泵用干运转机械密封的设计和试验研究

0 引言

在石油化工行业，不少流程中由于生产工艺的需要，不允许使用液体介质（各类润滑油、水等）作为泵、风机、反应釜等旋转设备的轴封润滑剂和阻封液，因为润滑油类、水等液体介质一旦泄漏到输送介质中，或参与反应、或影响主产品品质，有些甚至会危及到设备装置的安全，而输送的流体又往往是易燃、易爆的气体或低沸点的易挥发液体以及溶剂等有毒有害介质，也不允许其泄漏到大气中，因此，也就越来越多的使用以气体为工作介质的干气密封。对于干气密封，需要在其硬质密封环端面开设微米级的动压槽，不仅加工难度较大［1-2］、加工工艺复杂；而所提供的密封气必须是经过微米级过滤器过滤后的干燥、洁净、稳定可靠的气体，以保证密封面不受颗粒介质的损坏，为干气密封长周期稳定运行提供保证［3-10］。如在量大面广的低参数泵等设备上使用干气密封，往往会造成密封远比主机造价高，而且运行和维护成本也较高。因此，研究和开发密封端面无须开设微米级浅槽，能够适用于普通空气或工业氮气（不需要配置特殊过滤、干燥系统）作为隔离或缓冲气体的干运转机械密封，在中低参数泵等设备上替代干气密封，势在必行。本文以某石化回流泵为例，介绍深槽型干运转机械密封的设计和试验研究方法。

1 干运转机械密封的设计

1.1 工作原理

在机械密封的一个密封端面上开设数个具有一定几何形状的毫米量级深度的流槽，将该密封端面分为槽区、密封堰区和密封坝区三部分，如图1所示。

图1 密封槽形示意

密封静止时，摩擦副端面为平行平面，密封运转时，密封环摩擦生热，流槽强制地使气体进入密封端面，起冷却和润滑作用，由于流槽附近的区域冷却效果良好，流槽间的中间部位受热最多，从而造成密封环受热不均而发生变形，在密封面上形成了周向波度和径向锥度，产生流体静动压效应，增强了气膜承载能力，与普通机械密封相比，大大减少了密封端面接触载荷，延长了密封寿命。

1.2 结构设计

以某石化回流泵为例，该泵输送的介质为油+聚丙烯（小于20 μm），并含有三乙基铝，该物质遇水爆炸、遇空气燃烧，属于高危介质泵范畴。该泵的工作参数为：排出压力0.32～0.77 MPa；转速2 900 r/min；温度70～90 ℃；轴径φ30 mm。

针对该泵的工况条件及现有密封腔的安装尺寸，确定采用双端面、平衡型、静止式、集装式干运转机械密封结构设计方案，隔离气为0.6 MPa的工业氮气，介质侧和大气侧密封均为深槽型气体密封，摩擦副材料采用浸锑碳石墨与碳化钨配对，辅助密封材料选用氟橡胶。密封结构如图2所示。

图2 干运转机械密封结构

设计了斜通槽和直通槽2种结构的深槽型气体密封，初定密封面的内径d1和外径d2、环向槽内径d3和外径d4、载荷系数平衡直径db、流槽宽度b、载荷系数K、弹簧比压ps等参数，密封面几何尺寸如表 1［11］。

表1 密封面几何尺寸

2 试验研究

2.1 试验装置

初步设计完成后，针对深槽型密封的端面结构及密封特性等进行了深入的试验研究，试验系统如图3所示。试验介质为清水，隔离气为压缩空气，试验参数见表2。

图3 干运转机械密封试验系统流程图

表2 试验参数

2.2 密封端面结构参数的对比试验

2.2.1 不开槽密封性能试验

保持该密封的密封环内径不变，外径调整为48 mm，端面不开槽，进行试验，所得温度曲线如图4所示。试验在运转1.5 h后，密封环温度突升，密封端面间发生“鸣叫”，拆开后发现密封环端面烧毁。

图4 不开槽密封性能试验的温度曲线

试验结果表明：端面不开槽密封在此工况下无法正常使用。

2.2.2 槽数对密封性能的影响

2.2.2.1 斜通槽密封

按图1（a）及表1，分别在相同的石墨密封环端面上开设槽数为8，10，12的斜通槽，命名为斜-8a、斜-10a、斜-12a密封环，3个规格的密封环分别与相同的硬质合金密封环匹配进行密封性能试验。温度曲线如图5所示，试验结果如表3。

图5 斜通槽A型密封环性能试验的温度曲线

表3 斜通槽A型密封环性能试验结果

其中，斜-10a密封环在运转4 h后密封环温度增至63.2℃，气体泄漏量增至0.4 Nm3·h-1，试验中断。分析认为：对于斜通槽密封环，端面所开设的槽数中一半为进气槽，另一半为出气槽，如斜-10a密封环，其进气槽数为奇数5，密封工作时，密封环受热后端面形成的周向波的波数也为奇数，产生的流体动压力分布不对称，造成密封工作不稳定，故应予以淘汰。

从试验结果看出：斜-12a密封环与斜-8a密封环的气体泄漏量相当，但斜-12a密封环的温升比斜-8a密封环的小。表明斜通槽密封的槽数对密封环的温升有影响，槽数越多，密封环温升越小。

