会使摩擦面液膜减薄，液膜承载力降低，摩擦因数加大，使用寿命降低。
综上所述，脱乙烷汽油泵机械密封失效的原因是由于汽油中轻组分的增加，介质更易于汽化，液膜承载能力降低，端面比压过大，液膜减薄，摩擦副在不稳定的似汽相状态下工作，摩擦热增加，端面温升过大，进而引起更多的轻质汽油组分汽化。如此循环，最终摩擦副在干摩擦状态下工作，使石墨静环磨损加剧。同时，过大的端面温升使碳化钨动环出现径向热裂纹，辅助密封圈老化，介质泄漏增加，密封寿命大为缩短，最终使机械密封迅速失效。
3 改进措施及应用效果
为了适应输送介质的变化，结合该泵的具体条件，采取了2种措施来降低密封的端面比压。①将104-45非平衡机械密封改为110-45平衡型机械密封，使密封的平衡系数β由1.177降为0.77。②根据石油大学流体动密封研究室的实验，在密封面上开圆弧槽可显著提高液膜的承载能力，增加密封稳定性。限于加工条件，我们仅在110-45型机械密封的石墨静环表面上加工了8个半圆形凹槽，增强了端面液膜的承载能力，降低了端面比压，并使密封的润滑性能得到了改善，降低了摩擦副的摩擦因数，减少了端面的摩擦热及由温度升高引起的端面汽化现象，避免了干摩擦的出现。
经过计算，改进以后的110-45型机械密封的使用，psv=8.71MPa.m／s，这小于允许值1.22MPa.m/s，工作pbv=2.071MPa*m／s，小于极限pbv值3.08MPa.m／s。
改进后的110-45型机械密封经长时间运行，密封效果良好，使用周期达到半年以上，保证了设备长期、安全和平稳运行，取得了较好的经济效益。
4 结语
工艺条件和介质成分的变化对机械密封的使用效果有着极大影响，在某些情况下，可能使密封迅速失效。在机械密封摩擦副表面开流动力楔，可显著提高机械密封流体膜的承载能力，降低端面比压。
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发表于 2013-11-15 19:05:07