蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)給水泵機(jī)械密封失效及改善研究

王麗元，崔鉞

（1.唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.唐山學(xué)院，河北唐山 063000）

引言

蒸汽轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)（STR）的功能是產(chǎn)生絕對(duì)壓力1.2 MPa，188 ℃的低壓輔助蒸汽，每臺(tái)蒸汽轉(zhuǎn)換器設(shè)有兩臺(tái)100%容量的給水泵，給水泵能否正常運(yùn)行直接影響STR 系統(tǒng)生產(chǎn)低壓輔助蒸汽。［1］給水泵為上海阿波羅機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的ADH40-90×2 臥式離心泵，機(jī)械密封為上海博格曼機(jī)械密封廠生產(chǎn)的H75-45-G115 組裝式機(jī)械密封。

1 STR 給水泵及機(jī)械密封簡(jiǎn)介

1.1 STR 給水泵

蒸汽轉(zhuǎn)換器給水泵是在動(dòng)力能源系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組系列化工泵基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的是臥式，單吸，葉輪對(duì)稱布置的兩級(jí)泵，其尺寸和性能符合DIN24256/IOS2858 標(biāo)準(zhǔn)。每臺(tái)蒸汽轉(zhuǎn)換器設(shè)有兩臺(tái)100%容量的給水泵，日常工作期間為一用一備。泵的運(yùn)行特性見(jiàn)表1。

表1 蒸汽轉(zhuǎn)換器給水泵運(yùn)行參數(shù)

泵驅(qū)動(dòng)端采用圓柱滾子軸承，非驅(qū)動(dòng)端采用背靠背安裝的角接觸球軸承。兩端各安裝一個(gè)機(jī)械密封。泵入口壓力約為0.07 MPa，出口壓力約為1.85 MPa。給水泵結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 STR 給水泵結(jié)構(gòu)圖

1.2 機(jī)械密封

機(jī)械密封為上海博格曼機(jī)械密封廠生產(chǎn)的H75-45-G115 組裝式單端面機(jī)械密封，動(dòng)環(huán)為軟環(huán)，主要材質(zhì)為碳-石墨，靜環(huán)為硬環(huán)，主要材質(zhì)為碳化硅。該機(jī)械密封屬于內(nèi)裝旋轉(zhuǎn)式非平衡型機(jī)械密封，補(bǔ)償機(jī)構(gòu)為8 個(gè)彈簧，安裝在動(dòng)環(huán)座上，載荷系數(shù)K＜1。

該機(jī)械密封采用plan11 沖洗方案，即從泵出口經(jīng)流量控制板進(jìn)入密封腔。Plan11 為單端面機(jī)械密封的標(biāo)準(zhǔn)沖洗方案，既可冷卻密封腔，又能排空密封腔的空氣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性好，是清潔介質(zhì)最常用的沖洗方案。［2］機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)圖

1.3 故障描述

N1STR002PO 泵驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封發(fā)生泄漏，漏量約為5 滴/s（900 mL/h），超出EOMM 規(guī)定的10 mL/h，需對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行更換。之后001PO 和002PO 驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封接連發(fā)生三次泄漏，運(yùn)行時(shí)間在1～3 周不等。對(duì)發(fā)生泄漏的機(jī)械密封解體檢查發(fā)現(xiàn)：動(dòng)環(huán)密封面有少量缺口，動(dòng)環(huán)外圓整個(gè)圓周出現(xiàn)嚴(yán)重侵蝕，動(dòng)環(huán)組件和彈簧無(wú)異常；靜環(huán)密封面均勻，無(wú)明顯磨損情況；O 型密封圈狀態(tài)良好，未出現(xiàn)老化或變形等現(xiàn)象。

2 故障原因分析

2.1 直接原因

從機(jī)械密封動(dòng)環(huán)損壞的圖片（圖3）上可以明顯到，動(dòng)環(huán)外圓周上出現(xiàn)嚴(yán)重的徑向侵蝕，密封端面上出現(xiàn)了不同程度的缺口，使動(dòng)靜環(huán)結(jié)合面無(wú)法形成有效密封，最終導(dǎo)致泄漏。

