不同槽型上游泵送机械密封性能比较

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海石化工业学校 作者:王晓彦

  为找出适用于不同工况条件下的上游泵送机械密封,对中间开槽、双列同向、双列反向3种槽型的上游泵送机械密封在不同工况下进行了试验研究并对试验数据进行比较分析,得到了相应的密封工作性能(泄漏量、端面温升、摩擦功耗、上游泵送量)与端面槽型、弹簧压力以及介质压力等因素之间的关系。

  在石油化工领域,泵用接触式机械密封在变工况情况下极易发生泄漏,造成经济损失,甚至酿成重大事故。为此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)的参考文献对中间开槽、双列同向、双列反向3种槽型的非接触式上游泵送机械密封在不同工况下的性能进行了试验研究并对试验数据进行比较分析,以期获得密封工作性能(泄漏量、端面温升、摩擦功耗、上游泵送量)与端面槽型、弹簧压力以及介质压力等因素之间的关系,为上游泵送机械密封在化工泵上的正确使用提供可靠的依据。

1、试验装置及试验条件

  本次试验采用文献中介绍的试验装置。该试验装置为单悬臂支撑结构,主要由动力装置、加压装置、过滤元件、测控系统和循环系统等组成。试验时,通过柱塞泵的作用,将密封介质从水槽中引入缓冲罐,缓冲后的密封介质进入密封腔,然后通过管路送回水槽。通过调节阀门使进入密封腔中的介质保持一定的压力。启动电机,待试验数据稳定后计算机测控系统采集并记录试验数据。试验采用双端面小弹簧平衡型密封结构(图1),试验用动环为镶嵌WC硬质合金,试验用静环为M106K 石墨,在密封的动环端面上加工出螺旋槽。本试验共对中间开槽上游泵送机械密封(图2a)、双列同向上游泵送机械密封(图2b)、双列反向上游泵送机械密封(图2c)3种密封结构进行性能试验。密封环端面结构参数为:密封面内径D1=61mm,密封面外径D2=75mm,辅助密封圈的滑动面直径Do=64.5mm,螺旋入口角β=21°,槽径宽径比为0.67,槽堰宽度比为1.0,动压槽深H=9.5μm。试验用密封介质为水,缓冲流体为清水,介质压力可在0~3.0 MPa 动态调节,转速可在0~3000r/min由变频器进行无级变速调节。试验过程中调节的主要参数有密封腔内介质压力及弹簧比压。测量的主要参数有密封腔内介质压力及温度、内外密封端面温度、转速、密封摩擦扭矩、泄漏量或上游泵送量。除泄漏量、介质压力和上游泵送量外,其他数据均可由计算机测控系统自动采集记录。

试验密封结构布置图

图1 试验密封结构布置图

上游泵送机械密封结构

图2 上游泵送机械密封结构

  试验主要探讨不同密封介质压力、弹簧比压及引入缓冲流体对上游泵送机械密封工作性能的影响。

2、试验数据分析

  2.1、密封特性

  转速为3000r/min时,3种上游泵送机械密封在不同压力下的泄漏量曲线见图3,图3的密封泄漏量均在提供常压缓冲流体的条件下测得。由图3可以看出,当压力升至1.4MPa时中间开槽、双列同向上游泵送机械密封出现泄漏,而双列反向上游泵送机械密封在压力升至2.4MPa时才出现泄漏,而且泄漏量增加缓慢。由此可见,在本试验条件下,这3种上游泵送机械密封中,双列反向上游泵送机械密封的密封性最好。

带常压缓冲流体时泄漏量-介质压力曲线

图3 带常压缓冲流体时泄漏量-介质压力曲线

  2.2、端面温升

  转速3000r/min、无缓冲流体条件下改变压力时双列同向和双列反向2种上游泵送机械密封端面温升的变化情况见图4。由图4可见,随着介质压力的升高,2种密封结构的端面温升均增加,但双列反向上游泵送机械密封的端面温升比双列同向上游泵送机械密封的温升要低35%。

