廠用水泵機(jī)械密封磨損分析及改進(jìn)

摘 要：某核電廠用水泵的機(jī)械密封采用含泥沙海水進(jìn)行潤滑、冷卻，存在摩擦副異常磨損、補(bǔ)償彈簧卡澀而導(dǎo)致廠用水泵不可用的問題。鑒于此，結(jié)合機(jī)械密封磨損機(jī)理，分析出造成機(jī)械密封磨損的根本原因，并針對(duì)該原因給出將螺旋密封和迷宮密封運(yùn)用到機(jī)械密封中的解決方案，同時(shí)對(duì)機(jī)械密封沖洗方式進(jìn)行優(yōu)化，為后續(xù)廠用水泵機(jī)械密封的改造及選型提供了參考。

關(guān)鍵詞：含沙海水；機(jī)械密封；螺旋密封；密封沖洗

中圖分類號(hào)：TM623" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）06-0071-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.06.018

0" " 引言

廠用水系統(tǒng)作為核電廠系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是向設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的熱交換器提供冷卻水以支持設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的縱深防御功能。某核電廠用水泵為國內(nèi)制造廠設(shè)計(jì)、制造的多級(jí)、立式、液下長軸泵，采用自沖洗的機(jī)械密封來實(shí)現(xiàn)軸向密封，防止海水泄漏至泵房。此核電所在海域的海水中含有大量泥沙，采用海水自沖洗的方案將加劇機(jī)械密封的磨損，致使機(jī)械密封過早失效。

本文以2號(hào)機(jī)廠用水泵01B機(jī)械密封失效致使廠用水泵不可用為例，分析了機(jī)械密封異常磨損的原因并給出了改進(jìn)建議，為今后處理此問題提供參考。

1" " 廠用水泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)及沖洗方案介紹

廠用水泵機(jī)械密封為單端面非平衡型內(nèi)裝式機(jī)械密封，主要由摩擦副、緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、輔助密封圈、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

該泵設(shè)計(jì)沖洗方案為：

1）API PLAN32+13：PLAN32為外沖洗，PLAN13為反沖洗，兩者相結(jié)合，當(dāng)外接水壓力大于泵本體介質(zhì)壓力時(shí)，進(jìn)水管路止回閥通，外接水對(duì)密封進(jìn)行沖洗。

2）API PLAN14：PLAN14為正向沖洗+反沖洗，當(dāng)外接水壓力小于泵本體介質(zhì)壓力時(shí)，進(jìn)水管路止回閥關(guān)閉，此時(shí)泵體介質(zhì)內(nèi)的海水對(duì)密封進(jìn)行沖洗。

2" " 廠用水泵機(jī)械密封磨損分析

2號(hào)機(jī)廠用水泵01B機(jī)械密封磨損的原因主要為動(dòng)靜環(huán)磨損和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)失效。

2.1" " 動(dòng)靜環(huán)磨損分析

廠用水泵機(jī)械密封外沖洗的水源來自生產(chǎn)水分配系統(tǒng)，設(shè)計(jì)文件顯示生產(chǎn)水分配系統(tǒng)的出口壓力為0.7 MPa，機(jī)械密封沖洗水壓力要求為0.5～0.55 MPa。按照上述設(shè)計(jì)，機(jī)械密封在正常情況下，完全可以用工業(yè)水來沖洗，但是兩者之間布置了較長的管道和閥門，同時(shí)具有較多的用戶，會(huì)造成較大的局部壓力損失，實(shí)際也是如此，當(dāng)廠用水泵運(yùn)轉(zhuǎn)以后，泵的出口壓力（0.5～0.55 MPa）將會(huì)高于沖洗水壓力，致使機(jī)械密封沖洗管路上的止回閥關(guān)閉，海水自動(dòng)沖洗機(jī)械密封。雖然機(jī)械密封采用的是碳化硅對(duì)碳化硅的硬對(duì)硬摩擦副密封，具有一定的耐磨性，但此核電所在海域泥沙含量為3 830～7 396 mg/L，且泥沙顆粒大小不均，長時(shí)間運(yùn)行必然會(huì)導(dǎo)致動(dòng)靜環(huán)的磨損加劇。

