為找出適用于不同工況條件下的上游泵送機(jī)械密封，對(duì)中間開槽、雙列同向、雙列反向3種槽型的上游泵送機(jī)械密封在不同工況下進(jìn)行了試驗(yàn)研究并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，得到了相應(yīng)的密封工作性能(泄漏量、端面溫升、摩擦功耗、上游泵送量)與端面槽型、彈簧壓力以及介質(zhì)壓力等因素之間的關(guān)系。

　　在石油化工領(lǐng)域，泵用接觸式機(jī)械密封在變工況情況下極易發(fā)生泄漏，造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至釀成重大事故。為此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)的參考文獻(xiàn)對(duì)中間開槽、雙列同向、雙列反向3種槽型的非接觸式上游泵送機(jī)械密封在不同工況下的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，以期獲得密封工作性能(泄漏量、端面溫升、摩擦功耗、上游泵送量)與端面槽型、彈簧壓力以及介質(zhì)壓力等因素之間的關(guān)系，為上游泵送機(jī)械密封在化工泵上的正確使用提供可靠的依據(jù)。

1、試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)條件

　　本次試驗(yàn)采用文獻(xiàn)中介紹的試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置為單懸臂支撐結(jié)構(gòu)，主要由動(dòng)力裝置、加壓裝置、過濾元件、測控系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)時(shí)，通過柱塞泵的作用，將密封介質(zhì)從水槽中引入緩沖罐，緩沖后的密封介質(zhì)進(jìn)入密封腔，然后通過管路送回水槽。通過調(diào)節(jié)閥門使進(jìn)入密封腔中的介質(zhì)保持一定的壓力。啟動(dòng)電機(jī)，待試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)采集并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)采用雙端面小彈簧平衡型密封結(jié)構(gòu)(圖1)，試驗(yàn)用動(dòng)環(huán)為鑲嵌WC硬質(zhì)合金，試驗(yàn)用靜環(huán)為M106K 石墨，在密封的動(dòng)環(huán)端面上加工出螺旋槽。本試驗(yàn)共對(duì)中間開槽上游泵送機(jī)械密封(圖2a)、雙列同向上游泵送機(jī)械密封(圖2b)、雙列反向上游泵送機(jī)械密封(圖2c)3種密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能試驗(yàn)。密封環(huán)端面結(jié)構(gòu)參數(shù)為：密封面內(nèi)徑D1=61mm，密封面外徑D2=75mm，輔助密封圈的滑動(dòng)面直徑Do=64.5mm，螺旋入口角β=21°，槽徑寬徑比為0.67，槽堰寬度比為1.0，動(dòng)壓槽深H=9.5μm。試驗(yàn)用密封介質(zhì)為水，緩沖流體為清水，介質(zhì)壓力可在0～3.0 MPa 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速可在0～3000r/min由變頻器進(jìn)行無級(jí)變速調(diào)節(jié)。試驗(yàn)過程中調(diào)節(jié)的主要參數(shù)有密封腔內(nèi)介質(zhì)壓力及彈簧比壓。測量的主要參數(shù)有密封腔內(nèi)介質(zhì)壓力及溫度、內(nèi)外密封端面溫度、轉(zhuǎn)速、密封摩擦扭矩、泄漏量或上游泵送量。除泄漏量、介質(zhì)壓力和上游泵送量外，其他數(shù)據(jù)均可由計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)自動(dòng)采集記錄。

圖1　試驗(yàn)密封結(jié)構(gòu)布置圖

圖2　上游泵送機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

　　試驗(yàn)主要探討不同密封介質(zhì)壓力、彈簧比壓及引入緩沖流體對(duì)上游泵送機(jī)械密封工作性能的影響。

2、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

　　2.1、密封特性

　　轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)，3種上游泵送機(jī)械密封在不同壓力下的泄漏量曲線見圖3，圖3的密封泄漏量均在提供常壓緩沖流體的條件下測得。由圖3可以看出，當(dāng)壓力升至1.4MPa時(shí)中間開槽、雙列同向上游泵送機(jī)械密封出現(xiàn)泄漏，而雙列反向上游泵送機(jī)械密封在壓力升至2.4MPa時(shí)才出現(xiàn)泄漏，而且泄漏量增加緩慢。由此可見，在本試驗(yàn)條件下，這3種上游泵送機(jī)械密封中，雙列反向上游泵送機(jī)械密封的密封性最好。

圖3　帶常壓緩沖流體時(shí)泄漏量-介質(zhì)壓力曲線

　　2.2、端面溫升

　　轉(zhuǎn)速3000r/min、無緩沖流體條件下改變壓力時(shí)雙列同向和雙列反向2種上游泵送機(jī)械密封端面溫升的變化情況見圖4。由圖4可見，隨著介質(zhì)壓力的升高，2種密封結(jié)構(gòu)的端面溫升均增加，但雙列反向上游泵送機(jī)械密封的端面溫升比雙列同向上游泵送機(jī)械密封的溫升要低35%。

