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渣浆泵机械密封用于氧化铝厂失效分析及改进措施
发布时间:2019-07-16
渣浆泵机械密封用于氧化铝厂失效分析及改进措施  
    在氧化铝生产整个工艺流程中渣浆泵是料浆输送的重要设备之一,渣浆泵性能的好坏直接影响着氧化铝生产整个工艺流程的可靠性,和产品质量的稳定性。渣浆泵性能受其密封性能的影响,特别是轴的密封。渣浆泵的轴密封装置一般有组合密封和机械密封两种形式。由于机械密封具有密封性能可靠、泄漏量小、使用寿命长、功率损耗少、使用范围广等优点,在氧化铝生产工艺流程中得到越来越广泛的应用。但氧化铝生产是一个恶劣工况下的连续的工艺流程,流程介质为固含 300 g/L~1000 g/L,碱浓度 120 g/L~260 g/L,密度大于 1500 kg/m3,温度从常温到 100 ℃的料浆。在此情况下,对渣浆泵的性能以及泵运动件的密封要求更加严格,因为生产流程中如果密封一旦泄漏、将严重影响生产流程的正常进行和产品质量,同时会造成环保事故、严重时还可能造成重大人身伤害及设备的安全事故。为了满足工艺流程的要求,目前氧化铝生产流程使用的渣浆泵机械密封多采用动静环为 YG6/YG8的合金,其余零件材质为 2Gr13。
    一、机械密封的原理及要求
    机械密封通常由动环、静环、压紧元件和密封元件组成。其中动环和静动环的端面组成一对摩擦副,动环靠密封室中液体的压力使其端面压紧在静环端面上,并在两环上产生适当的比压和保持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。压紧元件产生压力,可使泵在不运转的情况下,也保持端面贴合,保证密封介质不外漏,并防止杂质进入密封端面。密封元件起密封动环与轴的间隙、静环与压盖的间隙的作用,同时对泵的振动、冲击起缓冲作用。
    机械密封在实际运行中不是一个孤立的部件,它是与泵的其它零部件一起组合起来运行的,同时通过其基本原理可以看出,机械密封的正常运行是有条件的,例如:泵轴的窜动量不能太大,否则摩擦副端面不能形成正常要求的比压;机械密封处的泵轴不能有太大的挠度,否则端面比压会不均匀等等。只有满足这样类似的基本条件的要求,再加上良好的机械密封自生性能,才能达到理想的密封效果。
    二、 机械密封的几种主要失效形式
    2. 1主密封擦裂失效
    机械密封是一种旋转轴向的接触式密封,它是在流体介质弹性元件的作用下,两个垂直于轴心线的密封端面紧密贴合、相对旋转,从而达到密封效果,因此要求两个密封之间要受力均匀。而在氧化铝生产过程中渣浆泵的工况条件恶劣、很容易造成泵内气蚀现象从而使泵产生较大的振动、以及泵在长期运行自身的磨损及泵基础下沉、造成的振动等,从而使泵本身的精度丧失,因而泵容易发生窜轴、泵轴不同心 、不对中等故障,而这些故障都会使机械密封的两个合金密封端面受力不均匀,从而使机械密封的设计参数发生变化,甚至导致两个合金密封环面相互刮碰造成断裂失效。在该厂渣浆泵机械密封断裂失效的机械密封占密封失效的 45%。2. 2弹簧失效机械密封的辅助冲洗系统是非常重要的,它可以有效地保护密封元件,起到冷却、润滑、冲走杂质等作用。如果没有合理地配置辅助冲洗系统,将达不到密封效果;虽然设计了辅助冲洗系统,但由于冲洗液中有杂质,冲洗液的流量、压力过大或过小,冲洗口位置设计不合理,导致弹簧被杂物卡住和严重的水结垢睹塞,从而使弹簧失去补偿能力,造成机封泄漏或机封面烧毁失效。一般由于弹簧原因造成机封失效约占密封失效的 40%
    三. 机械密封改进措施
    3. 1防止弹簧失效的改进弹簧是确保密封具有补偿追随性的部件。弹簧失效,密封面随即打开而泄漏。在多数情况下,氧化铝厂渣浆泵机械密封弹簧失效是由于弹簧结垢而引起的,我们在密封座上开孔引入冲洗水,直接冲洗密封面,而不以弹簧直接接触或设置导流套引入冲洗水,直接冲洗密封面,从而完全排除因弹簧结垢和洗液杂质而引起的密封失效 (见图2)。
