水泵機(jī)械密封技術(shù)在供水廠設(shè)備維修中的應(yīng)用

陳創(chuàng)希

（東莞市水務(wù)集團(tuán)供水有限公司，廣東東莞 523000）

0 引言

近年來(lái)，某供水廠水泵泄漏的問題漸趨嚴(yán)重，目前的設(shè)備維修方法無(wú)法在水泵機(jī)組發(fā)生故障時(shí)實(shí)現(xiàn)有效、準(zhǔn)確地檢修，不僅浪費(fèi)水資源，同時(shí)影響水泵的運(yùn)行壽命，嚴(yán)重阻礙了供水廠生產(chǎn)運(yùn)行的效率。傳統(tǒng)的密封技術(shù)不僅能耗較高，而且需要設(shè)備工作人員進(jìn)行大量的維護(hù)檢修工作，極易產(chǎn)生維修過度問題，增大設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)[1]。機(jī)械密封技術(shù)憑借其較高的可靠性以及良好的節(jié)水效果，逐漸在供水廠設(shè)備的維修中應(yīng)用，這在一定程度上減少了設(shè)備運(yùn)維人員的工作量。不過由于傳統(tǒng)的密封技術(shù)已無(wú)法滿足供水廠設(shè)備的運(yùn)行要求，需要新的技術(shù)來(lái)解決水泵泄漏的問題。本文基于機(jī)械密封技術(shù)，進(jìn)行供水廠設(shè)備維修的研究，提出設(shè)備故障診斷的解決方法。

1 水泵機(jī)械密封技術(shù)在供水廠設(shè)備維修中的作用

1.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

本文的監(jiān)測(cè)對(duì)象主要是水泵機(jī)組的軸承振動(dòng)和溫度，以及電機(jī)的電壓和電流等，其中水泵機(jī)組的特征參量主要有振動(dòng)頻率、振動(dòng)速度、軸向位置等，通過綜合數(shù)據(jù)反映機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，為供水廠設(shè)備故障診斷提供依據(jù)[2]。水泵與電機(jī)采用滑動(dòng)軸承連接，底座是獨(dú)立的，因此監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別在水泵機(jī)組底座、水泵的高壓端和低壓端布置，并在電極的驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在供水廠監(jiān)控中心的監(jiān)測(cè)室內(nèi)安裝有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)軟件，工作人員可以隨機(jī)調(diào)取供水廠設(shè)備所有的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，由監(jiān)控中心軟件自動(dòng)判別水泵機(jī)組的運(yùn)行情況，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)超出正常范圍時(shí)自動(dòng)告警，并根據(jù)水泵測(cè)量振動(dòng)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)方法確定該供水廠設(shè)備監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，在完成不定期的數(shù)據(jù)采集后，根據(jù)供水廠設(shè)備運(yùn)行的振動(dòng)特性，利用振動(dòng)診斷分析儀軟件診斷故障部位和故障原因。

1.2 診斷水泵機(jī)組故障

機(jī)組效率在正常范圍內(nèi)時(shí)發(fā)生故障的概率較小，發(fā)生故障時(shí)機(jī)組效率通常會(huì)產(chǎn)生明顯變化，如果機(jī)組效率下降程度較小，雖然不影響正常運(yùn)行但會(huì)浪費(fèi)大量資源，因此在監(jiān)測(cè)過程中，機(jī)組效率下降到一定程度時(shí)則判定為機(jī)組故障，需要經(jīng)過維修人員進(jìn)行及時(shí)檢修。注水泵機(jī)組包括離心泵、柱塞泵和注水泵，本文將分別進(jìn)行故障診斷。

離心泵機(jī)組的常見故障有電磁振動(dòng)、機(jī)械松動(dòng)等，產(chǎn)生振動(dòng)的原因多種多樣：機(jī)組軸心質(zhì)量分布不均衡是機(jī)組振動(dòng)故障的主要原因，聯(lián)軸器安裝不良還會(huì)容易產(chǎn)生軸向振動(dòng)；如果水泵出現(xiàn)機(jī)械松動(dòng)的問題，諧頻振幅會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，其軸承的過度磨損和不良的穩(wěn)定性會(huì)激發(fā)油膜振蕩，軸和軸系統(tǒng)的安裝質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生軸彎曲故障。離心泵的故障診斷測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量靠近軸承，必要時(shí)可將設(shè)備表面進(jìn)行處理[3]。

在柱塞泵的故障診斷中，泵閥為關(guān)鍵部件。泵閥損壞會(huì)導(dǎo)致柱塞密封處泄漏，密封填料的損壞也會(huì)造成介質(zhì)的噴漏現(xiàn)象。柱塞泵的整機(jī)振動(dòng)超限，整機(jī)振動(dòng)異常、部分電極故障、十字頭失效等故障的主要原因有兩個(gè)：一是泵本身結(jié)構(gòu)的失效，二是泵安裝與設(shè)計(jì)過程中的人為因素造成的，這就需要著重監(jiān)測(cè)柱塞泵的軸承溫度，實(shí)現(xiàn)故障診斷。

