机械密封特点及应用

中国石化炼化动设备培训班：炼油厂装置关键动设备之泵用机械密封特点及应用杨立民中国石化洛阳石油化工工程公司201109问题的提出经过学习应解决的问题：•了解机械密封工作原理及特点？•了解离心泵机械密封失效基本原因？•能够合理应用离心泵机械密封？(34条)目录•1机械密封技术理论•1.1机械密封的作用及意义•1.2机械密封的基本原理•1.3机械密封副的温度和密封环变形•1.4机械密封的基本型式•2机械密封技术应用•2.1炼油厂机械密封应用现状•2.2机械密封失效的分析•3机械密封选型技术规定*•4结论机械密封技术理论•1机械密封技术理论•1.1机械密封的作用及意义•1）影响泵效率、能耗；•a.减少泵泄露，提高容积效率：离心泵叶轮口环改为机械密封，泵效率提高3.6%；•b.减少摩擦损失，提高机械效率：双端面改为单端面，非平衡型改为平衡型等；•c.密封辅助系统优化，可以降低功耗：自冲洗改为泵环循环，双端面改为单端面，节省封油系统能耗。•2）影响泵组运行可靠性：密封是否泄漏决定泵组的运行周期；•3）HSE要求：密封失效造成事故及环境污染。•4）据统计石化装置机泵86%采用机械密封，并且机械密封维护占炼油厂机泵维修工作量的50%以上。机械密封技术理论1）典型机械密封机构：1静环2动环3传动销4弹簧5弹簧座6紧定螺钉7传动螺钉8动环o型圈9静环O型圈10防转销11压盖12推环13轴套I、II、III、IV、V、VI为泄露点机械密封技术理论•2）机械密封是一种依靠弹性元件对动、静环端面密封副的预紧，和介质压力与弹性元件压力的压紧而达到密封的轴向端面密封装置。•3）动、静环作用：是密封面紧密贴合，防止介质泄漏。要求动、静环耐磨性良好，动环可以轴向随动，自动补偿密封面损失，和静环良好贴合；静环具有浮动性，起缓冲作用。•4）弹性元件作用：包括弹簧、波纹管、隔膜等，起预紧、补偿和缓冲的作用，始终保持足够的弹性克服动环的惯性、密封圈和传动件的摩擦，保证动环良好追随性和密封副贴合。要求耐腐蚀、耐疲劳。•5）密封圈：动静环的密封作用，同时也起到浮动和密封作用。要求耐热、耐冷并能与介质相容。机械密封技术理论•6）传动件（传动销、传动环、传动座、传动键、传动凸耳或牙嵌式联结器），起到将轴的转矩传给动环的作用。•7）紧固件（紧定螺钉、弹簧座、压盖、组装套、座套），起到动、静环定位、紧固作用。要求轴向定位正确，保证一定弹簧压缩量，保证密封面位置正确、贴合良好。拆装方便、容易就位、可重复利用。与密封圈配合处，安装密封圈处有导向倒角和压缩量。密封腔与轴套配合处可采用硬面涂层。•8）防转销：起到防止静环转动和脱出的作用。要求长度足够，防止静环在负压下脱出；定位正确，防止随动环旋转。机械密封技术理论•9）机械密封可能泄漏途径：•a密封副密封面I处：机械密封失效80-95%由于该原因。要求接触面平行，Ra=0.05-0.20μm，平面度0.9μm。不同介质密封副材料组合合适，注意耐磨损、耐腐蚀，选用合适的几何参数（面积比和宽径比）和性能参数（比压、弹簧载荷）。•b静环与压盖的密封圈处泄漏II和动环与轴（或轴套）的密封圈处泄漏III:值得注意问题是动环和密封圈处密封性和追随性应保证，防止水垢、结焦、结晶、反应堆积问题造成动环不能动弹。•c压盖与密封腔体间静密封IV、轴与轴套静密封V、动环镶嵌结构配合处VI泄漏。该3处为静密封。机械密封技术理论1.3机械密封副的温度和密封环变形•1）机械密封摩擦副温度限制•密封元件材料使用温度限制机械密封技术理论机械密封技术理论机械密封技术理论机械密封技术理论机械密封技术理论•2）密封腔及密封面间气化现象•机械密封稳定工作：稳定的液膜、气膜或混合膜•密封腔温度大于气化温度20℃或压力高于饱和压力30%；•采取措施，避免泵抽空引起轴封；•摩擦热未能排出而形成全面或局部气化（空化），前者密封面出现彗星状纹理，后者出现麻点；机械密封技术理论•3）密封介质固化、聚合、结焦、结晶问题•a固化：易凝固介质，如蜡油、渣油、石蜡、沥青、尿素、熔融硫磺、煤焦油、酚醛树脂、增塑剂等。