    3. 2主密封防擦裂主密封是机械密封最关键的密封点。各参数的确定,多数生产厂家都使用了计算机优化设计,却忽视了泵及泵轴的本身存在的径向跳动问题,过于理想化的设计,而导致设计参数发生变化,以至于由于泵本身的径向跳动而造成主密封合金面产生相互擦挂而断裂失效。在机械密封的设计中 [PV]值都是以经验或实验数据为基础的取值,故只适用于平行面混合摩擦、液相和接触式机械密封,为了保证密封面的良好贴合,需要采用一定的密封面比压。但该比压又不能太高或太低,太高会使磨损加剧,过低又会使密封面产生开启失效,因此对泵用内装式机械密封,该比压的经验值一般取 0. 2MPa ~0. 6MPa(均假设反压系数λ=0. 5)。为了使机械密封达到长期安全可靠运行的目的,还要求密封副的工作 PV值小于允许 [PV]值。该允许 [PV]值,是用某些密封副材料经适当配对后在规定的使用寿命及允许磨损速度下确定的。下面以中国铝业贵州分公司铝氧化铝厂 6/4X2SH泵配机械密封 ZGWZ2120/85. 82F2为列,根据已知条件;
          丝径d=7(mm)    中径D=112(mm)     自由高度H0=80(mm)   工作高度H1=35(mm) 总圈数n1=3. 5(mm)有效圈数n=1. 5(mm)密封面外径D2=126. 5(mm)密封面内径D1=116. 5(mm)平衡轴径d0=120(mm)主轴转数v=2 750 r/min查表得知:1Gr18Ni9Ti材质切变模量:G=71540N/mmPV许=19. 6 (MPa·m/s)设介质压力 P介=4MPa  反压系数λ=0. 5而泵实际运转时挠度可达 0. 5mm~1mm,即实际密封面尺寸为:外径 D2=124. 5,内径 D1=118. 5。计算此机械密封的实际端面 PV值:PV实根据:P=P弹+P介(K-λ),得:PV实=[P弹+P介(K-λ) ]·V·D2·π/60 000(1)根据:K= (D22- d20) /(D22- D21),得:PV实={P弹+P介[ (D22- d20) /(D22- D21) -λ]}→←·V·D2·π/60 000(2)根据:P弹=F/π(D22- D21) /4,得:PV实={[ F/π(D22- D21) /4 +P介[D22- d20//(D22→←- D21) -λ]}·V·D2·π/60 000(3)根据:F=P′×(H0- H1),得:PV实={ P′×(H0- H1) /π(D22- D21) /4 +P介[D22→←- d20(D22- D12) -λ]} ·V·D2·π/60 000(4)根据:P′=Gd4/8D3n,得:PV实={[Gd4/8K3n×(H0- H1)π(D22- D21) /4→←+P介[D22- d20(D22- D12) -λ]} ·V·D2·π/60 000代入数据计算:PV实={[71540×74/8×1123×1. 5 ×(80 - 35) /3. 1416(124. 52- 118. 52) /4 +4×(124. 52- 1202)→←/(124. 52- 118. 52) - 0. 5]}×2750×124. 5×3. 1416/60000=25. 4(MPa·m/s)PV实=25. 4(MPa·m/s)PV实>PV许(故不能达到长期安全可靠运行的目的)
   通过对现场机械密封损坏数据的收集及整理,我们对密封参数进行重新设定,我们采用对动静环密封面倒角,改变密封面尺寸、载荷系数后,即:D2=126. 5,D1=116. 5, d0=121. 5,代入公式 (5)。PV许=5. 12(MPa·m/s)PV实
    四、结束语
    综上所述,在设计泵用机械密封时,不仅要考虑机械密封本身的影响因素,而且要考虑机械密封外部各种因素的影响。并在实际生产工作中,要充分考虑到泵及其它零部件以及现场其它设备对机械密封的使用效果的影响,为机械密封创造一个良好的外部条件,增加对机械密封辅助系统的重要作用的认识,尽可能配备完善的机构密封辅助系统,以提高密封效果,对重要生产环节的泵类的机械密封,要增加保护措施,提高密封质量,减少机械密封本身的质量事故,分析机械密封的质量事故原因时,要充分考虑到泵的其它零部件对机械密封运行的影响,并根据分析结果采取有效的技术手段进行防范和改进、不断提高和延长机械密封的使用寿命。
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