采鹽船初級泵、增壓泵機(jī)械密封國產(chǎn)化改造

謝宗海

(青海鹽湖工業(yè)股份有限公司物資供應(yīng)分公司，青海格爾木 816000)

青海鹽湖工業(yè)股份有限公司(以下簡稱“公司”)鉀肥分公司現(xiàn)有KSB離心泵52臺，其中初級泵(LCC 10×12-26)17臺，增壓泵(LSA 8×10-32HP)35臺，均為進(jìn)口設(shè)備，用于輸送光鹵石礦漿。設(shè)備自投運(yùn)以來，運(yùn)行平穩(wěn)，各方面經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求。

文章主要介紹用于輸送光鹵石礦漿的KSB離心泵機(jī)集裝式機(jī)械密封國產(chǎn)化改造工作。以期為今后國內(nèi)同類設(shè)備的集裝式機(jī)械密封國產(chǎn)化改造工作提供參考。

1 KSB離心泵簡介

1.1 結(jié)構(gòu)

該泵結(jié)構(gòu)如圖1所示，均為離心式懸臂雜質(zhì)泵，主要適用于輸送具有一定磨蝕性或腐蝕性的帶有一定顆粒物的廢水、泥漿或礦漿，初級泵泵體為前開式結(jié)構(gòu)，檢修過流部件時(shí)拆卸方便。增壓泵進(jìn)口端采用分體式泵蓋設(shè)計(jì)，將一般的泵蓋分為泵體連接板和泵蓋兩部分，即可以減少更換過流部件的成本，又可以減小泵體軸封的制造成本。軸承體部件為可調(diào)節(jié)式，當(dāng)過流件磨損，泵性能發(fā)生少量變化時(shí)可通過調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)葉輪與泵蓋的間隙，補(bǔ)償磨損量，延長使用壽命。初級泵圖1(a)軸承配置采用常規(guī)的雜質(zhì)泵軸承配置，即一個(gè)球面滾子軸承加一對圓錐滾子軸承，該配置結(jié)構(gòu)簡單，承載能力強(qiáng)，檢修維護(hù)方便，軸按照重型軸設(shè)計(jì)、懸臂比小，使泵運(yùn)行更穩(wěn)定，軸承振動小，能夠延長軸承使用壽命；增壓泵圖1(b)軸承配置設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的雜質(zhì)泵采用一個(gè)圓柱軸承加一對角接觸軸承的配置，而是采用一個(gè)球面滾子軸承加一個(gè)球面滾子推力軸承承擔(dān)泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的載荷，同時(shí)配置了一個(gè)圓錐滾子軸承作為泵啟動、停機(jī)時(shí)的輔助承載軸承。這種配置能極大地提高軸承的承載能力，使泵能在更加惡劣的工況上正常工作。但該配置成本較高，同時(shí)對零件加工、安裝要求高，安裝好后基本不能進(jìn)行二次檢修拆裝。

圖1 離心式懸臂雜質(zhì)泵Fig.1 Centrifugal cantilever impurity pump

1.2 操作參數(shù)

1.2.1 初級泵

輸送介質(zhì)為成礦飽和鹵水，其比重為1 036 kg/m3,體積流量為1 000 m3，揚(yáng)程為33.06 m，軸功率167.67 kW，效率86%，必須汽蝕余量2.61 m，轉(zhuǎn)速712 r/min,工作時(shí)進(jìn)口壓力82 kPa，出口壓力550 kPa，工作溫度范圍-20 ℃～30 ℃。

1.2.2 增壓泵

輸送介質(zhì)為成礦飽和鹵水，其比重為1 036 kg/m3,體積流量為1 000 m3，揚(yáng)程為83 m，軸功率423.33 kW，效率86.7%，必須汽蝕余量3.44 m，轉(zhuǎn)速958 r/min,工作時(shí)進(jìn)口壓力200 kPa，出口壓力1 400 kPa，工作溫度范圍-20 ℃～30 ℃。

1.3 機(jī)械密封

機(jī)械密封采用集裝方式進(jìn)行供貨和安裝，由于初級泵、增壓泵輸送成礦飽和鹵水，介質(zhì)含有顆粒濃度高，易結(jié)晶，當(dāng)系統(tǒng)波動或較長時(shí)間停機(jī)啟動時(shí)，介質(zhì)中的顆粒進(jìn)入密封端面會導(dǎo)致機(jī)械密封磨損，結(jié)晶填充在彈簧中會造成補(bǔ)償機(jī)構(gòu)失效。作為采收車間的核心設(shè)備，初級泵、增壓泵若采用渣漿泵通用的帶沖洗單端面多彈簧或波紋管機(jī)械密封，不能有效避免密封端面的磨損和彈簧補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的失效，將會導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行周期短，采船靠岸停船檢修，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

