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摘 要：本文具体分析了大庆炼化丙烯腈装置脱腈酸塔侧线泵机械密封失效的一系列原因，并通过数值模拟分析，优化密封结构，提出改进措施。改进后的机械密封具有更好的散热性及可靠性，运转效果良好。
关键词：机械密封 失效 数值模拟分析
大庆炼化丙烯腈脱腈酸塔侧线泵介质为90%丙烯腈，丙烯腈属有毒有害液体，其蒸气可与空气形成爆炸行混合物。由于该泵体密封腔标准不符合API682标准，空间狭小，同时设备的轴向传动及径向跳动大，改造为双端面机封密封难度大，初次改造的双端面密封上线后运转不良，泄漏量超标。
1失效分析
机械密封在运转时受压力、温度、介质、材料等诸多因素的影响，而单一因素就足以导致密封的失效，这使机械密封失效分析尤为复杂。
1.1拆解分析
1.1.1 介质侧补偿环
介质侧动环材料为石墨，环面有多处极其明显的泡疤现象。石墨环的泡疤现象是较为普遍的问题，主要原因是：密封端面温度变化异常，局部过热；密封端面的载荷过大；密封材料的不致密性；介质粘度大。其最根本的机理是密封端面的局部区域剪切应力载荷超过密封环端面材料能承受应力载荷的极限，引起密封端面起泡并在旋转滑动中将其带走，引起泡疤的产生。
1.1.2 介质侧非补偿环
介质静环材料为碳化硅，可见清晰的磨损痕迹，没有与其配对石墨环的泡疤现像本质机理也是由于其材料的机械性能要高于石墨环一个数量级别，所以碳化硅没有异常现象出现，仅仅是使用时的磨损痕迹。
1.1.3 大气侧密封环
大气侧补偿环有外圆处切（磕）边痕迹，磨损痕迹较重，非补偿环，密封端面严重磨损，并且靠外径侧清晰可见，磨损的深度可以达到mm 级别。补偿环于说明该机封存在过量压缩。原密封轴套定位于轴，如果现场轴发生了轴向窜动，便会引起密封环过压缩，使其弹簧比压增大，导致其载荷加重，引起急剧磨损及过热，产生切（磕）边及严重磨损。
1.1.4 轴套
密封轴套上处泵效环存在于腔体摩擦的痕迹，说明泵轴的跳动较大，使摩擦副追随性下降。
1.1.5 密封腔体
腔体内部存积颗粒物和硬质杂质，从微小颗粒物的颜色判断，可能为水垢与杂质的混合物。系统的循环封液不够清洁，含有大量的矿物质和不洁物，导致密封面的磨损加剧，失效加快。
1.2 设计分析
1.2.1工况参数
设备名称：脱氢腈酸塔侧线泵；主机厂：美国高质泵有限公司；介质：90%丙烯腈；温度：78℃；转速：2850RPM； 泵入口压力：0.4Mpa；泵出口压力：0.8Mpa；冲洗方案：PLAN11+53A。
1.2.2 结构分析
原机封为非集式机械密封，勾轴套结构，由泵轴及泵盖的相对距离来定位机械密封的工作高度。这种结构下，只要发生轴向窜动，就会引起机械密封工作高度的变化，对机封端面比压造成较大的影响。密封非补偿环为固定式设计，设备轴窜时适应性较差。
2 改进措施
2.1设备改进
调整泵的跳动，保证安装密封前，泵轴静态的跳动值满足技术要求，并且泵在运转时的振动值也符合标准。
2.2机械密封辅助冲洗系统改进
针对封液存在杂质的问题，清洗辅助系统管线后更换封液为更清洁的脱离子水，避免密封运转时封液杂质结垢而导致换热不良，从而引起密封面温升过高气化失效。
2.3机械密封改进
2.3.1材料优化
温度引起的密封面泡疤问题，是导致机械密封失效的常见形式之一。由于泵送介质丙烯腈易挥发，润滑性差，密封补偿环原采用润滑性较好的树脂石墨材料，现更替为性能更优的进口浸锑石墨。
2.3.2 结构优化
（1）通过采用轴套搭接结构来提高密封整体的耐轴窜能力，同时降低密封拆装的难度，保证密封的主体集装性；
（2）非补偿环改为浮装式结构，提高密封环的耐轴窜能力，使其具有更好的适应性[1]。
（3）优化摩擦副结构，配对密封环重新设计。
3 优化设计分析
3.1 参数计算
3.2 数值模拟分析
分别建立原密封及改进后密封摩擦副有限元模型，加载压力温度等边界条件，预测运转时密封面变形及温度分布。由分析结果发现，改进后的密封补偿环较原密封环发热量显著减少。密封端面运转时由原扩散式变形，变更为收敛式。收敛式密封面的接触状态更有利于密封流体进入密封端面，提高密封端面的润滑性，其流体膜刚度为正刚度，密封效果好，可靠性高。
3.3计算分析结果
4 结束语
改进后的机械密封针对窄腔泵工况的特点，通过调整密封环的设计参数及结构等一系列措施，使其具有更好的密封性能，同时对泵轴的轴向窜动也有着更好的容差性。密封替换安装后，至今已经一年多，运转稳定，得到用户的认可。
参考文献
[1] 陈德才，崔德容.机械密封设计制造与使用[M].北京：机械工业出版社，1993
[2] 顾永泉.机械密封实用技术[M].北京：机械工业出版社，2001.
