高溫介質(zhì)機(jī)械密封性能測試系統(tǒng)研制*

沈宗沼 蔡粵華 李 香 楊博峰 姚黎明 李文建 丁思云

(合肥通用機(jī)械研究院有限公司 安徽合肥 230031)

近些年，隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各行業(yè)裝備都朝著高參數(shù)方向發(fā)展。為了提升生產(chǎn)效率，工藝介質(zhì)溫度更是不斷提高，致使輸送設(shè)備的工作條件也越來越復(fù)雜。機(jī)械密封作為一種用來解決輸送設(shè)備旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)體之間密封的裝置，屬關(guān)鍵基礎(chǔ)部件[1-2]，往往對設(shè)備的安全運(yùn)行起決定性作用，其密封性能和使用壽命必然會要求更嚴(yán)格[3]。高溫泵作為石油煉化生產(chǎn)工藝過程的關(guān)鍵設(shè)備，輸送油介質(zhì)最高溫度可達(dá)400 ℃，其機(jī)械密封普遍存在密封環(huán)高溫變形、彈性元件失彈或卡滯等問題[4-7]。機(jī)械密封一旦失效引發(fā)介質(zhì)泄漏，將發(fā)生火災(zāi)導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重時(shí)危及人員生命安全。因此，高溫泵用機(jī)械密封除在產(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行理論研究外，必須通過嚴(yán)格有效的試驗(yàn)來充分檢驗(yàn)其性能是否滿足要求。目前，為了保證高溫介質(zhì)機(jī)械密封運(yùn)行的可靠性，API682標(biāo)準(zhǔn)《離心泵和轉(zhuǎn)子泵用軸封系統(tǒng)》[8]和易派客機(jī)械密封產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)規(guī)范都對試驗(yàn)做出了相關(guān)規(guī)定，將隨著產(chǎn)品質(zhì)量要求提升在國內(nèi)廣泛被采用。因此，研制符合試驗(yàn)要求的高溫介質(zhì)機(jī)械密封性能測試系統(tǒng)提供檢驗(yàn)手段，以適應(yīng)整個(gè)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展勢在必行。

本文作者依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及用戶質(zhì)量評價(jià)規(guī)范對高溫介質(zhì)機(jī)械密封產(chǎn)品的測試要求，研究開發(fā)了高溫介質(zhì)機(jī)械密封產(chǎn)品性能測試系統(tǒng)。采用理論計(jì)算方法，結(jié)合試驗(yàn)研究手段，驗(yàn)證了性能測試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子-支承單元、軸承散熱單元、溫度控制單元等關(guān)鍵單元的設(shè)計(jì)，得出了試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律，獲得了介質(zhì)溫度等被控參數(shù)的變化規(guī)律和控制精度。

1 裝置設(shè)計(jì)

為滿足產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8-9]和質(zhì)量評價(jià)規(guī)范的試驗(yàn)要求，高溫介質(zhì)機(jī)械密封測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮運(yùn)行過程中減振降噪和結(jié)構(gòu)緊湊等要求，整個(gè)測試裝置結(jié)構(gòu)布局方案為電機(jī)直聯(lián)驅(qū)動，電機(jī)、扭矩傳感器與軸承座之間通過柔性聯(lián)軸器來傳遞動力。為了適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)型式的高溫介質(zhì)機(jī)械密封，便于安裝，密封試驗(yàn)部位采用主軸懸臂式、密封腔獨(dú)立雙支撐并可軸向調(diào)整定位距離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；為了增加運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，提高裝置使用壽命，在密封腔和軸承之間安裝隨主軸一起旋轉(zhuǎn)的散熱裝置，以抑制試驗(yàn)介質(zhì)高溫傳遞，降低軸承熱傳導(dǎo)量;同時(shí)結(jié)合噴油潤滑冷卻方式[10-11]，來保證軸承正常的工作溫度。測試裝置結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 高溫介質(zhì)機(jī)械密封測試裝置結(jié)構(gòu)

