大型立式軸流泵水導(dǎo)機械密封技術(shù)改造與運行評價

顏 蔚，滕 軍，李 揚

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200)

南水北調(diào)東線一期工程輸水主線路全長1 467 km。設(shè)有13個梯級泵站，共22處樞紐和34座泵站，裝機160臺，總揚程65 m，總裝機容量3 662 萬kW，總裝機流量為4 447.6 m3/s。東線泵站群工程全部采用大型軸流泵、混流泵或灌溉泵，是目前世界上最大的泵站群。同時，我國大量興建于20世紀(jì)60-80年代的大中型泵站正在進(jìn)入更新改造時期。水導(dǎo)軸承是大型水泵的關(guān)鍵部位，其故障占泵站機組故障的50%以上[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，江都水利樞紐三站、四站因水導(dǎo)機械密封故障導(dǎo)致油潤滑軸承進(jìn)水故障，單個泵站平均每年發(fā)生4.8次以上，在10 a內(nèi)最多的一臺泵發(fā)生過18次[4]。因此大型泵站立式全調(diào)節(jié)軸流泵水導(dǎo)機械密封的性能直接影響水泵機組的檢修費用和泵站功能的發(fā)揮。

目前針對機械密封的研究，在核電行業(yè)、化工行業(yè)研究較為深入，對核電站、化工行業(yè)所用機械密封類型進(jìn)行了分析研究，并提出流體靜壓型機械密封的半解析式流固耦合分析模型、核主泵機械密封的流固強耦合模型等[5-8]。水利行業(yè)針對機械密封建立了多種模型，進(jìn)行如螺旋槽造型端面液體機械密封內(nèi)流場的數(shù)值分析，以及各種泵型的機械密封研究設(shè)計等[9-11]。水泵機械密封現(xiàn)場實際應(yīng)用分析研究較少，本文針對水導(dǎo)機械密封實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行多次改進(jìn)，并進(jìn)行總結(jié)分析，具有一定參考價值。

江都四站針對原水導(dǎo)機械密封的缺點，對摩擦副中的靜環(huán)座進(jìn)行了改造，解決了彈簧難以壓入的問題。但在實際使用中發(fā)現(xiàn)仍存在彈簧脫落、銹蝕的現(xiàn)象。通過對機械密封靜環(huán)座的進(jìn)一步改造，機械密封運行穩(wěn)定性明顯提高，充分發(fā)揮了機械密封改造的效益。同時針對應(yīng)急機械密封應(yīng)急搶修時，機械密封動靜環(huán)整體拆卸困難的問題進(jìn)行研究、分析，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步將靜環(huán)座彈簧座改為分體哈夫式，并進(jìn)行評價和總結(jié)，為其他泵站水導(dǎo)機械密封的改造方案提供選擇，節(jié)約改造費用，提高改造效益，具有重要意義。

1 江都四站水導(dǎo)機械密封現(xiàn)狀

江都四站原有立式全調(diào)節(jié)軸流泵水導(dǎo)機械密封靜環(huán)座上平均分布有8組彈簧，是江都四站立式全調(diào)節(jié)軸流泵水導(dǎo)動態(tài)平面密封裝置，布置在靜環(huán)座和固定座之間，僅用于江都四站7臺主機組水導(dǎo)動態(tài)密封，見圖1。

1.1 立式軸流泵水導(dǎo)采用機械密封的優(yōu)點

江都四站經(jīng)長期的使用以及現(xiàn)場實測(見表1)證實機械密封具有以下優(yōu)點：①密封可靠，在長期運轉(zhuǎn)中密封狀態(tài)很穩(wěn)定，泄露量很小；②使用壽命長；③摩擦功率消耗?。虎茌S或軸套基本上不摩損；⑤維修周期長，端面磨損后可自動補償，一般情況下不需要經(jīng)常性維修；⑥抗震性好，對旋轉(zhuǎn)軸的振動以及軸對密封腔的偏斜不敏感。

圖1 原水導(dǎo)機械密封靜環(huán)座結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure diagram of the static ring seat of the original water guide mechanical seal

表1 江蘇省江都第四抽水站水泵油潤滑軸承機械密封漏水量實測結(jié)果Tab.1 Measurement results of leakage of mechanical seal of pump oil lubricated bearing in Jiangsu Jiangdu fourth pumping station

