火電廠凝結(jié)水泵機械密封失效研究

畢旺杰 史利強 華電萊州發(fā)電有限公司

水泵作為一種介質(zhì)輸送或增壓的設(shè)備，種類眾多，多用于輸送水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、工業(yè)用水、水處理系統(tǒng)、區(qū)域或建筑的制冷/供暖系統(tǒng)、消防和灌溉等領(lǐng)域，并在其中承擔(dān)著重要作用。軸封部件作為水泵設(shè)備的重要結(jié)構(gòu)，可以防止空氣被吸入泵腔，同時保證介質(zhì)不向外泄漏。軸封類型有填料密封、機械密封和動力密封等，其中，機械密封具有低功耗、使用壽命長、低泄漏的特點，應(yīng)用較多。

一、水泵機械密封介紹

機械密封是一種旋轉(zhuǎn)機械的軸封裝置，又稱端面密封，由至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面，在流體壓力和補償機構(gòu)彈力（或磁力）的作用以及輔助密封的配合下，保持貼合并相對滑動而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。機械密封一般分為4 個部分：①動環(huán)和靜環(huán)組成的密封端面，也稱為摩擦副；②有彈性元件組成的緩沖補償機構(gòu)，其作用是使密封端面緊密貼合；③輔助密封，包括動環(huán)和靜環(huán)輔助密封；④使動環(huán)隨軸旋轉(zhuǎn)的傳動機構(gòu)。機械密封結(jié)構(gòu)一般由彈簧座、彈簧、動環(huán)、靜環(huán)、靜環(huán)座和其中所有用于密封的O 形圈等組成。其中彈簧座通過螺釘?shù)染o固作用與軸相對靜止，靜環(huán)座由一個防轉(zhuǎn)銷保持固定。由于機械密封特殊的工作條件和重要作用，一般由輔助設(shè)施提供冷卻介質(zhì)，對機械密封，特別是動環(huán)和靜環(huán)端面，進行潤滑冷卻和沖洗，延長機械密封使用壽命。當(dāng)泵軸旋轉(zhuǎn)時，帶動動環(huán)等部件一起轉(zhuǎn)動，靜環(huán)保持靜止。由于彈力和介質(zhì)壓力的作用，使動環(huán)與靜環(huán)緊密接觸，這樣動環(huán)與靜環(huán)相接觸的密封面，可以阻止介質(zhì)泄漏。由于動環(huán)與靜環(huán)緊密貼合，使密封端面交界處形成一個微小間隙，當(dāng)介質(zhì)通過此處時，形成一層液體薄膜，產(chǎn)生一定阻力，阻止介質(zhì)泄漏，同時對密封面起到潤滑作用，使密封效果長久。機械密封一般有4 個密封點（泄漏點）：動環(huán)與靜環(huán)之間的動密封；動環(huán)與軸或軸套之間形成的相對靜密封；靜環(huán)與靜環(huán)座之間，以及壓蓋與設(shè)備之間的靜密封。

當(dāng)泵軸旋轉(zhuǎn)時，帶動動環(huán)等部件一起轉(zhuǎn)動，靜環(huán)保持靜止。由于彈力和介質(zhì)壓力的作用，使動環(huán)與靜環(huán)緊密接觸，這樣動環(huán)與靜環(huán)相接觸的密封面，可以阻止介質(zhì)泄漏。由于動環(huán)與靜環(huán)緊密貼合，使密封端面交界處形成一個微小間隙，當(dāng)介質(zhì)通過此處時，形成一層液體薄膜，產(chǎn)生一定阻力，阻止介質(zhì)泄漏，同時對密封面起到潤滑作用，使密封效果長久。機械密封一般有4 個密封點（泄漏點）：動環(huán)與靜環(huán)之間的動密封；動環(huán)與軸或軸套之間形成的相對靜密封；靜環(huán)與靜環(huán)座之間，以及壓蓋與設(shè)備之間的靜密封。

