大型脱硫循环泵用新型机械密封装置的设计(2)
2.2、采用最小弹簧力的防“干烧”设计
脱硫循环泵在刚开始启动时, 泵的密封腔体容易出现负压现象, 如果按常用机械密封要求设计弹簧比压, 使用过程中, 因为泵的轴向移动, 使弹簧力偏大, 导致摩擦副表面发热也大, 产生“干烧”现象,影响密封的正常使用。
从理论上讲, 机械密封的设计应使端面载荷最小(从而磨损也最小), 因此设计者应选择平衡半径d,使闭合力与被密封压力无关, 且仅依赖于一小的弹簧力, 这就要求面积比K =A1/A 和弹簧力Fs都应尽可能小。最小的实际弹簧力由2个因素支配, 其一是副密封阻力(O形圈) ; 其二是端面反压系数。弹簧力必须克服副密封(O形圈高阻力) 的最大阻力, 否则界面将开启, 导致过大的泄漏, 也就是说补偿环追随性能不好。通过对某脱硫循环泵机械密封O形圈阻力、腔体温度、压力、端面摩擦状态等进行综合计算分析,最小弹簧力的设定, 需主要考虑O形圈阻力和端面反压系数, 并考虑到介质沉积物在补偿环和轴上“挂起”, 在停机冷却(或启动加热) 期间存在大的轴位移时, 密封副摩擦力可能高的情况下, 保证密封具有最基本的追随性能, 同时减少弹簧比压。最小弹簧力必须克服密封的摩擦阻力和液膜的反压系数, 确保端面不要出现开启现象, 即端面的载荷力在任何运行工况下都为正值, 以确保密封摩擦副在正压和负压时都保持良好的贴合状态。
采用最小弹簧力, 关键技术在于确定脱硫循环泵实际运行工况及摩擦副的状况。脱硫循环泵工况通常为密封腔体压力在0.3MPa以下, 离子质量分数为4%～6% , 温度为30～50℃, 转速为790r/min, 含固体颗粒CaCO3和CaSO4。在这种工况下运行时, 摩擦副处于混合摩擦状态, 液膜相为固液混合相, 液膜的反压系数为rm=0.3 p。经过反复的研究与实践,最终确定弹簧比压处于0.1～0.12 MPa范围内, 而传统HR型密封弹簧比压是处于0.15 ～0.20 MPa范围内, 即比传统的机械密封减少弹簧比压约30%。
2.3、增加轴套抗振动和冲击的设计
密封装置的紧缩园盘轴套与轴的配合, 国内外同类机械密封都是靠内孔应力变形配合。在泵运行流体稳定的状态下, 机械密封不会产生轴向移动, 但是,在泵启动或运行流体不稳定时, 由于泵的振动力、冲击力的影响, 紧缩园盘容易出现松动的现象, 导致构件损环。
脱硫循环泵输送的流体不稳定, 产生的振动力、冲击力也大。如何解决园盘轴套与轴的配合, 以承受泵的较大振动力、冲击力, 防止紧缩园盘容易出现松动的现象, 成为本设计的关键技术之一。
传统的基环316L不锈钢镶嵌YWN12技术采用的是过盈配合, 配合公差一般是H8/V7, 采用轴套组合的工艺, 这种工艺存在的缺陷是由于过盈配合镶嵌处不可避免存在应力集中, 会导致密封面的变形,虽经时效处理, 上述变形有可能减轻, 但大轴径的应力变形仍无法避免。
本装置采用在紧缩园盘轴套上开R小槽, 通过R小槽增强轴套抗振动和冲击的能力, 减小轴套壁厚,降低变形压力, 使轴套在紧缩园盘的作用下, 通过应力变形紧紧地抱在轴上, 防止因振动、冲击出现松动的现象。
2.4 采用节流环装置的防干摩擦设计
机械密封主要是根据流体膜润滑(即由流体膜承载与保持密封和润滑) 的成膜理论进行设计。以该理论设计的机械密封, 在泵启动时, 密封装置润滑液未达到密封面时, 密封装置动、静环处于干摩擦状态。
在脱硫循环泵的运行工况下, 密封腔体一般终存在着“窝气”、“抽空”、“气蚀”等现象, 也就是说密封腔体处出现短时没有液体或负压(即抽空)现象, 摩擦副的干摩擦现象是无法避免的, 这是由于脱硫循环工况操作系统工艺所决定, 也与脱硫循环泵的叶轮设计曲线有关, 这种现象在泵刚启动时出现的概率更多。
实际运行证明, 泵在开启时属低扬程、大流量情况, 泵的密封腔处出现抽空(即负压现象) , 在中途“鼓氧”过程中, 摩擦副处又存在“窝气”的现象,在这两种情况下, 摩擦副就处于无介质液体润滑情况下工作。从理论上讲机械密封是绝不允许这种情况出现, 但进口的HR型机械密封没有考虑上述因素的出现, 在泵开启时摩擦副时常处于干摩擦状态, 造成摩擦副的温度急剧上升; 当输送介质进入后, 温度又急剧下降。因摩擦副时常处于急冷急热状况, 这样整体SiC-SiC的摩擦副结构缺陷就凸现, 特别在急冷情况下, SiC存在着“冷脆”及“炸裂”现象, 造成摩擦副突然断裂, 导致密封整体失效, 这是HR型密封用于国产脱硫循环泵存在的普遍问题。
基于上述情况, 本装置采用节流环技术, 设计了节流环装置。该节流环装置由进水口、导向套、折流套、出水口、节流环等部件组成, 在泵启动时, 由外界引入低压冷却水, 通过导向槽到达机械密封的动、静环, 使密封装置动、静环摩擦副启动时得到有效的润滑。当正常启动后, 润滑液到达密封装置的动、静环后, 关掉进出水口, 密封装置动、静环在润滑液润滑下正常运行。采用节流环技术, 完全避免了机械密封出现干摩擦的危险, 气蚀、抽空、负压等问题基本得到解决。
3、结束语
新型密封装置经石家庄工业泵厂、广西永福电厂、山东蓬莱电厂等单位试用, 反映该机械密封装置质量稳定, 安装简单, 使用效果好, 能满足脱硫循环泵的工况要求, 同时具有结构合理、强度高以及运行周期比较稳定等特点。使用寿命平均维持在8000h以上, 并能够连续无故障运行。当然, 该密封装置也存在不足之处, 如机械密封装置使用过程中, 摩擦副会有一定的摩擦热产生, 而橡胶L形垫传热性能较差, 传递不太好, 至使降温不快, 对机械密封使用寿命产生一定的影响。不过可以在温度较高时, 利用节流环装置, 输入冷却水使温度尽快降低。在以后的改进中将采取温度自动控制系统, 当温度达到一定值时, 自动启动冷却水装置进行降温, 温度降到一定值时, 自动关闭冷却水, 达到温度自动控制的目的。
