不同槽型上游泵送機械密封性能比較

　　為找出適用于不同工況條件下的上游泵送機械密封，對中間開(kāi)槽、雙列同向、雙列反向3種槽型的上游泵送機械密封在不同工況下進(jìn)行了試驗研究并對試驗數據進(jìn)行比較分析，得到了相應的密封工作性能(泄漏量、端面溫升、摩擦功耗、上游泵送量)與端面槽型、彈簧壓力以及介質(zhì)壓力等因素之間的關(guān)系。

　　在石油化工領(lǐng)域，泵用接觸式機械密封在變工況情況下極易發(fā)生泄漏，造成經(jīng)濟損失，甚至釀成重大事故。為此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)的參考文獻對中間開(kāi)槽、雙列同向、雙列反向3種槽型的非接觸式上游泵送機械密封在不同工況下的性能進(jìn)行了試驗研究并對試驗數據進(jìn)行比較分析，以期獲得密封工作性能(泄漏量、端面溫升、摩擦功耗、上游泵送量)與端面槽型、彈簧壓力以及介質(zhì)壓力等因素之間的關(guān)系，為上游泵送機械密封在化工泵上的正確使用提供可靠的依據。

1、試驗裝置及試驗條件

　　本次試驗采用文獻中介紹的試驗裝置。該試驗裝置為單懸臂支撐結構，主要由動(dòng)力裝置、加壓裝置、過(guò)濾元件、測控系統和循環(huán)系統等組成。試驗時(shí)，通過(guò)柱塞泵的作用，將密封介質(zhì)從水槽中引入緩沖罐，緩沖后的密封介質(zhì)進(jìn)入密封腔，然后通過(guò)管路送回水槽。通過(guò)調節閥門(mén)使進(jìn)入密封腔中的介質(zhì)保持一定的壓力。啟動(dòng)電機，待試驗數據穩定后計算機測控系統采集并記錄試驗數據。試驗采用雙端面小彈簧平衡型密封結構(圖1)，試驗用動(dòng)環(huán)為鑲嵌WC硬質(zhì)合金，試驗用靜環(huán)為M106K 石墨，在密封的動(dòng)環(huán)端面上加工出螺旋槽。本試驗共對中間開(kāi)槽上游泵送機械密封(圖2a)、雙列同向上游泵送機械密封(圖2b)、雙列反向上游泵送機械密封(圖2c)3種密封結構進(jìn)行性能試驗。密封環(huán)端面結構參數為：密封面內徑D1=61mm，密封面外徑D2=75mm，輔助密封圈的滑動(dòng)面直徑Do=64.5mm，螺旋入口角β=21°，槽徑寬徑比為0.67，槽堰寬度比為1.0，動(dòng)壓槽深H=9.5μm。試驗用密封介質(zhì)為水，緩沖流體為清水，介質(zhì)壓力可在0～3.0 MPa 動(dòng)態(tài)調節，轉速可在0～3000r/min由變頻器進(jìn)行無(wú)級變速調節。試驗過(guò)程中調節的主要參數有密封腔內介質(zhì)壓力及彈簧比壓。測量的主要參數有密封腔內介質(zhì)壓力及溫度、內外密封端面溫度、轉速、密封摩擦扭矩、泄漏量或上游泵送量。除泄漏量、介質(zhì)壓力和上游泵送量外，其他數據均可由計算機測控系統自動(dòng)采集記錄。

圖1　試驗密封結構布置圖

圖2　上游泵送機械密封結構

　　試驗主要探討不同密封介質(zhì)壓力、彈簧比壓及引入緩沖流體對上游泵送機械密封工作性能的影響。

2、試驗數據分析

　　2.1、密封特性

　　轉速為3000r/min時(shí)，3種上游泵送機械密封在不同壓力下的泄漏量曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，圖3的密封泄漏量均在提供常壓緩沖流體的條件下測得。由圖3可以看出，當壓力升至1.4MPa時(shí)中間開(kāi)槽、雙列同向上游泵送機械密封出現泄漏，而雙列反向上游泵送機械密封在壓力升至2.4MPa時(shí)才出現泄漏，而且泄漏量增加緩慢。由此可見(jiàn)，在本試驗條件下，這3種上游泵送機械密封中，雙列反向上游泵送機械密封的密封性最好。

圖3　帶常壓緩沖流體時(shí)泄漏量-介質(zhì)壓力曲線(xiàn)

　　2.2、端面溫升

　　轉速3000r/min、無(wú)緩沖流體條件下改變壓力時(shí)雙列同向和雙列反向2種上游泵送機械密封端面溫升的變化情況見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，隨著(zhù)介質(zhì)壓力的升高，2種密封結構的端面溫升均增加，但雙列反向上游泵送機械密封的端面溫升比雙列同向上游泵送機械密封的溫升要低35%。