二、密封結(jié)構(gòu)失效原因分析

（一）密封元件選擇不合理

水泵密封元件的使用壽命受到很多因素的影響，其中最主要的影響因素就是密封件選擇的合理性，在水泵設(shè)計和維護的過程中，密封結(jié)構(gòu)的失效也多是由于密封元件選擇不合理導(dǎo)致的，其主要表現(xiàn)在以下幾個方面。一是密封件的耐磨性不足，由于水泵中的液體存在較大的運動速度，若液體中還有較多的雜質(zhì)或添加物，會很容易因為磨粒的存在造成嚴重的磨損問題，此時若密封元件的材料耐磨性不足，則會出現(xiàn)早期磨損而產(chǎn)生泄漏問題；二是密封元件的耐腐蝕性不足，水泵在酸堿環(huán)境中使用時，若水泵中的密封元件抗腐蝕能力不足，可能因為酸堿腐蝕問題使元件的彈性減弱或出現(xiàn)開裂等問題；三是密封元件的耐高溫性能不足，水泵在高溫液體的環(huán)境中使用，也可能因為密封元件選擇不合理而導(dǎo)致密封元件過早老化，使密封元件的可靠性大幅降低。

（二）密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計不合理

在水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計往往對于機械密封結(jié)構(gòu)的使用壽命存在較大的影響，密封結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理造成的密封失效問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面。一是壓緊密封面的壓緊面積不足，當(dāng)壓緊面積不足時，與壓緊面配套使用的密封墊片往往面積也較小，在長期使用的過程中壽命不易保證；二是由于在機械設(shè)計的過程中，金屬部件之間的較小空隙會使液體流動時出現(xiàn)沖擊力劇增現(xiàn)象，若小間隙或孔狀結(jié)構(gòu)位于密封元件附近，密封元件會長期受到大于設(shè)計值的液體沖刷力作用而產(chǎn)生失效問題；三是水泵傳動軸運轉(zhuǎn)過程的撓度過大，造成密封元件在密封過程中的受力不均勻，長此以往密封元件的局部功能出現(xiàn)失效，易出現(xiàn)泄漏問題。

（三）維修保養(yǎng)操作不合理

很多情況下，水泵在維修和保養(yǎng)的過程中，往往達不到出廠時的技術(shù)條件和裝配質(zhì)量，很容易導(dǎo)致水泵機械密封結(jié)構(gòu)失效。例如，在維修過程中拆卸不當(dāng)會造成密封彈性件的損壞、替換密封件時材質(zhì)選擇不當(dāng)造成更換的元件快速損壞等問題。還可能存在更換動環(huán)、靜環(huán)等元件時，密封件安裝受力不均勻，造成局部位置密封狀態(tài)不好而出現(xiàn)泄漏。在對水泵殼體、端蓋、傳動軸安裝時，也可能出現(xiàn)螺栓緊固受力不均、軸承壓蓋安裝不到位、軸與軸承安裝不合理等問題，都可能造成機械密封結(jié)構(gòu)的早期損壞而失效。