1.2 臨界轉(zhuǎn)速校核

由于測試裝置中試驗(yàn)密封懸臂安裝，且測試軸徑范圍寬，當(dāng)進(jìn)行較大軸徑密封高速試驗(yàn)時(shí)，裝置轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性較差，臨界轉(zhuǎn)速低，運(yùn)行過程中易產(chǎn)生共振[12-13]。因此，合理設(shè)計(jì)裝置轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)，并進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速校核是保證安全可靠運(yùn)行的必要前提。測試裝置主軸除滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)外，采用內(nèi)徑為70 mm的滾動軸承進(jìn)行支承來確保足夠的支承剛度，并依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要素，通過計(jì)算分析安裝極限軸徑(φ120 mm)試驗(yàn)密封時(shí)轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的模態(tài)，計(jì)算得出轉(zhuǎn)子的坎貝爾圖，如圖2所示。

圖2 測試裝置轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的坎貝爾圖

從圖2可以看出，一階臨界轉(zhuǎn)速為7 894.4 r/min，超出裝置最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，表明在極限試驗(yàn)條件下，裝置能保持穩(wěn)定運(yùn)行，測試裝置轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合試驗(yàn)運(yùn)行要求。

1.3 軸承溫度分布

軸承的工作狀態(tài)直接決定測試裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性，試驗(yàn)過程中介質(zhì)溫度非常高，若不采取有效措施，熱量會通過主軸傳導(dǎo)至軸承，影響其正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會因溫度過高而損壞，從而導(dǎo)致密封失效，產(chǎn)生高溫介質(zhì)泄漏，危及試驗(yàn)安全。因此，測試裝置在設(shè)計(jì)過程中分析軸承正常運(yùn)行的溫度分布，預(yù)測軸承工作溫度，對驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性和準(zhǔn)確性極其重要。

測試裝置配備自散熱裝置，結(jié)合噴油潤滑方式對軸承進(jìn)行散熱和潤滑，依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，建立主軸和軸承的傳熱計(jì)算模型[14-16]；通過理論計(jì)算分析，得出測試裝置正常運(yùn)行情況下的高溫側(cè)主軸和軸承整體溫度分布如圖3所示，軸承部位溫度分布如圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，軸承部位整體溫度較低，最高運(yùn)行溫度為42.9 ℃，表明測試裝置在進(jìn)行溫度為400 ℃的高溫油介質(zhì)試驗(yàn)時(shí)，通過自散熱裝置和軸承強(qiáng)制潤滑和冷卻，能有效地阻止熱量傳導(dǎo)，控制軸承的運(yùn)行溫度。

圖3 高溫側(cè)主軸和軸承整體溫度分布

圖4 高溫側(cè)軸承溫度分布

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測試裝置需配備合適的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)介質(zhì)的加溫、冷卻和循環(huán)，以達(dá)到相關(guān)試驗(yàn)要求，其系統(tǒng)流程如圖5所示。系統(tǒng)采用電加熱器在介質(zhì)內(nèi)浸沒加熱，并配有冷卻裝置對介質(zhì)快速降溫，以實(shí)現(xiàn)介質(zhì)溫度的快速變化；試驗(yàn)介質(zhì)通過高溫泵強(qiáng)制循環(huán)，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行溫度均勻，并通過調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)流量和平衡壓差；試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的油氣通過氣液分離罐分離至高位補(bǔ)油罐排出，保證了試驗(yàn)壓力的穩(wěn)定和運(yùn)行安全。

圖5 介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)方案流程

2.2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足高溫介質(zhì)機(jī)械密封相關(guān)試驗(yàn)要求，保證密封運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定和測試安全，必須對溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。采用傳感器來測量和遠(yuǎn)程顯示各試驗(yàn)參數(shù)，并通過信號反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整各執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)參數(shù)的控制。對于高溫試驗(yàn)過程，溫度精確控制是整個(gè)控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。系統(tǒng)采用密封腔溫度信號作為控制信號進(jìn)行反饋，通過動態(tài)調(diào)節(jié)加熱裝置的功率大小來控制密封腔溫度保持在允許范圍內(nèi)，其控制調(diào)節(jié)方案圖如圖6所示。

圖6 溫度控制調(diào)節(jié)原理

2.3 保溫設(shè)計(jì)