1.3 機(jī)械密封維修水泵流體泄漏

機(jī)械密封技術(shù)又稱端面密封，是將靜環(huán)和動(dòng)環(huán)兩個(gè)密封元件與軸的光滑表面在垂直條件下貼合后，通過旋轉(zhuǎn)形成的密封裝置。在斷面密封的摩擦結(jié)構(gòu)中，分別在機(jī)封壓蓋和傳動(dòng)軸上進(jìn)行靜環(huán)和動(dòng)環(huán)的安裝，斷面依靠液體壓力和機(jī)械的彈力而產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膲壕o力。為防止水泵流體泄漏，在端面間設(shè)置流動(dòng)性層膜，該液體膜能夠在保證密封的同時(shí)起到潤(rùn)滑作用，實(shí)現(xiàn)軸承密封，將泵本身在運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生的磨損量控制在安全范圍內(nèi)，塔形結(jié)構(gòu)可以在緩沖的條件下將密封端面緊密貼合，同時(shí)具有延伸和收縮的兩種狀態(tài)，通過傳動(dòng)結(jié)構(gòu)使機(jī)械密封各零件同時(shí)運(yùn)行[4]。

為了保證水泵軸承的運(yùn)行壽命，避免因過度維修而導(dǎo)致的水泵損傷，進(jìn)一步規(guī)劃大修的周期，在進(jìn)行密封時(shí)應(yīng)選擇適合供水廠設(shè)備運(yùn)行的抗磨損材料，合理設(shè)計(jì)密封端面，盡可能控制密封面的壓強(qiáng)。一旦密封面出現(xiàn)較大磨損量，則需要分析水泵機(jī)組的振動(dòng)原因，采取相應(yīng)措施減少振動(dòng)。在機(jī)組安裝時(shí)，應(yīng)注意轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)心與轉(zhuǎn)動(dòng)中心的偏差，同時(shí)為了減小泵軸的繞流阻力，應(yīng)利用戶管和管道的合理設(shè)計(jì)，避免施工誤差。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為驗(yàn)證本文方法的有效性，在該供水廠設(shè)備維修完成后，分析機(jī)械密封的磨損情況。導(dǎo)軸在密封正常的情況下，由于漏水量遠(yuǎn)低于排水管的排水量，因此不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)軸故障現(xiàn)象，但在長(zhǎng)期運(yùn)行中，如果磨損量超過極限，則會(huì)造成漏水量的上漲。在該供水廠，通過不同機(jī)械密封方法比較密封斷面的運(yùn)行壽命（表1）。

表1 不同機(jī)械密封方法磨損情況對(duì)比

由表1 可知，本文方法更符合研究區(qū)域供水廠的設(shè)備維修實(shí)際情況。

由于動(dòng)靜環(huán)摩擦的規(guī)律復(fù)雜，且靜環(huán)的摩擦面受混合摩擦的影響，水泵在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，因此本文根據(jù)磨損速率得到運(yùn)行壽命進(jìn)而對(duì)機(jī)械斷面進(jìn)行分析。在本文采用的密封組合方法中，與耐磨橡膠靜環(huán)相比，不銹鋼動(dòng)環(huán)的磨損量更大，因此以不銹鋼動(dòng)環(huán)磨損壽命作為機(jī)械密封壽命Id：

其中，p 為端面密封的摩擦結(jié)構(gòu)受到的壓強(qiáng)，（x1，x5）為不同影響因素的影響程度系數(shù)，S 為磨損狀態(tài)對(duì)不銹鋼動(dòng)環(huán)的磨損速率的影響程度系數(shù)，c 為水流含沙量，η0和λ0為動(dòng)環(huán)材料的所能承受的抗斷強(qiáng)度，Δ 為摩擦表面粗糙度。

該供水廠共有調(diào)水灌溉、冬春灌溉、抽排漏水3 個(gè)運(yùn)行階段，根據(jù)式（1）即可得到各個(gè)階段不銹鋼動(dòng)環(huán)的磨損速率：基于可信度，通過程序計(jì)算，得到不銹鋼動(dòng)環(huán)的年磨損量，其極限磨損量為13 mm；基于不銹鋼動(dòng)環(huán)的極限磨損量和年磨損速率，可以得到端面密封的運(yùn)行壽命，進(jìn)而計(jì)算整個(gè)水泵機(jī)組的運(yùn)行壽命（圖1）。

圖1 不銹鋼動(dòng)環(huán)的磨損壽命

由圖1 可知，本文方法選擇的耐磨橡膠靜環(huán)和不銹鋼動(dòng)環(huán)的機(jī)械密封，在98%可信度的條件下磨損壽命為4.3 a，對(duì)供水廠內(nèi)的水泵機(jī)組運(yùn)行壽命在96%可信度時(shí)為4.2 a。由此可見，供水廠水泵機(jī)組的耐久性主要受斷面密封的影響，在本文供水廠進(jìn)行設(shè)備維修前的運(yùn)行壽命為3.5 a，經(jīng)維修后的運(yùn)行壽命明顯增加，證明本文方法具有有效性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過監(jiān)測(cè)供水廠設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，診斷水泵機(jī)組故障，并利用機(jī)械密封技術(shù)進(jìn)行水泵流體泄漏維修，取得了一定研究成果。由于時(shí)間和條件的限制，本文方法還存在著諸多不足，有待于今后繼續(xù)深入探討。例如，未分析水泵經(jīng)常泄漏的原因；在供水廠設(shè)備的檢修中，對(duì)水泵機(jī)組的故障診斷還存在局限性，未對(duì)供水廠設(shè)備的維修周期進(jìn)行研究等。未來(lái)應(yīng)根據(jù)供水廠設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，制定維修周期計(jì)劃，并記錄與統(tǒng)計(jì)水泵機(jī)組關(guān)鍵部件的故障頻率，不斷優(yōu)化對(duì)設(shè)備維修方法，建立水泵機(jī)組的維修評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而更加準(zhǔn)確地判定維修方法的實(shí)施效果。