无缓冲流体时端面温升-介质压力曲线

图4 无缓冲流体时端面温升-介质压力曲线

  2.3、缓冲流体对密封性能的影响

  根据上游泵送机械密封的密封机理,当密封装置中的动环旋转时,低压侧缓冲流体由内径处进入螺旋槽,每个螺旋槽就像一个小体积的高压泵使流体沿槽流动并逐渐增压,端面间液体压力升高后使在弹性载荷和介质压力作用下保持贴和的两密封端面分离,并形成一层流体薄膜。该稳定薄膜既起密封作用又起润滑、冷却作用,使得上游泵送机械密封在非接触状态下实现无磨损、无泄漏运转。因此,缓冲流体对上游泵送机械密封的性能有很大影响。转速为3 000r/min时,3种上游泵送机械密封的上游泵送量与介质压力的关系曲线见图5。由图5可见,随着压力的升高,3种密封的上游泵送量均减少。当密封端面接触时,常压缓冲流体不会进入螺旋槽,密封的流体反而会通过螺旋槽泄漏。此时,上游泵送量便会出现负值,即出现泄漏。介质压力达到1.6MPa时,中间开槽和双列同向上游泵送机械密封都出现了泄漏,但是,密封泄漏之前,双列同向上游泵送机械密封的泵送量大于中间开槽上游泵送机械密封。双列反向上游泵送机械密封在介质压力达到2.8 MPa才出现泄漏,而且泄漏量增幅缓慢。

转速3000r/min时上游泵送量-介质压力曲线

图5 转速3000r/min时上游泵送量-介质压力曲线

  转速3000r/min时,缓冲流体对双列同向上游泵送机械密封端面温升的影响见图6。由图6可以看出,有缓冲流体时密封端面温升比没有缓冲流体时低32%。因此,提供缓冲流体可以有效地降低端面温度,改善密封装置的工作条件。

转速3000r/min时缓冲流体对密封端面温升的影响

图6 转速3000r/min时缓冲流体对密封端面温升的影响

  转速3000r/min时,有缓冲流体条件下各密封的摩擦功耗随压力变化的曲线见图7。由图7可知,介质压力增大时,3种密封的摩擦功耗都增大,其中中间开槽上游泵送机械密封的摩擦功耗增加很快,而双列同向和双列反向上游泵送机械密封的摩擦功耗则增加缓慢。3种上游泵送机械密封的摩擦功耗远低于接触式密封,这是因为上游泵送机械密封工作时,密封端面被一层液体膜分离而处于非接触状态,因此密封面之间几乎没有磨损。端面间流体膜的存在使密封面处于流体润滑状态,端面摩擦因数远小于普通接触式密封,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为上游泵送机械密封的摩擦功耗远低于普通接触式密封。

转速3000r/min有缓冲流体时摩擦功耗-介质压力曲线

图7 转速3000r/min有缓冲流体时摩擦功耗-介质压力曲线

  2.4、弹簧比压对密封性能的影响

  对双列同向上游泵送机械密封进行改变弹簧比压psp的试验,分别得到密封端面温升、上游泵送量随介质压力的变化曲线见图8和图9。

不同弹簧比压下端面温升-介质压力关系曲线

图8 不同弹簧比压下端面温升-介质压力关系曲线

不同弹簧比压下上游泵送量-介质压力关系曲线

图9 不同弹簧比压下上游泵送量-介质压力关系曲线

  从图8可见,维持转速3000r/min不变,对于双列同向上游泵送机械密封,弹簧比压psp对端面温差的影响较小。从图9可见,转速为3000r/min时,当弹簧比压变化时,上游泵送量的变化不大。

3、结论

  (1)上游泵送机械密封的端面温差很小。当注入缓冲液后,端面温升明显下降,端面摩擦状态进一步改善。

  (2)弹簧比压对上游泵送机械密封端面温升、上游泵送量影响不大。

  (3)3种上游泵送机械密封的摩擦功耗远低于接触式密封,摩擦磨损问题得到有效解决。

  (4)3种上游泵送机械密封结构中,双列反向上游泵送机械密封的密封性能最佳。

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