2.2.2.2 直通槽密封

按图1（b）及表1，分别在相同的石墨密封环的密封端面上开设槽数为8，12的直通槽，命名为直-8a、直-12a密封环。2个规格的密封环分别与上述相同的硬质合金密封环匹配进行密封性能试验，温度曲线如图6所示，试验结果见表4。

图6 直通槽A型密封环性能试验的温度曲线

表4 直通槽A型密封环性能试验结果

从表4可看出：直-12a和直-8a密封环的气体泄漏量相当，但直-12a密封环的温升比直-8a密封环的小。表明直通槽密封的槽数同样对密封环的温升有影响，槽数越多，密封环温升越小。

综合分析认为：对于深槽型气体密封，槽数对密封性能有一定的影响，在其它参数相同的情况下，随着槽数的增多，密封所产生的流体动压效应增强，密封端面的接触载荷减小，因此密封环的温升减小。

2.2.3 槽形对密封性能的影响

从上文试验结果还可以看出：在其它参数相同的情况下，直通槽密封环的温升比斜通槽密封环的小，表明直通槽密封的密封性能优于斜通槽密封的密封性能。

2.2.4 环形槽槽宽对密封性能的影响

2.2.4.1 斜通槽密封

将表1中的环形槽外径d4由52 mm变为50 mm（即环形槽槽宽由2 mm变为1 mm），其它尺寸不变，按图1（a）制作斜-12b密封环。该密封环与上述相同的硬质合金密封环匹配进行密封性能试验，试验结果见表5。

表5 斜-12b密封环性能试验结果

比较斜-12a密封环与斜-12b密封环的性能试验结果，气体泄漏量相当，但斜-12a密封环的平均温升比斜-12b密封环的小，表明斜通槽密封的环形槽槽宽对密封性能有影响，宽环形槽密封比窄环形槽密封的密封性能好。

2.2.4.2 直通槽密封

将表1中的环形槽外径d4由52 mm变为50 mm（即环形槽槽宽由2 mm变为1 mm），其它尺寸不变，按图1（b）制作直-12b密封环。该密封环与上述相同的硬质合金密封环匹配进行密封性能试验，试验结果见表6。

表6 直-12b密封环性能试验结果

比较直-12a密封环与直-12b密封环的性能试验结果，气体泄漏量相当，但直-12a密封环的平均温升比直-12b密封环的小，表明直通槽密封的环形槽槽宽同样对密封环的温升有影响，宽环形槽密封比窄环形槽密封的密封性能好。

综合分析认为：对于深槽型气体密封，环形槽的宽度大，则进入环槽中的气体通流面积大，对密封端面的冷却效果好，因此密封环的温升减小。

2.2.5 槽面径向宽比对密封性能的影响

2.2.5.1 斜通槽密封

将表1中的密封面外径d2由58 mm变为56 mm，环形槽外径d4由52 mm变为50 mm，其余尺寸不变，按图1（a）制作斜-12c密封环，与上述相同的硬质合金密封环匹配进行密封性能试验，试验结果见表7。

表7 斜-12c密封环性能试验结果

比较斜-12a、斜-12b及斜-12c密封环的性能试验结果，气体泄漏量相当，但斜-12c密封环的温升最小，斜-12b密封环的温升最大，斜-12a密封环的介于两者之间，表明斜-12c密封环的密封性能最好，斜-12a密封环的次之，斜-12b密封环的密封性能最差。

流槽径向深度与密封面宽度的比值称为槽面径向宽度比，经计算，斜-12a和斜12b密封环的槽面径向宽度比同为0.645，斜-12c密封环的槽面径向宽度比为0.593。

2.2.5.2 直通槽密封

将表1中的密封面外径d2由58 mm变为56 mm，环形槽外径d4由52 mm变为50 mm，其余尺寸不变，按图1（b）制作直-12c密封环，与上述相同的硬质合金密封环匹配进行密封性能试验，试验结果如表8。

表8 直-12c密封环性能试验结果

比较直-12a、直-12b及直-12c密封环的性能试验结果，气体泄漏量相当，但直-12c密封环的温升最小，直-12b密封环的温升最大，直-12a密封环的介于两者之间，表明直-12c密封环的密封性能最好，直-12a密封环的次之，直-12b密封环的密封性能最差。

经计算，直-12a和直-12b密封环的槽面径向宽度比同为0.645，直-12c密封环的槽面径向宽度比为0.593。

综合分析认为：对于深槽型气体密封，槽面径向宽度比对密封性能有很大的影响，该比值决定了密封端面上槽区与坝区的作用效果，设计密封时需要正确选择和计算该比值。

2.3 型式试验

经过大量的试验比较和筛选，并对深槽气体密封建立计算模型，进行了密封流场、密封环温度场及热变形分析计算，最终确定了该密封的具体结构。研制的密封样机按照GB/T14211-2010《机械密封试验方法》标准进行了型式试验，试验结果见表9。试验结果表明，该密封的性能指标良好，达到了预期的设计要求。

表9 型式试验试验结果

3 结论

（1）深槽型泵用干运转机械密封，槽形加工制造方便，密封辅助系统简单。

（2）密封端面的动压槽形状、槽数、环形槽槽宽以及槽面径向宽比等参数均对密封性能有一定的影响，应进行优化设计。

（3）在密封端面几何尺寸、槽数、载荷系数、弹簧比压等参数相同的情况下，直通槽机械密封的密封性能优于斜通槽机械密封的密封性能。

（4）研究开发的泵用干运转机械密封已通过型式试验、可靠性试验等考核，可以推广应用。