机械密封是流体机械和动力机械中不可或缺的零部件，对机械设备、乃至整个生产线的影响都很大，对保证设备运转可靠、装置连续生产具有重大意义。机械密封稳定运行是其工作参数与运行环境来决定的，为确保机械密封安全、可靠、长期地运行，机械密封结构及辅助系统的选择不容失误。

机械密封的设计，是根据机械设备的密封介质及使用工况来确定的，而辅助系统也是机械密封必不可少的重要组成部分。对于特殊工况，为机械密封选择合适的辅助系统是保障机械密封长周期运行的前提。

本文将以某热水泵机械密封泄漏的改造实例，从设备使用工况、介质性质、机械密封结构、辅助系统等方面进行分析，找出运行中密封失效的原因，并给出改进方案。为化工行业热水泵的密封技术提供参考及支持。

设备工况条件

热水泵

该热水泵是生产工艺流程的关键设备，是为聚氯乙烯生产工艺中提供所需要的热水。

设备工况

设备工况如表1所示。

机械密封及辅助系统

该热水泵原机械密封采用双端面、平衡型、静止式、集装式机械密封结构机械密封结构如图1所示。

现场拆解机械密封后发现：介质端密封环热裂，部分密封圈变形失效。

国内外热水泵机械密封的首选冲洗方案为Plan23，此冲洗方案可有效改善机械密封的运行环境，使机械密封运行工况由热水变为低温水，为长周期稳定运行提供了保障。但设备现场不具备相应的条件，同一工位设备均采用Plan54冲洗方案，应用户要求沿用该方案。

改造后机械密封采用单端面、平衡型、旋转式、集装式机械密封结构，机械密封结构如图2所示。

泄漏原因分析

机械密封运行会产生大量的热量，辅助系统没办法将这些热量有效带走，会直接影响机械密封的使用寿命。此工况下的热水，当动静环之间不能有效形成液膜时，摩擦热会加剧，使得密封环产生热裂，从而导致机械密封的失效。密封圈变形则是由于长时间处于高温之中造成的。

密封环热裂的原因是密封端面局部热量过高，此热量一部分来自介质，另一部分来源于密封环端面之间的摩擦。原机械密封大气端设计采用外装式结构，辅助系统为Plan54方案，结构上使得冲洗水压力在一定程度上受限，冲洗水压力不能太高，否则大气端容易泄漏，所以使得冲洗水压力较低，造成冲洗不到位，无法有效进行换热。

密封材料选择

机械密封技术的水平与材料选择有着密切的联系。热水工况较为特殊，水在一定温度及压力下会发生闪蒸，润滑性变差。动静环应选用自润滑性较好的材料进行配对，动环材质选择碳石墨，静环材质为碳化硅。辅助密封圈应选择耐高温水解的三元乙丙橡胶，其余零部件材料与原机械密封选材一致。

热交换热计算

热交换的过程主要依靠辅助系统来实现的，换热效率直接影响机械密封的稳定运行。为保证换热效率，需要计算机械密封产生热量、热传导热量和冲洗液流量。

密封产生的热量

密封消耗功率的计算公式：

P=(Trn)/9550

其中

Tr=PiotAƒ(Dm/2000)

式中P—密封消耗功率,kW；n—转速，r/min;Tr—密封转矩,N・m；Piot—端面总比压,MPa；A—端面面积,mm2；ƒ—摩擦系数；Dm—端面平均直径，mm；

根据机械密封及泵的相关参数，通过计算可知密封消耗功率约为2.8kW。

传导热

机械密封的密封腔与冷却腔中的液体存在温差，密封腔的温度传导至冷却腔，由冷却腔中的液体带走热量。假设在传导过程中温度不变，则可用下式计算：

Qhs=UADbΔThs

式中Qhs—热传导热量,W；U—材料特性系数；A—传热面积,mm2；Db—密封平衡直径,mm；ΔThs—密封腔与冷却腔的温差,℃；

根据机械密封零部件的材质，取热导率U×A=0.00025进行计算，最终得出该机械密封的传导热约为5kW。

冲洗流

在算出密封产生的热量后，可由下式计算辅助系统冲洗液流量：

qinj=n'×60000(P+Qhs)/(dΔTinjCp)

式中qinj—冲洗液流量,L/min；n'—冲洗流量安全系数；d—轴径规格,mm;ΔTinj—冲洗液温升,K；Cp—冲洗液比热容,J/kg·K;

为保持机械密封良好的运行环境，在进行冲洗量计算时，冲洗流量安全系数按2倍来进行计算。由上述计算可知机械密封的换热总功率约为7.8kW，冲洗液流量为6.6L/min。

结论

通过对热水泵机械密封的泄漏分析、结构改进、换热计算等研究，为热水工况下密封设计提供了思路，给出了密封功耗及热交换的计算方法，为化工行业热水泵的密封技术提供参考及支持。

在此特别提出，本次改型机械密封通过对其结构及材料的优化设计，基本满足当前工况的使用，相比于Plan23冲洗方案来讲，其经济性、适用性更好。

本文来源于综合信息。

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