圖4　無緩沖流體時(shí)端面溫升-介質(zhì)壓力曲線

　　2.3、緩沖流體對(duì)密封性能的影響

　　根據(jù)上游泵送機(jī)械密封的密封機(jī)理，當(dāng)密封裝置中的動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，低壓側(cè)緩沖流體由內(nèi)徑處進(jìn)入螺旋槽，每個(gè)螺旋槽就像一個(gè)小體積的高壓泵使流體沿槽流動(dòng)并逐漸增壓，端面間液體壓力升高后使在彈性載荷和介質(zhì)壓力作用下保持貼和的兩密封端面分離，并形成一層流體薄膜。該穩(wěn)定薄膜既起密封作用又起潤滑、冷卻作用，使得上游泵送機(jī)械密封在非接觸狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)無磨損、無泄漏運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，緩沖流體對(duì)上游泵送機(jī)械密封的性能有很大影響。轉(zhuǎn)速為3　000r/min時(shí)，3種上游泵送機(jī)械密封的上游泵送量與介質(zhì)壓力的關(guān)系曲線見圖5。由圖5可見，隨著壓力的升高，3種密封的上游泵送量均減少。當(dāng)密封端面接觸時(shí)，常壓緩沖流體不會(huì)進(jìn)入螺旋槽，密封的流體反而會(huì)通過螺旋槽泄漏。此時(shí)，上游泵送量便會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，即出現(xiàn)泄漏。介質(zhì)壓力達(dá)到1.6MPa時(shí)，中間開槽和雙列同向上游泵送機(jī)械密封都出現(xiàn)了泄漏，但是，密封泄漏之前，雙列同向上游泵送機(jī)械密封的泵送量大于中間開槽上游泵送機(jī)械密封。雙列反向上游泵送機(jī)械密封在介質(zhì)壓力達(dá)到2.8 MPa才出現(xiàn)泄漏，而且泄漏量增幅緩慢。

圖5　轉(zhuǎn)速3000r/min時(shí)上游泵送量-介質(zhì)壓力曲線

　　轉(zhuǎn)速3000r/min時(shí)，緩沖流體對(duì)雙列同向上游泵送機(jī)械密封端面溫升的影響見圖6。由圖6可以看出，有緩沖流體時(shí)密封端面溫升比沒有緩沖流體時(shí)低32%。因此，提供緩沖流體可以有效地降低端面溫度，改善密封裝置的工作條件。

圖6　轉(zhuǎn)速3000r/min時(shí)緩沖流體對(duì)密封端面溫升的影響

　　轉(zhuǎn)速3000r/min時(shí)，有緩沖流體條件下各密封的摩擦功耗隨壓力變化的曲線見圖7。由圖7可知，介質(zhì)壓力增大時(shí)，3種密封的摩擦功耗都增大，其中中間開槽上游泵送機(jī)械密封的摩擦功耗增加很快，而雙列同向和雙列反向上游泵送機(jī)械密封的摩擦功耗則增加緩慢。3種上游泵送機(jī)械密封的摩擦功耗遠(yuǎn)低于接觸式密封，這是因?yàn)樯嫌伪盟蜋C(jī)械密封工作時(shí)，密封端面被一層液體膜分離而處于非接觸狀態(tài)，因此密封面之間幾乎沒有磨損。端面間流體膜的存在使密封面處于流體潤滑狀態(tài)，端面摩擦因數(shù)遠(yuǎn)小于普通接觸式密封，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為上游泵送機(jī)械密封的摩擦功耗遠(yuǎn)低于普通接觸式密封。

圖7　轉(zhuǎn)速3000r/min有緩沖流體時(shí)摩擦功耗-介質(zhì)壓力曲線

　　2.4、彈簧比壓對(duì)密封性能的影響

　　對(duì)雙列同向上游泵送機(jī)械密封進(jìn)行改變彈簧比壓psp的試驗(yàn)，分別得到密封端面溫升、上游泵送量隨介質(zhì)壓力的變化曲線見圖8和圖9。

圖8　不同彈簧比壓下端面溫升-介質(zhì)壓力關(guān)系曲線

圖9　不同彈簧比壓下上游泵送量-介質(zhì)壓力關(guān)系曲線

　　從圖8可見，維持轉(zhuǎn)速3000r/min不變，對(duì)于雙列同向上游泵送機(jī)械密封，彈簧比壓psp對(duì)端面溫差的影響較小。從圖9可見，轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)，當(dāng)彈簧比壓變化時(shí)，上游泵送量的變化不大。

3、結(jié)論

　　(1)上游泵送機(jī)械密封的端面溫差很小。當(dāng)注入緩沖液后，端面溫升明顯下降，端面摩擦狀態(tài)進(jìn)一步改善。

　　(2)彈簧比壓對(duì)上游泵送機(jī)械密封端面溫升、上游泵送量影響不大。

　　(3)3種上游泵送機(jī)械密封的摩擦功耗遠(yuǎn)低于接觸式密封，摩擦磨損問題得到有效解決。

　　(4)3種上游泵送機(jī)械密封結(jié)構(gòu)中，雙列反向上游泵送機(jī)械密封的密封性能最佳。