高温重油泵机械密封研究
高温重油泵采用的接触式波纹管机械密封，由端面摩擦热导致的流体膜结焦、密封环老化、端面热裂等使密封在工作状态下频繁失效。分析高温重油泵机械密封的泄漏机理，并对一种“接触式与非接触式”组合的双端面机械密封进行研究，这种机械密封方案可解决高温重油泵密封失效的问题。
一、前言
在炼油行业中，存在大量的高温热油类易燃介质，这类介质包括常、减压渣油、焦化原料油、催化油浆等，具有高温、高黏度、低自燃点、高污染性等特性。在输送高温重油类介质的机泵中，离心泵应用最为广泛。这类泵的密封一般采用机械密封，端面之间因介质易结焦使机械密封有可能在颗粒摩擦不稳定状态下工作，导致密封经常失效，泄漏经常发生。高温热油泵迫切需要一种性能优良的密封，满足环境保护和安全生产的要求。
二、高温重油泵机械密封失效原因分析
1.机械密封的基本类型
(1)接触式和非接触式密封；
(2)内装式和外装式机械密封；
(3)内流式和外流式机械密封；
(4)非平衡式和平衡式机械密封；
(5)单端面、双端面及多端面机械密封。
高温重油泵机械密封的选用一直是一大难题，例如，催化裂化油浆泵、常压塔底泵、初馏塔底泵、减压塔底泵、减压蜡油泵、延迟焦化的辐射进料泵等。
高温重油泵的介质具有共同的特点，温度高，一般在300～400℃；介质黏度大，在300～400℃，运动黏度为12～180mm2/s；介质有颗粒，如催化剂、焦炭、含有砂粒等杂质；机械密封形式，一般采用波纹管机械密封。
2.密封失效原因
(1)波纹管失弹或断裂。波纹管在使用过程中，其刚度或弹性会慢慢减小，试验和实际应用表明，当波纹管的失弹量超过设计初始压缩量18%～20%时，整个波纹管机械密封就会发生泄漏。使用中发现，金属波纹管机械密封在温度<200℃时，失弹现象不明显，但在高温工况下(温度>300℃)使用，泵很快就发生泄漏。因此，高温和载荷是造成波纹管失弹的主要原因。
(2)配对摩擦副中石墨环过度磨损。发生泄漏后，将失效的机封拆下检查，石墨密封环磨损严重，金属波纹管机械密封的端面比压受波纹管有效直径的影响，而有效直径又随压力的变化而改变，当波纹管受外压，其有效直径随压力的加大而逐渐缩小。当波纹管受内压，其有效直径随压力的加大而逐渐加大。由于压力过大，导致摩擦副摩擦严重，石墨环过度磨损引起泄漏。
(3)配对摩擦副中硬质合金环表面热裂，使用中发现密封摩擦副的硬质合金环，有许多由硬面中心向外发散的粗细不一的径向裂纹，这是热裂导致的密封失效。热裂产生的主要原因是过高的局部热应力，其中硬质合金环与环座两种材料的线膨胀系数差别，采用堆焊结构还是整体结构，密封冷却冲洗系统中冲洗液的类型、冲洗方式和流量的大小是否合适，都可能引起密封端面的热裂。
三、双端面机械密封的研究
单端面波纹管机械密封系统虽具有耐高温、耐腐蚀、使用范围广等特点，但在实际使用中依然存在诸多突出问题。例如，密封介质易产生泄漏，造成物质损失和环境污染；密封端面存在摩擦磨损、使用寿命短；密封件产生热变形、热裂、热胀而失效。随着安全、环保及节能意识的增强，炼化企业对于高温重油泵密封装置使用性能的要求越来越高。为改善高温重油泵机械密封的泄漏状况，对一种新型非接触式油膜机械密封进行了研究。
1.双端面机械密封的结构和工作原理
液膜润滑非接触式机械密封与接触式机械密封相组合的双端面密封结构见图1，左侧为一非接触式波纹管机械密封，右侧为一接触式波纹管机械密封。
图1 高温重油泵用新型机械密封结构