注：非運行期和運行期前池水位高于密封排水橫管分別為5.03、5.78 m。

1.2 原有靜環(huán)座使用中存在的問題

自2009江都四站改造之后，立式全調(diào)節(jié)軸流泵水導(dǎo)機械密封靜環(huán)座總體的使用情況良好，保證了汛期運行任務(wù)，汛前水下檢查，機組歲修等各項工作的按時按期完成。但在使用中時常會出現(xiàn)一些狀況，影響其使用的可靠性，簡述如下：①使用過程中，水導(dǎo)檢查發(fā)現(xiàn)彈簧有松動的現(xiàn)象；②檢修時彈簧靠人力難以更換；③彈簧銹蝕嚴(yán)重。

當(dāng)靜環(huán)座彈簧發(fā)生脫落，導(dǎo)致機械密封失效，一旦漏水量超過允許值時漏水將進(jìn)入油潤滑軸承，導(dǎo)致油發(fā)生乳化變質(zhì)，破壞導(dǎo)軸承潤滑條件，加大水泵軸和導(dǎo)軸承磨損量，軸承以及軸頸發(fā)生拉毛、剝落，機組軸線擺度變大，振動不斷加大，甚至造成葉片與葉輪外殼摩擦、碰撞[12]。如果端面密封的磨損量超過極限，導(dǎo)致靜環(huán)座、螺栓與動環(huán)碰擦，漏水量將劇烈增加，則必須更換動靜環(huán)來解決問題。通過將動靜環(huán)更換為更加耐磨材質(zhì)來減少機械密封摩擦副磨損量，從而延長機械密封使用壽命(見表2)。

表2 算例泵站不同端面密封磨損情況[13]Tab.2 Wear condition of different end face seal of Suanli pumping station

針對該故障的應(yīng)急搶修需要放檢修閘門、堵漏、開進(jìn)人孔，將動靜環(huán)整個機構(gòu)拆解下來才能重新裝上彈簧，需要6人花費3 d時間才能夠完成維修。3 d時間單臺機能夠抽水129.6 萬m3，一旦汛期出現(xiàn)該問題，將嚴(yán)重危害防汛安全。

2 第1階段改進(jìn)情況

2.1 技術(shù)方案

2012年汛后，針對彈簧松動銹蝕后檢修時靠人力難以更換的問題，采用增加彈簧座軸孔接觸面的方法，將彈簧座的軸孔切成一個角度，以便于彈簧的壓入。

2.2 實施效果

改造后實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，檢修時原58 mm鍍鋅鋼材質(zhì)彈簧能夠較為輕松的壓入。然而，運行后發(fā)現(xiàn)新的問題：①長時間運行后，動靜環(huán)平面密封磨損后，彈簧壓力不足；②機組頂車后出現(xiàn)靜環(huán)座不能依靠自身重力和彈簧壓力下落的情況；③鍍鋅鋼彈簧銹蝕嚴(yán)重；④彈簧易滑落(次年檢修時發(fā)現(xiàn)8組彈簧中有3組脫落，2組銹蝕)。

當(dāng)機械密封的動靜環(huán)與固定座之間的密封橡膠繩裝配過緊，或當(dāng)機械密封的摩擦副磨損到一定程度時，使得彈簧壓力不足，導(dǎo)致機組的靜環(huán)座在轉(zhuǎn)子頂車后不能依靠自身的重力和彈簧壓力下降，或動靜環(huán)的磨損表面不均勻，靜環(huán)座在下落后不能很好地嚙合，都將導(dǎo)致水導(dǎo)機械密封滲漏急劇增加。解決途徑除重新進(jìn)行裝配，更換動靜環(huán)外，還可以通過更換長彈簧的方式增加彈簧壓力來解決上述問題。

2.3 受力分析

對原彈簧進(jìn)行受力分析(見圖2)如下：

圖2 彈簧示意圖Fig.2 Spring sketch map 注：D為彈簧外徑；D2為彈簧中徑；D1為彈簧內(nèi)徑；d為彈簧線徑；H為彈簧自由高度；n為彈簧工作圈數(shù)；n0為彈簧總?cè)?shù)；t為壓縮彈簧節(jié)距；α為彈簧螺旋升角；L為彈簧絲材料長度。