初級泵、增壓泵原裝機(jī)封采用FLOWSERVE公司SLC密封結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 SLC密封結(jié)構(gòu)Fig.2 SLC seal structure

SLC型密封為FLOWSERVE公司專門為輸送含有高濃度固體顆粒介質(zhì)設(shè)計(jì)的一款密封，其允許的最高顆粒濃度可達(dá)60%，廣泛應(yīng)用于采鹽、煤炭加工清洗、鈾處理、銅精煉、鎳精煉、氧化鋁精煉、硬石礦業(yè)、油砂開采、礦砂、煙氣脫硫、采金等行業(yè)。具有以下特點(diǎn)：

(1)特殊的彈簧設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，避免了介質(zhì)顆粒對彈簧的堵塞。

動環(huán)補(bǔ)償采用單片碟簧作為補(bǔ)償機(jī)構(gòu)而非多彈簧或波紋管補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，結(jié)晶在碟簧上的鹽不會影響碟簧補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的正常工作；單片碟簧徑向?qū)挾容^大，即動環(huán)座與軸套的間距較大，介質(zhì)中的顆粒不會在動環(huán)座與軸套的空間中沉積，動環(huán)在軸向的補(bǔ)償運(yùn)動不受影響。

(2)采用新型動環(huán)密封結(jié)構(gòu)，避免動環(huán)補(bǔ)償失效。

單片碟簧進(jìn)行塑料全包覆，內(nèi)側(cè)安裝在軸的安裝槽中，外側(cè)與動環(huán)座緊密貼緊，即起到保護(hù)碟簧，防止碟簧被介質(zhì)腐蝕的作用，又起到動環(huán)座與軸套之間的密封作用，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的動態(tài)O型環(huán)密封結(jié)構(gòu)，避免造成介質(zhì)顆粒對動態(tài)O型環(huán)的堵塞而導(dǎo)致的動環(huán)補(bǔ)償失效。

(3)液體壓力平衡型摩擦副設(shè)計(jì)，消除了介質(zhì)壓力對密封的影響。

傳統(tǒng)的機(jī)械密封動環(huán)密封O型圈安裝在動環(huán)的內(nèi)側(cè)，與軸套精密貼合，用于密封動環(huán)與軸套之間的間隙，動環(huán)的密封O型密封圈在軸套徑向方向的直徑較靜環(huán)O型密封圈直徑小。而此結(jié)構(gòu)機(jī)封的動環(huán)O型密封圈安裝位置與靜環(huán)的O型密封圈位置相同，位于動環(huán)的外側(cè)，與靜環(huán)O型密封圈在軸套徑向方向的直徑相同，使介質(zhì)壓力在動靜環(huán)上產(chǎn)生的壓力大小相同、方向相反，消除介質(zhì)壓力對密封的影響。

2 機(jī)械密封國產(chǎn)化

2.1 存在問題

初級泵、增壓泵自投運(yùn)以來，經(jīng)多次檢修，每次解體集裝機(jī)械密封都在不同位置出現(xiàn)問題，主要有：

(1)機(jī)械密封端面出現(xiàn)明顯的磨損現(xiàn)象。

(2)軸套與小軸套之間的密封失效。

(3)補(bǔ)償環(huán)內(nèi)側(cè)起支撐和密封作用的U形圈密封效果一般，在碟簧密封失效后，不能起到良好的二次密封作用。

(4)原機(jī)械密封需使用淡水進(jìn)行沖洗，因察爾汗冬季寒冷，淡水管道經(jīng)常凍裂，無法保證淡水供應(yīng)，因此需將機(jī)械密封改造為無水機(jī)封。

(5)原裝機(jī)械密封價(jià)格昂貴，備件價(jià)格高，采購周期長，維修成本高。

2.2 機(jī)械密封國產(chǎn)化過程

針對上述問題，與國內(nèi)機(jī)械密封生產(chǎn)廠家進(jìn)行多次溝通交流，決定從產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行改進(jìn)，即在原有FLOWSERVE公司機(jī)械密封的基礎(chǔ)上對關(guān)鍵易損部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和選型，做出以下改變。

