机械密封高温试验台设计和应用

戴 伟，张普天，任福森

（丹东合盛密封有限公司，辽宁丹东 118000）

目前，石油炼化行业高温热油泵上广泛采用波纹管机械密封［1］。波纹管机械密封在高温状态下运行，存在着失弹、断裂等问题，会形成早期失效，引起介质大量泄漏，严重影响生产［2-8］。因此，通过模拟波纹管机械密封现场工况，进行运转认证试验，来验证其可靠性势在必行。

API 682—2014 《离心泵和转子泵用轴封系统》［9］中对密封产品的认证试验过程进行了详细规定，将密封产品认证试验分为动态阶段、静态阶段和循环阶段，这3 个试验阶段应连续进行，其间不能拆解密封。动态阶段应在基点条件（0.8 MPa、260 ℃）和3 600 r/min 下至少连续运行100 h，静态阶段应在基点条件（0.8 MPa、260 ℃）和0 r/min（停转）下至少保持4 h，循环阶段应在变温和变压条件下进行。API 682—2014 已经被我国引用，并转化为GB/T 14211—2019《机械密封试验方法》［10］。目前，国外的密封生产厂家普遍采用高温试验台对高温机械密封进行认证试验，采用蒸汽加热和电加热2 种形式，配置各类仪表采集信息。而国内的密封生产厂家多配备常温试验台，不能有针对性地进行高温试验。为完成机械密封产品认证试验的3 个阶段，验证机械密封的可靠性，笔者研发了机械密封高温试验台，主要针对介质温度、介质压力、机械密封转速这3 个指标进行设计，试验台参数能在介质（通常用导热油）温度0～400 ℃、压力0～5 MPa，机械密封转速0～6 000 r/min［3］内进行调节。这些参数范围涵盖了所有泵用高温机械密封的现场使用工况条件，并能满足试验要求。

1 机械密封高温试验台结构设计［3］

所设计的机械密封高温试验台结构分别见图1～图3。

图1 机械密封高温试验台结构主视图

图2 机械密封高温试验台结构后视图

图3 机械密封高温试验台结构左视图

机械密封高温试验台由加热系统、驱动系统、保压系统、冷却系统和循环系统组成。加热系统包括加热瓦和安装在控制柜上的温控器，加热瓦包裹在热油罐上，可对热油罐内的导热油加热，热电偶可精确测量导热油的温度［10］。驱动系统包括变频电机、轴承箱、膜片联轴器，主要为试验机械密封提供设定的转速，转速可以通过变频器在0～6 000 r/min 调节。保压系统包括蓄能器、手动补液泵、管线2 和管线3（图3），主要作用是为试验机械密封提供稳定的压力［10］。冷却系统主要包括热交换器及管线（图1），可以对导热油快速降温。循环系统是由腔体、热油罐、管线1（图3）及阀门共同组成的一个封闭循环系统。测量系统包括压力变送器、热电偶、冷凝器及安装在冷凝器下方的烧杯。

压力变送器可精确显示试验压力，选择量程时应考虑尽量使正常工作点处于仪表全量程的中间［9］。机械密封高温试验台的所有系统和部件集成在箱体中，箱体由槽钢做骨架，外表焊有面板，用地脚螺栓紧固，具有足够的刚性和稳定性［10］。变频器和温控器集成在控制柜中，起到调节试验参数的作用。支架1、支架2（图3）用于固定热油罐和蓄能器。