主压盖上的注入孔通入洁净的冷却冲洗腊油，其压力可在一定范围内(0.3～0.5MPa)变化；右侧的接触式机械密封在运行状态下，主要是阻止冲洗腊油向大气外的泄漏，而左侧非接触式机械密封能把少量的洁净腊油(不超过5L/h)增压后，泵送入密封箱内。因此，该密封结构的关键是设计出的非接触式机械密封能使低压腊油增压至超过重油的压力，有效阻止重油进入机械密封的附近区域。可见，合理设计非接触式机械密封至关重要。
正常运行状态下，应通过压盖上的注入孔通进洁净的冲洗蜡油，其注入压力控制在0.3～0.5MPa 之间。此时，尽管冲洗油的压力小于密封重油的压力(0.6MPa)，但由于非接触式机械密封具有增压泵送作用，使腊油经非接触式机械密封后，压力增加至大于密封重油的压力，从而使少量的洁净腊油输送进泵内，能够彻底消除重油泄漏及对环境的污染。
2.双端面机械密封的工作参数
双端面机械密封的参数主要有转速、压力等，密封性能参数有泵入量、端面温升、摩擦扭矩等。
(1)密封腔压力的测量。采用外加设备使密封流体循环和增压的实验台，一般均直接测量密封腔的平均压力。采用在密封腔上安装精密压力表测量密封腔介质和封液的压力，压力表便于直接读数。
(2)泵入量的测量。泵入量是液膜非接触式密封的一个重要指标。可以采用流量计测量。
(3)摩擦扭矩的测量。机械密封端面摩擦扭矩的测量目前主要采用支反力法和传递法。支反力法是根据动力机械在转矩的作用下所产生支座反力的变化来测量扭矩的；传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化来测量扭矩的。采用在电机与密封主轴之间安装扭矩传感器，传感器将测得的信号传递给扭矩转速仪，然后将扭矩仪的信号输入计算机，通过计算机内的数据采集卡，用已编写的机械密封测控软件进行信号采集和数据处理，便可以获得轴扭矩。
(4)温度的测量。机械密封端面温度的测量方法主要有热电阻法、热电偶法和红外测量法等。热电阻法是利用导体或半导体的电阻随温度变化的性质进行测量的；红外测量法是红外色谱进行测温的一种方法。但由于红外测量法具有便于多点测量、方便使用等优点，所以红外测量是适宜采用的一种方法。采用红外测量法测量密封端面温度和密封腔流体温度。
3.双端面机械密封的优点
(1)密封效果好。利用螺旋槽可实现封油向介质泵送，避免热油向外泄漏。而密封外侧接触式密封防止了封油泄漏问题。
(2)端面温度低。虽然温度较高，但是最高温度大约100℃，比现场应用中摩擦副处于350℃的情况改良很多，如果再采用背冷方式，温度会更低。
(3)冷却水用量少。只有在背冷时才用冷却水，比原来现场冷却水用量大幅度降低。
(4)端面磨损小寿命长。通过对连续运转后的密封动、静环的研究，非接触式动、静环的端面几乎没有磨损，接触式端面磨损比原密封端面大大减轻，且热裂情况不会发生，使用寿命大大延长。
4.工业应用的要求
(1)双端面机械密封之间需注入冲洗冷却蜡油，其压力控制0.3～0.5MPa，且最好进行过滤。
(2)根据高温重油泵现场具体条件，选择采用外冲洗冷却辅助系统，冷却蜡油的温度控制在150℃以下。
(3)密封运行过程中应定期对外侧密封温度进行监测，确保其温度控制在200℃以下。
四、结论
高温重油泵采用的接触式波纹管机械密封，易发生热油泄漏着火，不仅造成物质损失，还可能带来严重的安全隐患等问题，双端面机械密封解决了密封介质频繁泄漏问题，密封效果好，使用寿命长，端面温度低，有效控制了因温度高造成的端面热裂和环烷酸对密封件的腐蚀。除此之外，辅助系统结构简单，冷却水用量少，经济效益好，符合周期安全运行的要求以及越来越严格的环境保护要求，具有广泛的工业推广应用价值。