三、處理措施

（一）壓力產(chǎn)生的泄露真空狀態(tài)運行下造成的泄露

當(dāng)水泵啟動或停機時，受泵進口被堵塞、抽送介質(zhì)混入氣體等情況的影響，導(dǎo)致密封腔內(nèi)發(fā)生負壓情況，此時在負壓作用下密封腔內(nèi)密封端面將發(fā)生干摩擦，從而導(dǎo)致機械密封失效?？梢哉f過量摩擦是導(dǎo)致密封失效的重要因素之一。針對這種情況處理方案是：機械密封可選用雙端面，以起到改善潤滑條件的作用，進而使得機械密封的密封性得到提升。此外還應(yīng)嚴格控制好耐磨材料，可選擇耐干磨、機械強度高、耐高溫、變形能力強的材料。高溫和高壓造成的泄露。當(dāng)所設(shè)計彈簧的比壓或總比壓過大，或是當(dāng)密封腔內(nèi)壓力值超過3MPa 時，會導(dǎo)致端面的比壓較大，此時在端面間就無法形成具有流體動力壓和靜壓力的液體膜，導(dǎo)致端面發(fā)生干磨損或半干磨損，從而產(chǎn)生大量熱量，在摩擦作用下瞬間燒毀摩擦副，令水泵機械密封端面因高溫而產(chǎn)生嚴重變形，密封失效出現(xiàn)滲漏。同時，當(dāng)彈簧的比壓過大時該構(gòu)件易出現(xiàn)疲勞，自身調(diào)節(jié)能力喪失，過早失去彈性，當(dāng)比壓過小時又無法起到應(yīng)有的密封效果。針對高溫和高壓造成的密封故障解決方案為：在水泵機械密封安裝時，必須嚴格參照規(guī)定數(shù)值設(shè)定彈簧壓縮量，通常誤差不超過±2.00mm，壓縮量過大和過小都可能引發(fā)故障。在密封安裝前，需合理布設(shè)彈簧的旋轉(zhuǎn)方向，比如靜環(huán)端面，其軸向呈順時針運動，彈簧應(yīng)旋轉(zhuǎn)右旋彈簧，若呈逆時針運動則應(yīng)選左旋轉(zhuǎn)彈簧。在高壓環(huán)境下，為確保機械密封端面更加合理，盡量避免變形情況發(fā)生，可選用陶瓷等耐壓強度較高的材料，也可選用硬質(zhì)合金，同時要加強冷卻處理，做好潤滑措施，選擇與之相適應(yīng)的傳動方式。

（二）周期性滲漏轉(zhuǎn)子周期性振動

當(dāng)定子與上下端蓋未對中或葉輪與主軸不平衡時將會引發(fā)轉(zhuǎn)子周期性振動，對軸承產(chǎn)生磨損，使得密封失效而出現(xiàn)泄漏?？蓞⒄站S修標準進行檢修即可。泵轉(zhuǎn)子軸向竄動量過大，密封于軸公差帶之間過盈量較大，結(jié)合較松，軸上動環(huán)無法靈活移動。其主要原因是水泵翻轉(zhuǎn)后，因動靜環(huán)被磨損，移位補償不到位而導(dǎo)致上述情況發(fā)生。解決方案是：在安裝水泵機械密封時，應(yīng)按照要求確保軸向竄動量不超過0.1mm，徑向跳動度低于0.06mm，將軸最大撓度控制在0.05mm內(nèi)。保證輔助密封與軸之間的過盈量適中。確保水泵機械密封性能良好的基礎(chǔ)上，安裝動環(huán)時使其能夠在軸上靈活移動。由于潤滑油不足，導(dǎo)致密封端面長期處于干摩擦狀態(tài)，導(dǎo)致端面拉毛現(xiàn)象發(fā)生。其解決方案：檢查油室腔中潤滑油量，確保其高度必須高于動靜環(huán)密封面。在安裝時可在密封端面澆灌適量的潤滑油，以保證其潤滑效果。同時應(yīng)針對不同的密封材質(zhì)選擇對應(yīng)的潤滑油，以免導(dǎo)致O 型圈被潤滑油浸泡后出現(xiàn)膨脹，導(dǎo)致自身老化速度加快，使得密封失效。

四、結(jié)束語

水泵機械密封應(yīng)用中最常見的故障是失效，且在水泵運行的每一個運行階段都可能發(fā)生。而導(dǎo)致機械密封失效引發(fā)滲漏的原因有很多，泄露方式也存在多樣性。一旦出現(xiàn)泄露將會使得水泵機械密封的使用年限降低，并對設(shè)備整體運行情況產(chǎn)生影響。對此必須要重視泄露情況，根據(jù)其發(fā)生的原因選擇相應(yīng)的應(yīng)對措施。