关键词：机械密封 失效 数值模拟分析
大庆炼化丙烯腈脱腈酸塔侧线泵介质为90%丙烯腈，丙烯腈属有毒有害液体，其蒸气可与空气形成爆炸行混合物。由于该泵体密封腔标准不符合API682标准，空间狭小，同时设备的轴向传动及径向跳动大，改造为双端面机封密封难度大，初次改造的双端面密封上线后运转不良，泄漏量超标。
1失效分析
机械密封在运转时受压力、温度、介质、材料等诸多因素的影响，而单一因素就足以导致密封的失效，这使机械密封失效分析尤为复杂。
1.1拆解分析
1.1.1 介质侧补偿环
介质侧动环材料为石墨，环面有多处极其明显的泡疤现象。石墨环的泡疤现象是较为普遍的问题，主要原因是：密封端面温度变化异常，局部过热；密封端面的载荷过大；密封材料的不致密性；介质粘度大。其最根本的机理是密封端面的局部区域剪切应力载荷超过密封环端面材料能承受应力载荷的极限，引起密封端面起泡并在旋转滑动中将其带走，引起泡疤的产生。
1.1.2 介质侧非补偿环
介质静环材料为碳化硅，可见清晰的磨损痕迹，没有与其配对石墨环的泡疤现像本质机理也是由于其材料的机械性能要高于石墨环一个数量级别，所以碳化硅没有异常现象出现，仅仅是使用时的磨损痕迹。
1.1.3 大气侧密封环
大气侧补偿环有外圆处切（磕）边痕迹，磨损痕迹较重，非补偿环，密封端面严重磨损，并且靠外径侧清晰可见，磨损的深度可以达到mm 级别。补偿环于说明该机封存在过量压缩。原密封轴套定位于轴，如果现场轴发生了轴向窜动，便会引起密封环过压缩，使其弹簧比压增大，导致其载荷加重，引起急剧磨损及过热，产生切（磕）边及严重磨损。
1.1.4 轴套
密封轴套上处泵效环存在于腔体摩擦的痕迹，说明泵轴的跳动较大，使摩擦副追随性下降。
1.1.5 密封腔体
腔体内部存积颗粒物和硬质杂质，从微小颗粒物的颜色判断，可能为水垢与杂质的混合物。系统的循环封液不够清洁，含有大量的矿物质和不洁物，导致密封面的磨损加剧，失效加快。
1.2 设计分析
1.2.1工况参数
设备名称：脱氢腈酸塔侧线泵；主机厂：美国高质泵有限公司；介质：90%丙烯腈；温度：78℃；转速：2850RPM； 泵入口压力：0.4Mpa；泵出口压力：0.8Mpa；冲洗方案：PLAN11+53A。
1.2.2 结构分析
原机封为非集式机械密封，勾轴套结构，由泵轴及泵盖的相对距离来定位机械密封的工作高度。这种结构下，只要发生轴向窜动，就会引起机械密封工作高度的变化，对机封端面比压造成较大的影响。密封非补偿环为固定式设计，设备轴窜时适应性较差。
2 改进措施
2.1设备改进
调整泵的跳动，保证安装密封前，泵轴静态的跳动值满足技术要求，并且泵在运转时的振动值也符合标准。
2.2机械密封辅助冲洗系统改进
针对封液存在杂质的问题，清洗辅助系统管线后更换封液为更清洁的脱离子水，避免密封运转时封液杂质结垢而导致换热不良，从而引起密封面温升过高气化失效。
2.3机械密封改进
2.3.1材料优化
温度引起的密封面泡疤问题，是导致机械密封失效的常见形式之一。由于泵送介质丙烯腈易挥发，润滑性差，密封补偿环原采用润滑性较好的树脂石墨材料，现更替为性能更优的进口浸锑石墨。
2.3.2 结构优化
（1）通过采用轴套搭接结构来提高密封整体的耐轴窜能力，同时降低密封拆装的难度，保证密封的主体集装性；
（2）非补偿环改为浮装式结构，提高密封环的耐轴窜能力，使其具有更好的适应性[1]。
（3）优化摩擦副结构，配对密封环重新设计。
3 优化设计分析
3.1 参数计算
3.2 数值模拟分析
分别建立原密封及改进后密封摩擦副有限元模型，加载压力温度等边界条件，预测运转时密封面变形及温度分布。由分析结果发现，改进后的密封补偿环较原密封环发热量显著减少。密封端面运转时由原扩散式变形，变更为收敛式。收敛式密封面的接触状态更有利于密封流体进入密封端面，提高密封端面的润滑性，其流体膜刚度为正刚度，密封效果好，可靠性高。
3.3计算分析结果
4 结束语
改进后的机械密封针对窄腔泵工况的特点，通过调整密封环的设计参数及结构等一系列措施，使其具有更好的密封性能，同时对泵轴的轴向窜动也有着更好的容差性。密封替换安装后，至今已经一年多，运转稳定，得到用户的认可。
参考文献
[1] 陈德才，崔德容.机械密封设计制造与使用[M].北京：机械工业出版社，1993
[2] 顾永泉.机械密封实用技术[M].北京：机械工业出版社，2001.