原彈簧絲直徑d=3.5 mm，外徑D=24.5 mm，則旋繞比C為：

C=D2/d=(24.5-3.5)/3.5=6

工作圈數(shù)n=9，則總?cè)?shù)n0為：

n0=n+1.5=9+1.5=10.5

壓縮彈簧節(jié)距t為：

t=d+λmax/n+Δ=3.5+19.8/9+0.35=6.05 (mm)

彈簧鋼絲間距δ為：

δ=t-d=5.85-3.5=2.55 (mm)

彈簧的自由長度(兩端并緊磨平)H為：

H=nδ+(n0-0.5)d=9×2.35+(10.5-0.5)×3.5=58.00 (mm)

彈簧螺旋升角α為：

α=arctan [t/(πD2)]=5.06°

彈簧絲材料的長度L為：

L=πD2n0/cosα=695.6 (mm)

正常工作位置彈簧長度為54 mm,壓縮量為4 mm，則壓力F為：

F=kx=18.497 5×4=73.99 (N)

經(jīng)測量統(tǒng)計，單機運行3 000 h，現(xiàn)有動靜環(huán)磨損量3～4 mm，彈簧裝入彈簧座后，用彈簧壓蓋固定，通過螺栓調(diào)節(jié)彈簧壓力，通常將彈簧壓縮4 mm左右。一旦動靜環(huán)磨損超過4 mm后，彈簧不受力，機組震動便可使得彈簧脫落。因此，需要對彈簧進(jìn)行改進(jìn)。

2.4 彈簧改進(jìn)方案

彈簧絲直徑d、外徑D、旋繞比C、工作圈數(shù)n、總?cè)?shù)n0保持不變，改變壓縮彈簧節(jié)距t為：

t=d+λmax/n+Δ=3.5+34.5/9+0.35=7.7 (mm)

彈簧鋼絲間距δ為：

δ=t-d=7.7-3.5=4.2 (mm)

彈簧的自由長度(兩端并緊磨平)H為：

H=nδ+(n0-0.5)d=9×4+(10.5-0.5)×3.5=73.00 (mm)

因此選擇73 mm型號為17-4PH的馬氏體沉淀硬化不銹鋼彈簧進(jìn)行替代。

彈簧螺旋升角α為：

α=arctan [t/(πD2)]=6.33°

彈簧絲材料的長度L為：

L=πD2n0/cosα=696.8 (mm)

正常工作位置彈簧長度為54 mm,壓縮量為19 mm，壓力F=kx=17.715×19=336.592 N。

動靜環(huán)總厚度為12 mm，經(jīng)計算，即便在完全磨損的情況下，54+12=66 mm<73 mm，彈簧座卡槽仍能夠?qū)椈晒潭ㄔ趶椈勺鶅?nèi)。改進(jìn)后工作位置彈簧壓力為336.592 N，大于原彈簧73.99 N，有利于提高機械密封的密封效果。改進(jìn)后的彈簧結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 改進(jìn)后的彈簧結(jié)構(gòu)Fig.3 Improved post spring structure diagram

根據(jù)磨損學(xué)知識[14]，不銹鋼動環(huán)磨損速率的影響因素可分為4類：①摩擦特性，指摩擦副的溫度、滑動速率、材料的配對性質(zhì)以及潤滑劑的性質(zhì)；②外摩擦條件，主要指摩擦面所受的壓力；③磨損材料的機械性能，主要指摩擦面材料的耐磨性；④磨損面的微觀幾何特性。其中，載荷對磨損速率的影響是非線性的，對于橡皮、塑料和金屬等各種材料，磨損速率與壓強p常見的關(guān)系表達(dá)式為：

Id～p1+β t

式中，Id為材料磨的損速率；p為摩擦面所受的壓強；β是表示材料幾何特性的參數(shù)。

在不同情況下，載荷對磨損速率有不同程度的影響。Kayaba 用圓環(huán)試樣作了端面摩擦試驗，在單位壓力為 3～10 MPa 的范圍內(nèi)，磨損速率與壓強呈冪指數(shù)關(guān)系，冪指數(shù)為1.4～3.0。