(1)在保留原設(shè)計(jì)的各部分間隙、部分部件材質(zhì)、尺寸、壓量和可利用部分的基礎(chǔ)上，根據(jù)原設(shè)計(jì)方案，對易損壞的動靜環(huán)和部分零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和選型，更換詳細(xì)情況見表1。

表1 機(jī)械密封國產(chǎn)化零件一覽表Tab.1 List of dometic parts of mechanical seal

通過優(yōu)化動靜環(huán)材質(zhì)，將原來的碳化硅改成了硬質(zhì)合金與堆焊硬質(zhì)合金，提高密封環(huán)的強(qiáng)度，使密封副更具耐磨性。對易失效的軸套與小軸套之間的密封，在原有O型密封圈的基礎(chǔ)上增加一道O型密封圈，起到雙重密封和支承軸套的作用，增強(qiáng)了密封旋轉(zhuǎn)組件抵抗強(qiáng)沖擊的能力，避免了單道 O型密封圈失效后造成密封的失效，提高密封的可靠性。將補(bǔ)償環(huán)內(nèi)側(cè)起支撐和密封作用的U型密封圈更換為密封性能更加嚴(yán)密的氟橡膠O型密封圈，當(dāng)?shù)擅芊馐Ш螅薕型密封圈仍能起到良好的密封作用。更改后的機(jī)封結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 更改后的機(jī)封結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of modified mechanical seal

(2)對冬季機(jī)械密封沖洗淡水管道凍裂的問題，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)決定，取消原淡水沖洗管線，改用灌泵鹵水泵對機(jī)械密封進(jìn)行間歇沖洗，并在初級泵、增壓泵停運(yùn)后、啟動前沖洗5 min，確保機(jī)械密封中無顆粒堆積，無結(jié)晶鹽。同時(shí)，在優(yōu)化動靜環(huán)材質(zhì)的基礎(chǔ)之上，又在密封環(huán)面上加工了深槽，即增加密封的潤滑性能，也增加了密封的可靠性和使用壽命。

2.3 測試過程及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)依據(jù)GB/T 14211-2010中出廠試驗(yàn)要求進(jìn)行。

(1)靜壓試驗(yàn)用水做為試驗(yàn)介質(zhì)，試驗(yàn)壓力為2.0 MPa，實(shí)驗(yàn)時(shí)間15 min，每3 min記錄一次壓力、溫度和泄漏量。

(2)動態(tài)試驗(yàn)用成礦飽和鹵水做為試驗(yàn)介質(zhì)，無隔離液體，實(shí)驗(yàn)壓力為1.6 MPa，轉(zhuǎn)速1 000 r/min，實(shí)驗(yàn)時(shí)間5 h，每1 h記錄一次試驗(yàn)壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、泄漏量、功率。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，靜壓試驗(yàn)中，液體壓力無變化，機(jī)械密封無泄漏。動壓試驗(yàn)中，機(jī)械密封無泄露，溫度上升2 ℃～3 ℃，運(yùn)轉(zhuǎn)中無異響，噪聲正常。試驗(yàn)后拆解機(jī)械密封，動靜環(huán)無磨損，補(bǔ)償機(jī)構(gòu)靈活，無聚集顆粒，其他各靜密封均無異常變形，無高溫粘結(jié)和破損。實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 現(xiàn)場安裝后運(yùn)行效果

2019-10對初級泵、增壓泵進(jìn)行了機(jī)械密封更換，投運(yùn)后機(jī)械密封的溫度、密封效果、沖洗效果、運(yùn)行時(shí)間等各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足使用要求，部分指標(biāo)甚至超過原有的進(jìn)口機(jī)械密封。能夠保證生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行。

3 結(jié)語

此次初級泵、增壓泵機(jī)械密封國產(chǎn)化改造，不僅使采購費(fèi)用降低了近2/3，而且使供貨周期從原先的3個(gè)月縮短至20 d，使用效果良好，極大的降低了車間的生產(chǎn)成本。還為公司輸送成礦鹵水泵用機(jī)械密封的技術(shù)研發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，為今后設(shè)計(jì)和使用同類機(jī)械密封提供了必要的技術(shù)儲備，達(dá)到了國產(chǎn)化改造的目的。