離心泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)

孫永杰 溫炳清 劉 鳳

大慶石化公司水氣廠 黑龍江大慶市

石化公司腈綸廠的生產(chǎn)污水、丙烯腈裝置產(chǎn)生的污水處理程序是，首先經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)池均勻水質(zhì)，然后進(jìn)入射流氣浮裝置，通過(guò)氣浮過(guò)程，去除含氰污水中不可生化的懸浮物，穩(wěn)定生化系統(tǒng)，提高可生化性，最后通過(guò)生化過(guò)程，對(duì)污水中的有機(jī)物進(jìn)行降解，使出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

一、問(wèn)題

污水經(jīng)分配間進(jìn)入調(diào)節(jié)池后，由原水泵提升至高效氣浮裝置中，氣浮池水位達(dá)到一定液位后，通過(guò)出水槽和出水管溢流到回水池，經(jīng)加壓離心泵P07ABCD注入溶氣罐加壓后注入氣浮池，其間形成的微小氣泡將污水中懸浮物及膠體等附著后浮升至水面，由刮渣機(jī)刮到浮渣池。在這一過(guò)程中，加壓離心泵P07ABCD始終在存有很多懸浮物的介質(zhì)中運(yùn)轉(zhuǎn)。該泵組選用FI100-37型離心泵，其密封腔體呈圓筒狀，密封靜環(huán)安裝在密封腔體底部，密封圈作為輔助密封。受密封腔體內(nèi)徑空間限制，更換密封靜環(huán)時(shí)不易安裝到位。再有，密封腔體軸向距離為98mm，腔內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)困難，造成密封腔內(nèi)懸浮物堆積，影響了密封使用壽命。

二、機(jī)械密封改進(jìn)設(shè)計(jì)原則

1.密封選型的主要參數(shù)

（1）密封腔內(nèi)介質(zhì)壓力P。介質(zhì)潤(rùn)滑性好、黏度較高時(shí)，P≤0.8MPa選用非平衡型。介質(zhì)潤(rùn)滑性差、黏度低時(shí)，P≥0.5MPa選用平衡型。

（2）線速度V。V≤25m/s時(shí)選用旋轉(zhuǎn)型；V≥25m/s時(shí)選用靜止型。

（3）PV值。PV值涉及到密封面之間流體膜的穩(wěn)定性（汽化）和摩擦副的耐磨性。

（4）介質(zhì)中含懸浮固體顆粒，動(dòng)靜環(huán)材料宜采用碳化鎢或碳化硅，當(dāng)顆粒易于阻塞密封腔時(shí)，必須采用輔助裝置經(jīng)過(guò)濾或分離后的沖冼液沖洗端面。

2.工作條件

介質(zhì)是P07ABCD輸送的裝置中的原入水，COD均值為785mg/L，懸浮物均值 109mg/L，油均值 2.67mg/L，pH 值 6～9，含雜質(zhì)多，腐蝕性強(qiáng)。介質(zhì)溫度為常溫，出口壓力0.45MPa。

3.密封形式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核算

根據(jù)P07ABCD運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境以及密封選型參數(shù)，密封形式選擇B型金屬波紋管機(jī)械密封。密封形式改變，密封軸套及密封腔體結(jié)構(gòu)也要隨之改變。測(cè)繪出泵體及密封腔、軸的相對(duì)位置尺寸，機(jī)械密封及密封軸套的金屬材料選擇316L，密封環(huán)選擇碳化鎢或碳化鎢。參照《JB/T 6373-1992焊接金屬波紋管機(jī)械密封技術(shù)條件》，根據(jù)介質(zhì)壓力選擇合適的載荷系數(shù)和比壓。

（1）載荷系數(shù)K的計(jì)算

式中d1——密封面內(nèi)徑

d2——密封面外徑

D1——波紋管內(nèi)徑

D2——波紋管外徑

De——波紋管有效作用直徑

例：d1=57.6，d2=65，D1=57.6，D2=65，De=61.17，由公式（1）計(jì)算K=0.532。

載荷系數(shù)K實(shí)際反映密封介質(zhì)壓力載荷施加于密封端面上的載荷份額。當(dāng)K≥1時(shí)，表明密封介質(zhì)的全部壓力載荷都施加于密封端面上，絲毫未被平衡，這類機(jī)械密封稱為非平衡型密封，在工業(yè)中廣泛采用，此時(shí)K值一般為1.1～1.8。當(dāng)0＜K＜1時(shí)，表明密封介質(zhì)的壓力載荷影響變小，相當(dāng)于被部分平衡，這種類型稱為部分平衡型密封，K值一般為0.3～0.7，此機(jī)械密封載荷系數(shù)K=0.65，說(shuō)明設(shè)計(jì)合理。

（2）彈簧比壓Pt的計(jì)算

式中F——波紋管總彈力

A——密封面面積

式中F1——波紋管單波片每毫米彈力

S——彈簧壓縮量

式中E1——彈性模量修正系數(shù)

E——設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量

n——波紋管波數(shù)

T——波紋管波片厚度

W——波紋管波片寬度

此例 E=210 000MPa，E1=3/4E，F(xiàn)1=17.22N，n=11，t=0.15，W=8.5，該機(jī)封所用波紋管為雙波，按壓縮量S=5mm計(jì)算，則波紋管總彈力F=2F1S=172.2N，彈簧比壓Pt=0.242MPa，密封面面積A=712mm2。

（3）端面比壓Pb的計(jì)算

機(jī)械密封的端面比壓是影響就密封性能和使用壽命的最主要因素之一。

式中Pt——彈簧比壓，

P1——密封腔壓力，

K——載荷系數(shù)

λ——反壓系數(shù)，此例 Pt=0.242MPa，P1=0.45MPa，λ=0.5 則端面比壓 Pb=0.31MPa。端面比壓值Pb=0.31MPa，小于經(jīng)驗(yàn)值0.4MPa，說(shuō)明在這個(gè)工況下，波紋管壓縮量設(shè)定為5mm時(shí)能滿足使用要求，

圖1 改造后的機(jī)械密封裝配圖

三、密封形式結(jié)構(gòu)改進(jìn)及效果

（1）在原密封腔體與泵體的安裝配合尺寸不變的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)動(dòng)靜環(huán)限位緊固方式。動(dòng)靜環(huán)分別用內(nèi)六角螺絲固定在密封軸套和壓蓋（密封腔體）的法蘭盤上，動(dòng)靜環(huán)與法蘭用柔性石墨墊密封。解決了因動(dòng)環(huán)在污水及懸浮物中的彈性補(bǔ)償而影響密封效果的問(wèn)題。另外，密封壓縮量已預(yù)設(shè)，動(dòng)靜環(huán)位置固定，避免了靜環(huán)安裝不平及與密封軸套垂直度不好的問(wèn)題（圖1）。

（2）在與密封摩擦副位置對(duì)應(yīng)的密封腔體上加開(kāi)自沖洗孔ZG1/2英寸，節(jié)流孔Φ8～10mm。通過(guò)自沖洗解決懸浮物堆積，改善密封運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境。

（3）密封沖洗系統(tǒng)采用帶懸液分離器的自沖洗裝置（圖2）。改造后的P07ABCD離心泵，機(jī)械密封使用周期從平均87天延長(zhǎng)至2年，大幅度降低了維修和材料費(fèi)用，可保證生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行。

圖2 改造后泵體示意圖