用于给水泵上机械密封件的改进.pdf

第4 7卷第 2期 2 0 1 0年 4月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME N T&P I P I N G Vo 1 4 7 No 2 Ap r 2 01 0 用于给水泵上机械密封件 的改进 Ge r r i t He y n i nc k， Ge r a r d v a n Lo e n h o ut 摘要：比利时的 D o e l 3和 D o e l 4设施因安装 于锅炉给水泵上的机械 密封件所导致的泄漏问题增加 了大量的维修 成本与工作量。福斯 公司提 出了改进机械 密封件的方案， 并进行 了实施 ， 收到 了预期 的效 果。 关键词 ： 给 水泵 ； 机械 密封 ； 改进 中图分类号 ： T Q 0 5 0 3 文献标识码 ：B 文章编号 ： 1 0 0 9 - 3 2 8 1 ( 2 0 1 0 ) 0 2 - 0 0 3 0 - 0 3 I m p r o v e me nt o f S e a l i n g Pa r t s Us e d i n W a t e r Pu mp Ge r r i t He y ni n c k， Ge r a r d v a n Lo e n ho u t Abs t r a c t： The l e a k a g e o f me c h a ni c a l s e a l o n f e e d wa t e r p u mp o f Do e l 3 a n d Do e l 4 f a c i l i t i e s i n Be l g i u m ，b r o ug h t O n a l a r g e n u mbe r o f r e p a i r c o s t a n d w o r k l o a d F l o w s e r v e s u g g e s t e d a p r o p o s a l t o i mp r o v e t h e me c h a n i c a l s e a l a n d c a r r i e d i t o u t ，wh i c h s u c c e e d e d a s e x o p e c t e d Ke ywo r ds： F e e d Wa t e r Pu mp； Me c h a n i c a l Se a l ； I mp r o v e me nt 1 概况 2 解决方案 比利时 E l e c t r a b e l 的 D o e l 核 电厂 由建于 2 0世 纪 7 0年代和 8 0年代的两座 4 0 0 MW 和两座 1 0 0 0 M W 压水反应堆( P WR) 设施组成。最后建造的两 座反应堆 ， 即D o e l 3和 D o e l 4 ， 设计有 3台5 0 蒸汽 发生器给水泵 ， 在泵上配备的机械密封件作为主要 的轴密封解决方案。在正常运营 中， 通常有 2台涡 轮驱动的泵投入运行， 而第三台电驱动泵主要用 于 发电厂的起动和冗余。 与软填料密封 、 使用冷凝注射的固定节流套管 系统以及受控浮环密封系统等其他替代方案相 比， 使用于高速锅炉给水泵上 的机械密封件 自从 2 0世 纪 6 0年代后期引入以来 ， 已被证明是一种可靠且经 济的密封方式。许多按基本载荷运行的发电厂通过 机械密封件成功实现了 5 0 0 0 0 h以上的连续运行 时间。 但是， 最初安装 于 D o e 1 3和 D o e l 4给水泵上 的机械密封件仅达到 9 0 0 01 6 0 0 0 h的连续运行 时间， 往往因为过度泄漏而需要大修。由于安装 了 备用泵 ， 该维修并未导致发电量的下降或意外停机 ， 但计划 外 的频繁修 理增 加 了维修 成 本和 总体 工 作量。 2 0 0 4年 ， E l e c t r a b e l 的工程和维修部门向福斯公 司寻求解决方案。系统工程师们通常将泄漏作为判 断机械密封件功能是否正常的首要标准。在某些应 用场合中， 泄漏会导致极为严重的后果 ， 但情况也并 非总是如此。蒸汽发生器的给水一般不具危险性 ， 并且受控于泄漏处理系统 ， 因而可确保进入发电厂 的供水可由补给系统进行处理和重复利用。 在 E l e c t r a b e l D o e l 的案例 中， 在安装 了全新 的 密封件和翻修的零件之后， 原装密封件在运行的第 一 年中几乎没有可见的泄漏。但在停机及给水泵重 新起动之后 ， 密封泄漏开始增加 ， 直至管理密封循环 液的温度报警系统发出温控警报 ， 泵才停止运行以 待维修。 