高温泵密封的故障分析与改善

高温泵密封的故障分析与改善

王志春

中国石油化工股份有限公司天津分公司天津市300270

摘要：高温泵主要分布在蒸馏、催化焦化和加氢车间，密封问题是高温泵日常管理的重点及难点。由于波纹管密封具有不使用动态弹性辅助密封，大大扩展了使用温度极限和耐蚀范围．弹性原件波纹管在高温下不易失弹，波纹管的独特设计，更加适应泵轴的径向和轴向跳动等。

关键词：高温泵；密封；故障分析；改善；

对高温泵用焊接金属波纹管机械密封的常见故障进行了分析，提出了改进方法，并对密封的国产化提出了一些设想，可供有关用户和制造厂参考。

一、波纹管密封的特点

同推环式机械密封相比，波纹管密封的最大特点是波纹管代替了辅助密封圈和弹簧，从而使密封的使用范围得到扩大，并可根据泵的工作条件和输送介质性质来选择旋转型或静止型密封。其主要特点如下：（1）取消了滑动动态辅助密封圈，因此消除了滑动组件的滞后性，并使其具有良好的迫随性和抗震性，同时避免了轴或轴的腐蚀，磨损和弹性密封圈的老化等问题。（2）波纹管密封自身就是平衡型密封，所以适用范围广，可用于压力达7MPa及温度从一240-670℃的场合下工作。静止型波纹管密封可用于高温、高速和高浓度浆液场合，避免了密封箱搅拌热的增加和波纹管可能产生的畸变；在低压或真空条件下，该型式密封还具有耐负压和抽空的能力。（3）结构紧凑，安装方便。

二、常见故障分析与改进措施

1.波纹管的断裂。波纹管的断裂依机理的不同可分为疲劳断裂、腐蚀断裂和受压断裂三种。（1）疲劳断裂。金属波纹管波片很薄（0.1一0.3mm），过度弯曲就会产生疲劳破坏，弯曲产生的原因包括：l）动、静环的偏心；2）轴或联轴器的偏心、松动使轴旋转时产生的振动；3）共振—这可能同轴转速无关，可能是由于密封面缺乏润滑、泵工况的波动、密封面上介质汽化以及干运转造成的。为避免波纹管产生疲劳破坏，应消除振源。安装时保证轴的偏心度小于为轴或轴最大公称直径），密封箱对轴的垂直度小于0.lmm，格兰接触面对中心线的垂直度小于0.04mm。同时采用适当的冷却和润滑手段，保证密封面间的良好润滑和合适相态。（2）腐蚀断裂。波片很薄，腐蚀允许值很小，弯曲作用伴随小的腐蚀点会产生断裂。所以在选择波片材料时应根据密封的工作条件，特别是密封压力、温度以及被密封介质的性质来加以选择。例如，若波片材料为AM350或另一种不锈钢，则密封箱内应不含卤族化合物或苛性碱。（3）受压断裂。使用中由于工况失调、高压冲刷、喘振以及阀门的错序开启等因素都会导致波纹管密封在应用于高温、高压场合时受压断裂，所以选择波纹管时最好按照可能产生的最大压力来选取。一般双层波纹管的耐压比单层波纹管的高。

2.波纹管的阻塞。波纹管阻塞在高温泵中的常见形式，就是杂质沉积和结焦。杂质在波纹管外侧沉积时，可选用旋转型密封，依靠波纹管旋转产生的离心力达到自动清洗的目的。当介质很脏时，端面泄漏可能会造成波纹管的内侧阻塞。解决办法一是查找泄漏原因，避免密封的泄漏；再就是采用洁净外冲洗，防止脏物泄漏到大气侧。结焦常见于高温热油泵密封，波片间介质的严重结焦是波纹管失弹的重要原因。对内置式密封来讲，波纹管外侧结焦的原因是冲洗断流或流量不足，端面摩擦热使密封箱内介质温度升高，常见于静止式波纹管密封。波纹管内侧结焦是热油泄漏到大气侧产生的。减轻或避免结焦的办法包括：（1）确保两端面为平面，且将端面倾斜控制在最小程度；（2）采用低压蒸汽清洗套，冷却并防止空气接触泄漏油；（3）利用洁净外冲洗，并采用浮动节流底套以减少冲洗用液，消除密封环处结焦；（4）防止石墨辅助密封泄漏；〔5）采用集装式密封以确保端面对中。