作用在密封環(huán)上的軸向力主要由彈簧壓力和靜環(huán)、靜環(huán)座等部件的自重組成。江都四站水泵型號為2900ZLQ30-7.8，靜環(huán)系統(tǒng)總重由彈簧座、彈簧、密封圈壓板、靜環(huán)座、靜環(huán)壓板、靜環(huán)O形密封圈、人字密封圈等部件組成，主要部件總質(zhì)量經(jīng)計算為139.964 kg，重約1 371.65 N。更換彈簧后，工況下彈簧壓力增加了262.602 N，增加了1/5的壓力，一定程度上增加了工況下動靜環(huán)的磨損量。但是當(dāng)動靜環(huán)磨損量達(dá)到或者超過4 mm時，原58 mm彈簧無法提供壓力，極易脫落，彈簧無法提供壓力，機組運行工況下，無法消除振動導(dǎo)致的間隙，機械密封失去作用。但同等情況下73 mm彈簧壓力F=17.715×15=265.725 N，仍能正常工作。考慮動靜環(huán)完全磨損的極端工況下，73 mm彈簧仍能夠提供F=17.715×7=124.005 N的壓力。雖然增加了一定程度的磨損速率，但是有效保障了動靜環(huán)生命周期內(nèi)正常發(fā)揮作用，降低了油軸承進(jìn)水的故障發(fā)生率。

2.5 效果評價

將彈簧換為73 mm型號為17-4PH的馬氏體沉淀硬化不銹鋼彈簧之后初步解決了彈簧易銹蝕易脫落的情況，運行狀態(tài)良好，但是在維修時，依舊需要將動靜環(huán)密封機構(gòu)拆解下來進(jìn)行維修，且隨著彈簧彈性增強，彈簧安裝時所需壓縮的力更大，也增加了彈簧安裝的難度。

3 第2階段改進(jìn)情況

3.1 技術(shù)方案

2013年汛后再次進(jìn)行改造，采用將彈簧座改為哈夫式的方式，以實現(xiàn)不用拆下動靜環(huán)系統(tǒng)即可便捷更換彈簧的效果，見圖4～圖6，將原來固定于靜環(huán)座上的彈簧座進(jìn)行切割，然后用2顆不銹鋼(直徑8 mm、長25 mm)內(nèi)六角螺栓與靜環(huán)底座連接。這樣可使彈簧在安裝時不用過多的壓縮也可以放進(jìn)彈簧座，且不用像原先一樣將動靜環(huán)密封機構(gòu)整個拆解(見圖4～圖6)。

圖4 改造后水導(dǎo)機械密封結(jié)構(gòu)Fig.4 A schematic diagram of the structure of water guide mechanical seal after transformation 注：1-筒體；2-固定座；3-上環(huán)體；4-下環(huán)體；5-彈簧座；6-彈簧；7-彈簧座；8-靜環(huán)；9-動環(huán)；10-動環(huán)座。

圖5 M處的局部放大圖、支撐座的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of partial enlargement and support block at M 注：1-容置槽；2-螺紋孔；3-U形槽；4-水平體；5-螺孔；6-垂直體

圖6 水導(dǎo)機械密封靜環(huán)座加工圖Fig.6 Drawing of water guided mechanical seal

3.2 實施效果

改造后實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，檢修時原58 mm鍍鋅鋼材質(zhì)彈簧能夠較為輕松的壓入。

改造后的靜環(huán)座彈簧座能夠更好地實現(xiàn)功能，彈簧彈性更好，不銹鋼材質(zhì)更耐磨、耐腐蝕，使機械密封減少漏水，提高了機組運行的安全性；彈簧座進(jìn)行改造后，安裝更方便、可靠，也減少了水導(dǎo)軸承檢修時耗費的人力與財力。

改造前一次水導(dǎo)軸承檢修需要6人花費3 d時間才能夠完成維修。汛期3 d時間單臺機能夠抽水777 6000 m3，這將嚴(yán)重危害防汛安全，改造后不僅減少了需要維修的次數(shù)，且只需2人1 d即可完成維修，對工程運行和經(jīng)濟(jì)效益不會造成較大影響。

4 結(jié) 語

本次技改，是以立式全調(diào)節(jié)軸流泵水導(dǎo)機械密封靜環(huán)座為對象，改造后的彈簧座便于安裝檢修，在一定程度上解決了本文提到的問題，提高了彈簧座工作的可靠性，也可推廣應(yīng)用到其他同類型的水泵密封。江都四站4號主機分體式彈簧座經(jīng)過2 a實際運行，技改效果良好，達(dá)到了預(yù)期的效果，為工程安全運行提供了有效保障，且具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和價格便宜的優(yōu)點。因此，該技術(shù)在其他同類型的大中型泵站工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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