2 机械密封高温试验台工作原理

所设计的机械密封高温试验台工作原理示意图见图4。

图4 机械密封高温试验台工作原理示图

试验时，将机械密封装入腔体中，沿轴向共装2 套，靠近电机端是副密封，其作用是阻止热油向电机方向泄漏，另一侧是主密封，即试验机械密封。将机械密封紧固后打开排气孔，从注油漏斗开始注入导热油，导热油会逐渐注满热油罐、腔体、热交换器及连接管线所组成的封闭系统。排气孔冒油后关闭阀门，这时整个系统充满了导热油。通过充气工具将蓄能器气囊的压力调整到试验压力的85%后（压力低时接氮气瓶充气，压力高时放气），用手动补液泵继续注油，导热油开始挤压蓄能器气囊，产生压力，达到试验压力时停止注油。此时，气囊内氮气的压力和气囊外导热油的压力是一致的。蓄能器气囊能有效稳定试验压力，这是因为导热油加热后体积膨胀，气囊内的氮气可有效吸收体积膨胀量，不论试验温度如何变化，都能稳定试验压力。实践表明，公称体积越大，蓄能器稳压效果越好。本试验台设计采用35 L 的蓄能器，稳压精度能达到±0.05 MPa。将温控器调至试验温度，启动加热瓦开始加热，同时启动变频电机，电机的转速可由变频器调节，加热后的导热油由装在副密封上的泵送环导入腔体内，泵送环类似泵的叶轮，推动导热油循环。当腔体内的温度达到试验温度后，热电偶将信号传至温控器，加热瓦停止加热。当导热油温度比试验温度低2.5 ℃时，加热瓦再次启动，这样反复循环，试验温度精度始终保持在±2.5 ℃。蓄能器起到调节并稳定试验压力的作用，试验压力由高精度的压力变送器显示，精度可达±2%。

试验台上安装有热交换器，通过阀门切换后高温导热油进入热交换器的盘管内，盘管外通入冷却水，对导热油进行降温，此时导热油在腔体、热交换器之间循环，加热瓦不工作。试验表明，260 ℃的导热油经热交换器冷却后，能在30 min内降至常温，可模拟温度剧烈变化对波纹管机械密封的影响及变温情况。运转时的压力变化可通过在蓄能器充放氮气实现。在试验过程中，机械密封端面有微量的泄漏，长时间运行后会造成系统内的油量减少，压力下降，需设置手动补液泵，及时对系统进行补液，稳定压力。泄漏的导热油在高温下是气态，为了测量机械密封的泄漏量，在腔体的下部设置冷凝器，泄漏的高温导热油经冷凝器冷却后进入烧杯进行测量。

在运转过程中，为了防止热量散失，同时防止烫伤试验人员，试验台的高温部位需用岩棉进行保温处理。

3 变频电机功率确定

机械密封总的摩擦消耗功率包括摩擦副的摩擦消耗功率Nf和搅拌消耗功率Na。假定使用极限参数进行试验，选用的耐高温波纹管机械密封规格为120 mm（静环内孔直径），试验介质为油，试验压力6 MPa，机械密封转速5 000 r/min。

摩擦消耗功率计算公式为［11］：

其中

式（1）～式（4）中：Nf为摩擦消耗功率数值，单位kW；f 为摩擦副摩擦因数，试验机械密封副为石墨对SiC，其f=0.12［12］；pg为端面比压数值，ps为弹簧比压数值，p入为试验压力数值，单位MPa；v 为端面平均线速度数值，单位m/s；A 为端面接触面积数值，单位m2；K 为载荷系数，λ 为反压系数；D1为摩擦副窄端面内径数值，D2为摩擦副窄端面外径数值，D中为摩擦副窄端面中径数值，单位mm；n为转速数值，单位r/min。

取ps=0.2 MPa、p入=6 MPa、K=0.7、λ=0.33［11］，代入式（2）计算得pg=2.42 MPa。假定D1=130 mm、外径D2=142 mm，则D中=136 mm，将各数值带入式（3）～式（4）计算得v=35.6 m/s、A=0.002 6 m2。根据式（1），有Nf=26.7 kW。

在实际试验中，考虑到搅拌消耗功率Na，变频电机功率取30 kW 较为适宜。

4 机械密封高温试验台应用

设计的高温试验台自使用以来，主要对耐高温的金属波纹管机械密封进行了运转试验，机械密封规格分别是60、80、100 mm（静环内孔直径）。试验过程严格按照API 682—2014 的要求进行，多次试验结果表明，试验台运行平稳，介质温度控制和压力控制达到了预期要求，采用该试验台能够精确测量机械密封的泄漏量。机械密封高温试验台现场试验照片见图5。

图5 机械密封高温试验台现场试验照片

5 结束语

设计的机械密封高温试验台能对试验介质的温度、压力，试验机械密封的转速进行有效调节，并能达到很高精度。据实际测量，机械密封转速精度达到±2 r/min，试验介质温度精度在±2.5 ℃，试验介质压力精度在试验压力的±2%，满足了API 682—2014 和GB/T 14211—2019 对机械密封的认证试验要求，并能满足用户指定的试验要求。该高温试验台结构简单实用，充分考虑了密封生产厂家的现场条件，填补了国内机械密封高温试验的空白。