3..密封端面的损坏。高温泵用密封的端面损坏常表现为表面热裂、剥落、疤疤和深度磨损等。（1）表面热裂高温密封的硬环面产生热裂，表现为许多粗细不一的径向裂纹，看起来似乎是从硬面中心向外发散的这些裂纹象刀刃一样极快磨损碳石墨，或者同其它硬面配对时，产生严重泄漏。热裂是局部热应力过高的结果，当两种金属的热膨胀率不同或堆焊层过薄时便会产生热裂。热裂同密封面的导热率及摩擦生热值大小有关，这就意味着热裂可以避免。具体方法是：1）确认泵工作条件是否超出密封的规定极限；2）确认冲洗液、冲洗方式和流量大小是否合适；3）检查并确认密封未过载，若泵的止推轴承或推力盘损坏或失效，就会造成密封过载；4）改进密封面材料，提高密封的「PV〕值，如改堆焊或喷涂硬环为整体WC或SIC等。5）减小密封的PV值，如修改密封面尺寸来减小载荷系数等。，（2）剥落，当旋转环为硬面环，且硬环是采用硬化处理后的不锈钢时，硬面便可能产生剥落，端面的摩擦生热会促进该过程。剥落往往是由于涂层存在缺陷或选材不当引起，这就要求采用整体/镶嵌WC或SIC环代替镀/涂层。（3）疤疤。疤疤是一种密封面上形成小面积斑疤的现象。疤疤同石墨环浸渍不彻底或不均匀有关，端面摩擦热值过高和泵的频繁启动是外部诱因。纠正措施包括保持端面的良好冷却和润滑，尽量不频繁开停车以及采用无浸溃剂的不透性石墨、烧结石墨或硬质金属材料。（4）磨损。磨损也是高温泵密封失效的重要原因。主要原因是端面的不平或产生了热变形，介质中含有研磨颗粒或硬环粘结金属被腐蚀。改进办法为：1）选择合适的冷却、润滑方式，如打冲洗、设置背冷或冷却夹套等；2）选择合适的碳石墨材料，如M106K和新型浸玻璃石墨制品及硅化石墨等；3）减小端面载荷系数，降低PV值；4）对含磨料的介质可采用硬对硬密封面，并选择外冲洗；5）选用集装式密封，保证端面间的平行，防止磨粒进入密封面等。

4.选型不当。波纹管密封分为静止型和旋转型两种。选型不当，将造成密封的失效，而这种失效往往为用户所忽视。一般，静止型适用于密封面周速超过22.5m/s或轴严重变形或泵送介质通过密封面产生结焦等场合。对后种情况，静止型常带有蒸汽清洗套，这样便可能使轴承润滑剂受到污染，为此可加设保护措施如迷宫节流套、唇形密封或磁力端面密封，并确保蒸汽压力不高于0.035MPa（g），实践证明这对改善密封的工作寿命是非常有效的。当介质中固体含量的重量百分比超过2%时，应选用旋转型。

5.一般问题。密封面的洁净程度、平面度、冲洗液的含杂质量和储运中的小心程度等，都对波纹管密封的使用寿命产生影响。对出厂前经过严格检验的成套密封来讲，在密封的使用中表现最为突出的为冲洗液的含杂质量。含杂质量过高对配对软环产生冲蚀并造成端面磨损`所以当确定冲洗液中含杂质量时，为延长密封使用寿命，可在冲洗管路中加设过滤器或分离器，或采用硬对硬材料。

6.安装及操作问题。密封的安装及操作对密封装置的成功运行有着重要的影响。安装时，扩还应避免波纹管的翘曲，保证密封有合适的压缩量。压缩量过大，不仅增加了密封的pv值，还将导致波片工作应力的上升，从而为波纹管的疲劳破坏创造了条件，为此，建议采用集装式波纹管密封。操作中，绝对不允许阀门的错序开启，静止型密封的隔套蒸汽压力应受到限制，以免污染轴承及造成蒸汽窜入密封箱，造成密封失效。

总之，高温泵波纹管密封的故障分析，除了要针对具体的产生故障的零部件进行单个分析之外，还应检查泵的实际操作和工作条件，即进行系统分析。

参考文献：

[1]王开红，李敏，浅谈高温泵机械密封故障分析及改造.2017.

[2]刘开明，赵阳，伍凌云，等，探讨高温泵密封的故障分析与改善.2017.

[3]李春梅，吴海燕，高温泵密封泄露原因分析及处理措施.2017.