圖3 磨損后的機(jī)械密封動(dòng)環(huán)

2.2 密封損壞原因分析

2.2.1 泵抽空或汽蝕

此類故障產(chǎn)生的原因是由于葉輪內(nèi)發(fā)生汽蝕或泵腔內(nèi)沒(méi)有液體（啟動(dòng)時(shí)排氣不充分），摩擦副處于干摩擦或半干摩擦狀態(tài)，使摩擦副在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。

機(jī)械密封動(dòng)環(huán)材質(zhì)為碳石墨，靜環(huán)材質(zhì)為碳化硅。如果出現(xiàn)干摩擦，碳化硅表面溫度將急劇上升，遇冷后很容易發(fā)生碎裂現(xiàn)象。而解體檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜環(huán)端面平整、光滑，無(wú)麻點(diǎn)或者明顯劃痕。另外，如果發(fā)生泵腔抽空，動(dòng)環(huán)的內(nèi)圈更容易出現(xiàn)侵蝕或缺口。

根據(jù)以上幾點(diǎn)判斷，該原因可能性不大。

2.2.2 端面比壓過(guò)大

由于端面比壓過(guò)大，使得動(dòng)靜環(huán)之間摩擦產(chǎn)生大量熱，破壞密封面間的液膜，增大磨損。而實(shí)際情況表明摩擦副表面未發(fā)現(xiàn)明顯磨痕，也未出現(xiàn)因高溫引發(fā)的變色現(xiàn)象。［3］幾次安裝時(shí)，彈簧壓縮量與廠家建議值相符（約為總壓縮量的60%～70%），基本可以排除該可能性。

2.2.3 沖洗量過(guò)大

PLAN11 沖洗方案的布置為徑向單點(diǎn)沖洗，如果沖洗量過(guò)大很容易使動(dòng)環(huán)外圈出現(xiàn)侵蝕。［4］失效舊機(jī)械密封的損壞方式與這種情況比較相似?？紤]到驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封始終未出現(xiàn)泄漏，而兩端機(jī)械密封沖洗水都是從泵出口引出且管徑相同，沖洗量差別不大，所以也可以排除該種可能性。

2.2.4 沖洗壓差過(guò)大

對(duì)比STR 泵兩端機(jī)械密封的布局和工況，唯一的不同點(diǎn)就是機(jī)械密封腔室背壓。對(duì)于兩級(jí)雙支撐泵，入口端密封腔壓力等于入口壓力，出口端密封腔壓力等于一級(jí)葉輪出口壓力，在數(shù)值上等于出、入口壓差之和的一半。所以驅(qū)動(dòng)端密封腔室壓力約為0.07 MPa，非驅(qū)動(dòng)端密封腔壓力約為0.82 MPa。對(duì)于現(xiàn)在泵用機(jī)械密封工作壓力在2 MPa 以下，壓力變化不大而又較為準(zhǔn)確的情況下，沖洗壓力比密封腔壓力大0.05～0.2 MPa。機(jī)械密封沖洗水的壓力無(wú)法直接計(jì)算，但至少大于非驅(qū)動(dòng)端密封腔室背壓，所以沖洗壓力比驅(qū)動(dòng)端密封腔背壓高出0.8 MPa。［5］至此，泵驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封屢次損壞的原因基本鎖定為沖洗壓力過(guò)大。

3 改造方案

3.1 選擇方案

好的機(jī)械密封得益于精心的設(shè)計(jì)和精密的加工。然而，由于微小的因素就有可能干擾正常的密封效果，加之機(jī)械密封某些參數(shù)的控制是區(qū)間值而非精確刻度值（如載荷系數(shù)、端面壓力、沖洗壓力等），所以設(shè)計(jì)確定的最佳參數(shù)必須依靠實(shí)踐的檢驗(yàn)。而密封設(shè)備雖小，卻關(guān)系到整個(gè)能源東西系統(tǒng)的質(zhì)量和安全。根據(jù)機(jī)械密封損壞的情況和設(shè)備運(yùn)行工況，再結(jié)合上述原因分析，共有三種改造方案。