圖4　無(wú)緩沖流體時(shí)端面溫升-介質(zhì)壓力曲線(xiàn)

　　2.3、緩沖流體對密封性能的影響

　　根據上游泵送機械密封的密封機理，當密封裝置中的動(dòng)環(huán)旋轉時(shí)，低壓側緩沖流體由內徑處進(jìn)入螺旋槽，每個(gè)螺旋槽就像一個(gè)小體積的高壓泵使流體沿槽流動(dòng)并逐漸增壓，端面間液體壓力升高后使在彈性載荷和介質(zhì)壓力作用下保持貼和的兩密封端面分離，并形成一層流體薄膜。該穩定薄膜既起密封作用又起潤滑、冷卻作用，使得上游泵送機械密封在非接觸狀態(tài)下實(shí)現無(wú)磨損、無(wú)泄漏運轉。因此，緩沖流體對上游泵送機械密封的性能有很大影響。轉速為3　000r/min時(shí)，3種上游泵送機械密封的上游泵送量與介質(zhì)壓力的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，隨著(zhù)壓力的升高，3種密封的上游泵送量均減少。當密封端面接觸時(shí)，常壓緩沖流體不會(huì )進(jìn)入螺旋槽，密封的流體反而會(huì )通過(guò)螺旋槽泄漏。此時(shí)，上游泵送量便會(huì )出現負值，即出現泄漏。介質(zhì)壓力達到1.6MPa時(shí)，中間開(kāi)槽和雙列同向上游泵送機械密封都出現了泄漏，但是，密封泄漏之前，雙列同向上游泵送機械密封的泵送量大于中間開(kāi)槽上游泵送機械密封。雙列反向上游泵送機械密封在介質(zhì)壓力達到2.8 MPa才出現泄漏，而且泄漏量增幅緩慢。

圖5　轉速3000r/min時(shí)上游泵送量-介質(zhì)壓力曲線(xiàn)

　　轉速3000r/min時(shí)，緩沖流體對雙列同向上游泵送機械密封端面溫升的影響見(jiàn)圖6。由圖6可以看出，有緩沖流體時(shí)密封端面溫升比沒(méi)有緩沖流體時(shí)低32%。因此，提供緩沖流體可以有效地降低端面溫度，改善密封裝置的工作條件。

圖6　轉速3000r/min時(shí)緩沖流體對密封端面溫升的影響

　　轉速3000r/min時(shí)，有緩沖流體條件下各密封的摩擦功耗隨壓力變化的曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。由圖7可知，介質(zhì)壓力增大時(shí)，3種密封的摩擦功耗都增大，其中中間開(kāi)槽上游泵送機械密封的摩擦功耗增加很快，而雙列同向和雙列反向上游泵送機械密封的摩擦功耗則增加緩慢。3種上游泵送機械密封的摩擦功耗遠低于接觸式密封，這是因為上游泵送機械密封工作時(shí)，密封端面被一層液體膜分離而處于非接觸狀態(tài)，因此密封面之間幾乎沒(méi)有磨損。端面間流體膜的存在使密封面處于流體潤滑狀態(tài)，端面摩擦因數遠小于普通接觸式密封，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為上游泵送機械密封的摩擦功耗遠低于普通接觸式密封。

圖7　轉速3000r/min有緩沖流體時(shí)摩擦功耗-介質(zhì)壓力曲線(xiàn)

　　2.4、彈簧比壓對密封性能的影響

　　對雙列同向上游泵送機械密封進(jìn)行改變彈簧比壓psp的試驗，分別得到密封端面溫升、上游泵送量隨介質(zhì)壓力的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖8和圖9。

圖8　不同彈簧比壓下端面溫升-介質(zhì)壓力關(guān)系曲線(xiàn)

圖9　不同彈簧比壓下上游泵送量-介質(zhì)壓力關(guān)系曲線(xiàn)

　　從圖8可見(jiàn)，維持轉速3000r/min不變，對于雙列同向上游泵送機械密封，彈簧比壓psp對端面溫差的影響較小。從圖9可見(jiàn)，轉速為3000r/min時(shí)，當彈簧比壓變化時(shí)，上游泵送量的變化不大。

3、結論

　　(1)上游泵送機械密封的端面溫差很小。當注入緩沖液后，端面溫升明顯下降，端面摩擦狀態(tài)進(jìn)一步改善。

　　(2)彈簧比壓對上游泵送機械密封端面溫升、上游泵送量影響不大。

　　(3)3種上游泵送機械密封的摩擦功耗遠低于接觸式密封，摩擦磨損問(wèn)題得到有效解決。

　　(4)3種上游泵送機械密封結構中，雙列反向上游泵送機械密封的密封性能最佳。