采用plan62（蒸汽）；•b聚合：因温升而聚合的介质，如糠醛、甲醛、苯乙烯、氯乙烯、丙烯醛、醋酸乙烯、甲醛水、提余液等；•c结晶：对于易结晶介质：硫铵、磷铵、苛性钠、氢氧化钙、磷酸、绿液、导热姆、丁醇等；硬对硬摩擦副加保温、冲洗；机械密封技术理论•d溶解性:：对于易结晶介质：硫铵、磷铵、苛性钠、氢氧化钙、磷酸、绿液、导热姆、丁醇等；硬对硬摩擦副加保温、冲洗；•e溶解性:异丙醇、磺化油、明矾、硫酸钠、硫酸钾（对水）；戊烷（对油）;橡胶（液氨、氨水、苯）；甘油（对乙醇）；•f结焦、腐蚀、磨损在高温下产生或加剧。机械密封技术理论•4）机械密封变形问题•机械密封密封环变形有力（机械）变形、热（温度）变形和残余变形；•密封环表面热应力超过材料允许压力产生“热裂”；机械密封技术理论•密封环变形会破坏摩擦副密封面的平面度和平行性，产生各种流体动、静压效应，造成密封面承载能力过大而被打开，过小而磨损。•为了避免密封面变形的影响，可采用在结构上开应力槽或改变密封面断面形状来消除应力，及其它有效方法。机械密封技术理论•1.4机械密封的基本型式•1）接触式和非接触式:•接触式：密封面数凸体接触，密封面间隙h=0.5-1μm；•非接触式：密封面数凸体不接触，流体动压密封面间隙h2μm；流体静压密封面间隙h5μm；•其它：•可控间隙非接触机械密封•平衡比可以调节的半接触式机械密封机械密封技术理论•2）内装式和外装式机械密封：•内装式：静环安装在压盖内侧，弹簧置于介质内；•外装式：静环安装在压盖外侧，弹簧置于介质外；适用压力低，强腐蚀、高粘度、易结晶介质。•3）内流式和外流式机械密封：•内流式：端面泄漏方向与离心力方向相反；适合高压，泄漏小；•外流式：端面泄漏方向与离心力方向相同；适用2MPa环境；机械密封技术理论•4）弹簧旋转式和弹簧静止式机械密封：•弹簧旋转式：弹性元件随轴旋转；不适合高速工况；•弹簧静止式：弹性元件不随轴旋转；适合高速工况；•5）平衡型和非平衡型机械密封：•平衡型：面积比B1；•非平衡型：面积比B≥1；•B=承压面积/密封面面积机械密封技术理论机械密封技术理论•6）单弹簧和多弹簧式机械密封•单弹簧：一个集中大弹簧；端面受力不均匀，高速离心变形，弹簧力不易调节，轴向尺寸大，多用于小直径Φ80-150、低速。•多弹簧：多个点布小弹簧。可以通过改变弹簧个数调节弹簧力，可以用于大直径、高速；但腐蚀、固体颗粒及结晶场合不适用，易堵塞及腐蚀。•7）单密封、双密封及多密封•单密封：有一对端面摩擦副的密封；•双密封：有一对端面摩擦副的密封；•多密封：有两对以上端面摩擦副的密封；机械密封技术理论•9）API682-2004密封型式：•TYPEA:推环式•单级、内置、挠性元件旋转、平衡、集装式。密封副为反应烧结碳化硅对优质抗疱疤碳石墨，氟弹性体O形圈，弹性元件为多个圆柱形哈氏C合金小弹簧。轴套、压盖、环座和其它金属零件316镍铬不锈钢。压盖内还配有碳石墨浮环为抑制密封。176℃以内。机械密封技术理论•TYPEB旋转金属波纹管式•单级、内置、挠性元件旋转（低温）、平衡、集装式；密封副为反应烧结碳化硅对优质抗疱疤碳石墨，氟弹性体O形圈，弹性元件为多个边缘焊接哈氏C波纹管。轴套、格兰、环座和其它金属零件316镍铬不锈钢。压盖内还配有碳石墨浮环为抑制密封。176℃以内。机械密封技术理论•TYPEC静止金属波纹管式•单级、内置、挠性元件静止（高温176-400℃、高速23m/s）、平衡、集装式；密封副为反应烧结碳化硅对优质抗疱疤碳石墨，辅助密封为柔性石墨密封，弹性元件为多个边缘焊接Inconel波纹管。轴套、格兰、环座和其它金属零件316镍铬不锈钢。压盖内还配有碳石墨浮环为抑制密封。机械密封技术理论•6API682-2004密封布置方式•arrangement1:单密封•arrangement2:非加压双密封•arrangement3:加压双密封机械密封技术应用•根据日本某厂调查报告，发生的786件事故中有332件是泄漏造成的，占42%。