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平衡型波纹管式机械密封试验研究 |
| 在工业发达的国家，机械密封占到全部密封使用量的90%以上。据石油行业统计，80%～90%的离心泵采用了机械密封形式［1］。因此，吸引了国内外学者对其进行了大量的研究。Flitney R K及Nun B S等人指出，大约占70%的泵维修是机械密封失效引起［2，3］，而严重的端面磨损是引起密封失效的一个重要原因［4，5］。为此，人们继续不断地努力，寻求在一定条件下，实现机械密封的抗干摩擦磨损的调整与控制。 为考证机械密封的抗干摩擦磨损调整与控制的可行性，笔者设计制造了1台机械密封试验装置。并对平衡型机械密封在诸多因素影响下，特别是动态下弹簧比压调整时的密封寿命和密封性进行了测试。1 装置结构 试验台由密封腔、主轴传动装置、介质加载装置及检测仪表等部件组成。主轴由Y90S4电机驱动(n=1 440 r/min)，通过变频调速器，可以实现无级调速。在电机与主轴间，串联一扭矩传感器，用以测量不同工况条件下，机械密封摩擦副间的摩擦扭矩，结构见图1［6］。1.密封腔端盖 2.密封腔 3.介质进口 4.压力表 5.调节大螺母 6.轴承 7.轴 8.联轴器 9.扭矩传感器 10.联轴器 11.电机 12.轨道 13.泄漏接口 14.拖板15.介质出口 16.基础图1 试验装置结构示图 为测量和调整端面比压(主要是弹簧比压)，将静环座设计成轴向可移式。在静环座与密封腔端盖间，串联一力传感器。端盖与腔体间采用细牙螺纹连接，以满足在运行过程中改变弹簧比压的需要。密封腔的密封，采用被测机械密封件作为轴的密封，因而无附加泄漏点，见图2。1.密封腔端盖 2.密封腔体 3.动环座 4.动环 5.静环 6.O形密封圈 7.力传感器 8.调节大螺母 9.轴图2 密封腔结构2 试验条件 (1)试验介质：清水。 (2)试验压力：0～0.84 MPa。 (3)转速范围：本装置电机的额定转速为1 440 r/min,通过变频调速器可以实现无级调速。 (4)试验温度：常温。 (5)试件：采用平衡型波纹管式机械密封。①材料 动环表面烧复碳化钨耐磨层材料，弹性元件采用不锈钢波纹管，静环为浸渍石墨，O形圈采用丁晴橡胶。②结构尺寸参数 静环端面尺寸(mm)86.06／72.06，密封折合间隙h=0.205 μm，动环端面尺寸(mm)为91／68.5，密封腔内径为D0=128 mm,波纹管的内外径(mm)则分别为66.88／84.20，端面宽度b=7 mm，动环表面粗糙度为0.145 μm，密封面面积A=1 737 mm2，静环表面粗糙度0.105 μm，载荷系数K=0.62。3 试验内容与结果分析 (1)泄漏损失：①弹簧比压对泄漏量的影响 通过试验，可以得出在一定介质压力ph下，泄漏量q和弹簧比压psp之间的关系曲线，见图3。②转速对泄漏量的影响 试验中测得的运转速度n与泄漏量q之间的关系，见图4。图中曲线表明，随着转速的增大，泄漏量也增大；在同一转速下，弹簧比压小，泄漏量小，弹簧比压大，泄漏量大。③介质压力对泄漏量的影响 从图5曲线可以看出，介质压力ph增大，泄漏量q增大；随着介质压力的增大，介质压力对泄漏量的影响相对地减小。图3 弹簧比压对泄漏量的影响图4 运转速度与泄漏量关系图5 介质压力与泄漏量关系 (2)摩擦损失：①工作转速对摩擦扭矩的影响 测量结果表明，滑动速度越大，端面摩擦扭矩越小；随着弹簧比压的增大，滑动速度对端面摩擦扭矩的影响相对减小，见图6。②弹簧比压对摩擦扭矩的影响 图7是测量后得出的弹簧比压与摩擦扭矩的关系曲线。曲线表明，机械密封的端面摩擦扭矩与弹簧比压成正比。图6 转速与端面摩擦扭矩的关系图7 弹簧比压与摩擦扭矩的关系 (3)结果分析：①在既定的机械密封结构参数、材质及密封表面状态下，泄漏率随弹簧比压的增大而减小，随介质压力的增加而增大；其它条件相同的情况下，泄漏率随转速的增加而增大。在其它条件一定的情况下，摩擦扭矩随弹簧比压的增大而增大，随转速的增大而减小。②从密封比压与泄漏量的关系来看，正常运转的机械密封，其端面间的摩擦状况不是混合摩擦，而更接近于边界摩擦。这与Mayer观点［7］基本一致。③试验结果表明，在一定的条件下，弹簧比压与泄漏量及摩擦扭矩之间存在一定的关系，见图8。对于K=0.62的波纹管式机械密封，在ph=0.84 MPa,n=2 938 r/min条件下，随着弹簧比压的增大，泄漏量减小，摩擦扭矩增大。综合考虑两者的影响，可以得出，平衡型波纹管式机械密封的最佳弹簧比压。如果调整psp=0.135 MPa，可以使得机械密封在n=2 938 r/min、ph=0.84 MPa条件下，处于最优密封工作状态。 图8 机械密封最优工作状态点4 结语 ①弹簧比压对端面摩擦扭矩和泄漏量有较大的影响。端面摩擦扭矩随着弹簧比压的增大，线性增大；密封的泄漏量随弹簧比压的增大，超线性降低。②工作中调节弹簧比压是可行的，不影响端面的平行特性。通过对弹簧比压的调整，可以实现对机械密封摩擦状况的控制。③大量试验数据的回归表明，机械密封的摩擦扭矩与泄漏量之间存在一最佳工作点。控制好弹簧比压，可使得机械密封在允许泄漏量下获得较长的使用寿命。作者单位：孙见君（南京化工学校(南京 210048) 讲师）参考文献 [1] 吕康，何玉杰，王春扬.我国机械密封产品现状、技术发展趋势及开发方向展望.化工机械，1991，18(1)：18～22 [2] Flitney R K,Nau B S.离心泵用机械密封的可靠性.第11届国际流体密封会议论文集.北京：机械工业出版社，1991. [3] 顾永泉.机械密封的故障、原因及分析.流体工程，1981，(8)：42～53 [4] 孙见君.邻二甲苯泵用机械密封的失效分析.石油化工设备，1997，26(2)：23～26 [5] Willion V A.Troubleshooting mechanical seals.Chemical Engneering February,1983,(7):48～57 [6] 孙见君.扬子芳烃厂3602＃泵用机械密封失效分析及新结构设计：［硕士学位论文］.南京：南京化工大学，1995 [7] Mayer E.姚兆生译.机械密封.北京：机械工业出版社，1981.
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