该设施大部分密封件发生故障的根本原因在于 其固定的密封部件缺乏轴向运动 ， 这是由于销子的 锤打使防旋转槽产生毛刺而导致的。由于两个金属 零件所用的材料及硬度相同， 所 以毛刺 随着泵 的运 转而逐渐增多。但用锉刀去除毛刺后 ， 再将密封件 收稿 15 t 期 ： 2 0 1 0 - 0 1 - 2 1 ； 修回 日期 ： 2 0 1 0 -0 2 1 0 作者简介 ： G e r r i t H e y n i n c k ，比利时E l e c t r a b l e公司 D o e l 核电站支持工 程师。G e r a r d v a n L o e n h o u t ， 福斯公 司技术服务工程师。 G e r r i t H e y n i n c k ， 等 用 于给水泵上机械密封件 的改进 3 1 安装 回泵内即可恢复其密封功能。 了解 了发电厂运行的所有参数和详情后 ， 福斯 公司提出了改进密封的建议 ， 包 括最低数量 的受控 泄漏。由于 D o e l 3和 D o e l 4的给水泵尺寸 较大且 运转速度为 4 0 0 0 4 8 2 0 r mi n ， 换算圆周速度为 5 5 m s ， 对于这种类型 的泵而言 ， 对机械密封 的要求是 非常高的。采用进入密封件略高泄漏速度的设计能 够确保密封 面在密封 接 口内部保持稳定 的液体 薄 膜 ， 从而降低摩擦 和发热。改善润滑有助于降低表 面磨损 ， 同时也可减少内部密封部件的微小振动。 福斯公司新建议的 D H T W 机械密封件， 其在理 想实验室测试条件 下的泄漏速度为 3 0 0 c m h 。再 将该值乘 以一个 3 5的系数 ， 用以计算稳定运行 中 泵的实际泄漏。通常增加泵泄漏的原因还与外部影 响因素相关 ， 包括振动、 瞬态和操作变化 ， 但在密封 件的设计阶段或在实验室测试时往往无法考虑到这 些因素。 福斯公司首先 为 E l e c t r a b e l 初步设计 出了新密 封解决方案的第一版草案。为 了使 E l e c t r a b e l 在这 些重要的泵上所使用的机械密封件有 良好的新旧互 换性 ， 因而并没有计划对泵的硬件进行修改 ， 从而确 保 了完全的互换性 。一旦初步设计完成后 ， 将采用 先进的计算机模型软件来预测密封面的机械性能和 热变形 以及预期密封泄漏值。运用多年来设计高端 机械密封件 的经验 ， 再结合多年来对各种应用场合 的实验室测试经验 ， 福斯公司开发 出了精确可靠的 有限元分析模型。此模型的精确性与实用性使工程 师们能够在相对较短的时间内设计出应用于苛刻工 况条件下的机械密封件。 3消除密封件变形 机械密封件的表面在某些因素的影响下会发生 各种形式的变形 。两大主要影响因素是液压 ( 结构 变形) 和温度( 热变形 ) 所导致 的变形 。液压压力通 常会导致凹面变形 ， 从而封锁了密封间隙 内的液体 薄膜并会改变密封件表面液体 的静态压力分布。此 状况将会导致密封间隙内的摩擦生热量增 加， 而温 度分布的变化又将导致与凹面变形相反的凸面热变 形。典型密封面变形参见图 1 。 旋转和固定密封面之间密封间隙形状 的变化将 会导致液体薄膜形状的变化。当密封面之间的密封 间隙形状发生变化时 ， 密封面之间的液体薄膜宽度 也会随之 发 生变 化并 会 因 此而 改 变密 封 的泄 漏 速度。 压 力 偏转一 凹面 力 p 机械 一 力 p 机械 _-。 压 力 偏 转 一 凸 面 图 1 典型密封面变形 福斯公司针对具体的运行条件微调密封件 ， 从 而确保在 S t r i b e c k曲线内混合润滑与流体动力润滑 方式之间的边界上实现稳定的密封运行。该 曲线说 明了密封面与密封液体之间的摩擦系数和密封面间 距之间的关系 ， 如图 2所示 。 坐标有三段密封面 润滑条件 ， 从左至右依次为边界润滑 、 混合润滑和流 体动力润滑。在混合润滑和流体动力润滑之 间的边 界 内 厂和 h各 自对应的曲线的 ， ， 坐标值相对来说都 较小 ， 即确保低摩擦 系数和低 密封泄漏。在 曲线的 此区域内运行能够确保低摩擦系数和低密封泄漏。 图 2普 通 St r i b e c k曲线 4严格测试带来 的改进 在生产新 的机械密封件之前 ， 新 的解决方案经 过 了广泛地测试 ， 采用来 自于发 电厂的真实给水泵 来模拟尽可能逼真的现场条件。制定了一项测试计 划 ， 以验证新密封解决方案在所有要求条件下的工 作状况。