（1）更換動(dòng)環(huán)材質(zhì)，采用不銹鋼或者硬質(zhì)合金，增強(qiáng)動(dòng)環(huán)的剛度和耐沖刷性能。但是更換材質(zhì)后，摩擦副的產(chǎn)熱量將大大增加，會(huì)直接影響機(jī)械密封壽命。STR 給水泵入口溫度達(dá)到80 ℃，要想對(duì)摩擦副進(jìn)行有效冷卻還需額外增加沖洗水冷卻系統(tǒng)，改造量和周期較大，不建議實(shí)施。

（2）取消plan11 沖洗方案，將沖洗管線堵死?？紤]到機(jī)械密封腔室內(nèi)可能存在雜質(zhì)，失去沖洗水將導(dǎo)致雜質(zhì)無(wú)法及時(shí)排除，從而加劇動(dòng)靜環(huán)之間的摩擦；另一方面，堵死沖洗管路會(huì)增大機(jī)械密封腔室排氣的難度，容易造成機(jī)械密封端面干摩擦。

（3）在沖洗水管路上加裝節(jié)流孔板。加裝孔板可以有效降低沖洗水壓力，同時(shí)保留了plan11 方案中冷卻、排氣和潤(rùn)滑的功能。該方案易于實(shí)施，改造成本低，不會(huì)引入其他風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 具體實(shí)施

在驅(qū)動(dòng)端沖洗水管線的接頭處加裝一個(gè)旋塞，具體結(jié)構(gòu)如圖4 箭頭處，將通道孔徑由￠7 改為￠3。沖洗水經(jīng)旋塞節(jié)流后對(duì)摩擦副進(jìn)行沖洗，可以有效降低沖洗壓力，進(jìn)而延長(zhǎng)機(jī)械密封的使用壽命。最終根據(jù)加裝旋塞后機(jī)械密封的使用壽命判斷變徑是否合適。

圖4 改造實(shí)施結(jié)構(gòu)圖

3.3 改造方案效果

STR 給水泵在增加節(jié)流旋塞后，運(yùn)行至今未再出現(xiàn)泄漏的情況，說(shuō)明本次選取的節(jié)流變徑尺寸是合理可行的。另一方面，N1STR001PO 頻繁泄漏的同時(shí)，N1STR002PO 卻能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，在對(duì)002PO 進(jìn)行解體檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封壓蓋的沖洗水孔被異物堵塞，參見(jiàn)圖5，也間接證明了機(jī)械密封動(dòng)環(huán)出現(xiàn)嚴(yán)重侵蝕是沖洗水壓力過(guò)大引起的。

圖5 改造效果圖

4 結(jié)論

蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)給水泵是能源動(dòng)力設(shè)備中的關(guān)鍵組成部分，伴隨長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)運(yùn)行，疲勞強(qiáng)度不斷增加，難免會(huì)出現(xiàn)密封失效的現(xiàn)象。通過(guò)以上機(jī)械密封故障的原因分析、方案制定及后續(xù)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的實(shí)際改造，徹底解決了機(jī)械密封在短時(shí)間內(nèi)頻繁泄漏的問(wèn)題。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的崗位操作人員及設(shè)備維檢人員通過(guò)整個(gè)項(xiàng)目改造的參與，實(shí)施效果驗(yàn)證及相關(guān)理論知識(shí)學(xué)習(xí)，熟練掌握了這一設(shè)備問(wèn)題的故障原因及排除方法，大大提高了生產(chǎn)運(yùn)行分析判斷能力，對(duì)今后的生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。