机械密封技术应用•调研内容包括：•经营资质；•质量管理体系;•财务状况；•科研开发能力；•加工设备情况；•检测、试验设备情况；•采购管理；•人力资源状况；•售后服务体系。机械密封技术应用•调研小组在认真听取汇报机械密封技术应用•国际上上世纪五十年代末期，美国西洛EG&GSealol公司研制出第一套焊接金属波纹管机械密封。并在技术方面对我国机械密封技术起到了积极的推动作用。•经过对国内多家有代表性的机械密封企业的调研，发现国内高温泵机械密封制造企业的生产体系现状基本分为三类：第一类为国外成熟技术在国内的发展型，第二类为国内技术独立研发型，第三类为国外技术转化型。劣质石墨环密封面应用后出现泡疤机械密封技术应用1)部分密封生产厂家生产的密封，质量较差，机械密封技术应用部分密封生产厂家选用的浸锑石墨质量较差FH82A:金属锑含量6.5%金属锑浸渍均匀基体致密不含杂质M120D：金属锑含量4.74%金属锑浸渍不均匀基体疏松含杂质问题石墨放大100倍后优质石墨放大100倍后原生料WC粉的粒度均匀杂质少再生料WC粉的粒度不均匀杂质多硬度比再生料制品HRA高10C硬度比原生料制品HRA低10C抗弯强度1700~2000N/mm2抗弯强度1400~1700N/mm2金相组织中孔隙度少金相组织中孔隙度多YG6原生料YG6再生料机械密封技术应用部分生产厂家的碳化钨材料选用再生料，导致质量下降机械密封技术应用•2)高温材料来源：•718材料、氟化橡胶（FFKM）来源控制；•AM350建议300℃以下使用。•3)波纹管机械密封加工过程：•国际上五十年代末期，美国西洛EG&GSealol公司研制出第一套焊接金属波纹管机械密封。从密封行业整体研究看，基本上波纹管的制造工艺过程以西洛密封技术为主体，不论是合资企业还是独资企业，其生产技术包括加工设备依然沿用国外成熟技术进行生产，当然焊接和热处理设备新旧、规格各有差异。机械密封技术应用图20°和45°应力比较机械密封技术应用6)波纹管加工中值得注意的问题：•采用含氢的氩气保护焊，可以提高热值，但应十分注意H2的易燃易爆特性，H2长时间积累可能引起爆炸的隐患，值得企业关注。•波纹管焊后成品，国外技术需要进行物理的柔和处理过程，不同材料和规格的波纹管成品，对照不同的操作技术要求，通过反复的机械拉伸的调整过程，使波纹管成品强度均匀，尺寸规格达标。机械密封技术应用•7)合格的焊接波纹管组件压缩至工作高度时，弹性应符合设计要求，允差为±10％；组件高度允差为工作压缩量的±10％；波纹管的全变形量不小于波纹管自由长度的50％。波纹管组件在自由状态下，两端金属构件的同轴度和平行度要求详见下表所示。机械密封技术应用•9)波纹管及其组件的检测•主要包括波片硬度检测、焊菇形状、尺寸检测、弹力测量、波纹管组件自由高度测量、两端环座的同轴度和平行度测量、及气密性检测等内容。尤其是气密性检测值得讨论，一般有以下两种方法：正压法和真空法。大多数企业采用正压法，即把压力为0.6～1.0MPa的压缩空气打入试验件内，然后通过外部检测是否产生肥皂泡，或没入水中持续5分钟，观察是否有气泡溢出，来判断波纹管是否泄漏。真空检测法原理是首先造成试验件的内部真空，然后环绕波纹管周围吹扫氦气，由于氦气分子量小渗透性极强，一旦波纹管有轻微泄漏，氦气就会渗入波纹管内部，造成真空度的变化。真空检测法更敏感、更科学。机械密封技术应用•11)中石化行业标准规定，对于操作温度大于220℃时，规定要求密封制造厂进行模拟现场的高温试验。国内比较先进的企业基本上可以采用矿物油进行模拟现场的试验，最高温度达到350℃，并且运行100小时观察密封泄漏情况。同时，可以现场采集密封腔温度，压力等在线指标，非常直观实用，并给最终用户也提供了一次密封交付前的观摩试验的机会。•12)热运转后对摩擦副进行二次检验非常重