初期 =9 1 0 试标准为 ： ( 1 )一 段时 间运 行后 的平均泄漏 速度 为 3 0 0 c m h： ( 2 )无密封面碎裂或接触表面变形的迹象 ； 3 2 化工设备与管道 第 4 7卷第2期 ( 3 )石 墨 固定 密封 面 的最 大磨损 速 度为 2 5 驱动给水泵P P F W- O 0 6 4泵 内。 I z mh 。 密封件设计经过 1 0 0 0 h的测试评估 ， 以 3 0 0 r mi n 、 8 0 0 r m i n 、 2 0 0 0 r m i n和4 4 0 0 r m i n的速度及 4 MP a的密封压力为条件进行测试， 并引入热量来 模拟从热泵至密封件的水流。由于速度是密封面热 变形的主要成因， 有时需要在设计上采取折衷。 在 3 0 0 r m i n的低转速下对密封件进行的测试 表明石墨表面的磨损量增加 。在 与 E l e c t r a b e l D o e l 共同审查了测试结果后 ， 认为需要增加密封泄漏来 减缓低转速下的磨损。达成的一致结论是在实验室 条件下 ， 泄漏速度为 5 0 0 c m h 。 完成实验室测试后 ， 详细的测量数据显示 ， 采用 新的泄漏速度后 ， 表面部件 的磨损率极低。采用本 设计 ， 密封件将拥有预期八年的理论寿命 。 福斯公司还为用户制定了详细的密封件冷却系 统修改建议 ， 即 P l a n 2 3 。由于最初的密封件在相对 较高的密封循环温度下运行 ， 因此需要建立安装全 新的高效密封件冷却器 ， 并更换直径更大的互联 密 封管道来降低流阻。 5 结束语 首批两个 D H T W一 8 7 5 0机械密封件 ( 见图 3 ) 安 装于 2 0 0 5年 6月， 在 D o e l 3停机期间安装到了涡轮 图 3 DH T W- 8 7 5 0机械密封件设计 2 0 0 5年 6月 1 4日反应堆联机 ， 当重新投入运 行的涡轮驱动泵能够获得足够蒸汽的条件下 ， 可以 发现密封件循环温度较此前低得多 ， 显示机械密封 件的冷却充分。除 了将密封件循环温度降低 1 0 1 5 q C 之外 ， 密封人 口和出 口之间的温差也从 1 0 降至 3 5 o C。由于 E l e c t r a b e l D o e l 在密封管道上安 装 了临时的温度记录器， 可进行精确的测量和记录， 而该温度记录器此后也将成为永久性密封件监控系 统的一部分。 如今， 首批 2个 D H T W一 8 7 5 0密封仍在正常运行 ， 并且 自安装之 日起始终稳定如初。虽然该机械密封 件尚未达到 E l e c t r a b e l D o e l 所要求的六年运行 目标， 但已经实现了一致同意的2 5 0 0 0 h连续运行时间。 ( 上接 第 2 7页) 我公司自2 0 0 5年推出双向平衡型密封以来 ， 便 在石化等诸多领域获得广泛运用 ， 如大连石化的三 苯车间改造 ， 燕山石化 的 P I A装置改造和精间苯二 甲酸装置， 镇海炼化的丁二烯装置， 山西晋煤的甲醇 装置， 庆阳石化的聚丙烯装置， 哈尔滨炼油厂的中压 加氢装置 ， 内蒙古伊 泰的煤制 油项 目， 以及 海南炼 化 、 大连石化的常加压装置 、 气分装置等等。每年供 货量成倍增加。密封适应的介质广泛 ， 如液化气 、 污 水、 塔底油 、 凝缩油 、 吸收油 、 柴油、 富胺液、 贫胺液 、 甲醇 、 液氨、 氨水 、 裂解汽油 、 芳烃、 硫铵液 、 碳酸盐溶 液、 石脑油 、 丙烯 、 矿物油 、 乙二醇、 二甘醇、 三甘醇 、 醋酸、 丁二烯及各种复杂重组分。成功运用的厂家 还有青岛炼油 、 上海石化 、 乌石化 、 独山子石化、 广西 柳化 、 上海高桥石化 、 福建炼油 、 湖北安庆曙光、 中油 塔石化分公司、 金陵石化 、 兰州石化 、 中宁硅业等。 截至 2 0 0 8年底 ， 供货产品超过 6 5 0套 ， 无一例质量 投诉 ， 这是可靠性最高的一种密封。 综上所述 ， 双 向平衡型密封作双密封的内侧密 封使用 ， 可用于液态烃介质的密封 ， 可用于有毒重组 分介质 ， 保证被密封介质不泄漏到大气 ； 双向平衡型 密封单独使用 ， 可以在泵内介质出现抽空时正常工 作 。双向平衡型密封的应用 ， 对节能减排 、 保护生态 环境有着重要意义。结构紧凑 ， 适用范围广 ， 对于减 少库存 、 批量生产有着现实意义。封液压力可高可 低 ， 减少了辅助系统元件数量或降低了对辅助系统 元件的要求 ， 设备维护简单 ， 设备及维护成本低 ， 密 封运行周期长， 经济效益显著。可靠的密封性能 ， 对 于保证设备 、 人员及 环境 的安全 ， 有显著的社会效 益。双 向平衡型密封在石油 、 天然气、 化工等许多领 域 ， 有着巨大的推广价值。