高溫試驗(yàn)過程中，為阻止熱量損耗，同時(shí)避免高溫壁面燙傷試驗(yàn)人員，采用耐火、耐高溫硅酸鈣保溫材料包裹管路進(jìn)行保溫處理，以隔絕熱量。通過分析計(jì)算，進(jìn)行介質(zhì)400 ℃高溫試驗(yàn)時(shí)，保溫層厚度對應(yīng)外壁溫度變化規(guī)律如圖7所示。

從圖7中可以看出，管路外壁溫度隨著保溫層厚度的增加而降低，且分3個(gè)階段：保溫層厚度15 mm以內(nèi)為快速下降階段，15～30 mm為緩慢下降階段，30 mm以后為趨于平穩(wěn)階段。保溫層厚度為30 mm時(shí)，管路外壁溫度為34.2 ℃，再增加保溫層厚度對外壁溫度的影響較小，故選取保溫層厚度為30 mm。

圖7 外壁溫度隨保溫層厚度變化規(guī)律

3 運(yùn)行測試

背對背安裝2套DBM-50型金屬波紋管機(jī)械密封產(chǎn)品對性能測試裝置進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。試驗(yàn)介質(zhì)選用320導(dǎo)熱油，調(diào)試設(shè)定加熱溫度為260 ℃，裝置運(yùn)行轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，試驗(yàn)壓力為1.6 MPa，穩(wěn)定運(yùn)行5 h。試驗(yàn)得到的加熱功率隨時(shí)間變化、介質(zhì)溫度隨時(shí)間變化和介質(zhì)側(cè)軸承溫度隨時(shí)間變化曲線分別如圖8—10所示。

圖8 試驗(yàn)系統(tǒng)加熱功率隨時(shí)間變化規(guī)律

從圖8和圖9可以看出，試驗(yàn)裝置運(yùn)行初期，加熱功率快速到滿負(fù)荷功率，介質(zhì)溫度隨之上升;溫度上升到約130 ℃，加熱功率慢慢減小;當(dāng)溫度上升到約260 ℃時(shí)，加熱功率始終保持在小功率范圍內(nèi),以調(diào)節(jié)介質(zhì)溫度維持在設(shè)定溫度偏差范圍內(nèi);溫度最大偏差為1.2 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求精度。從圖10可以看出，介質(zhì)側(cè)軸承溫度隨運(yùn)行時(shí)間而緩慢上升，150 min后基本穩(wěn)定，溫升為29.1 ℃，最高運(yùn)行溫度為45.9 ℃，滿足軸承運(yùn)行要求。

圖9 試驗(yàn)系統(tǒng)介質(zhì)溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖10 試驗(yàn)系統(tǒng)介質(zhì)側(cè)軸承溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

4 結(jié)論

研制出高溫介質(zhì)機(jī)械密封性能測試系統(tǒng)，通過理論計(jì)算和運(yùn)行測試相結(jié)合的手段，對性能測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。結(jié)果表明：

(1)該裝置安裝極限軸徑為120 mm的機(jī)械密封條件下，測試裝置轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速大于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速,設(shè)計(jì)合理，滿足測試范圍要求。

(2)測試裝置通過高溫側(cè)自散熱和軸承噴油潤滑相結(jié)合的方式，能有效地阻止高溫側(cè)軸承溫度升高，保證軸承的正常穩(wěn)定運(yùn)行；測試裝置高溫側(cè)軸承實(shí)際測試運(yùn)行溫升為29.1 ℃，與理論計(jì)算預(yù)測溫升相差不大。

(3)測試裝置調(diào)試運(yùn)行過程穩(wěn)定，安全可靠；系統(tǒng)介質(zhì)運(yùn)行溫度均勻，溫度控制精確，最大偏差為1.2 ℃，滿足溫度設(shè)計(jì)精度要求，充分保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和分析的準(zhǔn)確性。

(4)高溫介質(zhì)機(jī)械密封性能測試系統(tǒng)不僅能完全滿足API682等標(biāo)準(zhǔn)和易派客產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)規(guī)范關(guān)于高溫介質(zhì)機(jī)械密封產(chǎn)品的性能試驗(yàn)要求，而且能為高溫介質(zhì)機(jī)械密封可靠性相關(guān)研究提供測試手段支持，應(yīng)用前景廣闊。