同時(shí)，帶有泥沙顆粒的沖洗海水壓力為0.5～0.55 MPa，過大的沖洗速度會(huì)使海水中的泥沙對(duì)靜環(huán)和動(dòng)環(huán)造成沖刷磨損。

2.2" " 補(bǔ)償機(jī)構(gòu)失效分析

由標(biāo)準(zhǔn)JB/T 1472—2023《泵用機(jī)械密封》可知，該廠用水泵機(jī)械密封正常泄漏量為5 mL/h。根據(jù)該海域水質(zhì)分析報(bào)告，海水中含有大量的Cl-、Na+等可溶解物質(zhì)，含量大致為25 g/L，同時(shí)還有大量的泥沙等小型固體懸浮顆粒。由此可知，在機(jī)械密封正常泄漏量Q1=5 mL/h，介質(zhì)只有氯化物，ρ=25 g/L的理想情況下，機(jī)械密封一個(gè)月的泄漏量Q=Q1×24×30=3 600 mL；由于氯化物具有一定的結(jié)晶性，則機(jī)械密封一個(gè)月的泄漏量將會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量為m的結(jié)晶鹽：m=Q×ρ=×25=90 g。

結(jié)晶的鹽會(huì)聚集在傳動(dòng)座上，同時(shí)海水中含有大量的泥沙，一旦泵停運(yùn)，水分就會(huì)逐漸減少，最終導(dǎo)致結(jié)晶鹽與泥沙卡澀動(dòng)環(huán)O型圈與彈簧，使整個(gè)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)動(dòng)作緩慢甚至不動(dòng)作，同時(shí)也會(huì)造成動(dòng)靜環(huán)之間碰撞，導(dǎo)致機(jī)械密封損壞失效。

3" " 廠用水泵機(jī)械密封磨損改進(jìn)建議

根據(jù)以上分析，機(jī)械密封磨損的直接原因?yàn)楹澈Ｋ疀_洗機(jī)械密封，其根本原因在于：外接沖洗水壓力小于機(jī)械密封腔壓力，從而導(dǎo)致海水進(jìn)入自沖洗機(jī)械密封。因此，需要以增大外接沖洗水壓力為主要方式來改善機(jī)械密封的磨損。

本文主要從直接增大外接沖洗水壓力和間接增大外接沖洗水壓力兩方面進(jìn)行分析。

3.1" " 直接增大外接沖洗水壓力（源頭改造）

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，直接增大外接沖洗水壓力主要從生產(chǎn)水分配系統(tǒng)源頭（即生產(chǎn)水泵組）進(jìn)行實(shí)施。

廠用水泵機(jī)械密封沖洗水水源來自生產(chǎn)水分配系統(tǒng)，生產(chǎn)水分配系統(tǒng)的動(dòng)力主要來自生產(chǎn)水泵，生產(chǎn)水泵設(shè)計(jì)流量100 m3/h，揚(yáng)程70 m。理想情況下，泵的出口壓力能滿足廠用水機(jī)械密封沖洗水的要求，但預(yù)處理水廠與循泵房之間管道較長、支路較多、閥門較多等眾多因素導(dǎo)致生產(chǎn)水至廠用水泵機(jī)械密封處的壓力小于0.55 MPa。

因生產(chǎn)水分配系統(tǒng)至廠用水泵機(jī)械密封處沒有壓力表，故廠用水泵機(jī)械密封處的壓力具體數(shù)值無法得知，但生產(chǎn)水分配系統(tǒng)至循泵導(dǎo)軸承密封水處設(shè)置有壓力表，壓力值為0.35～0.4 MPa，兩者距離較近，且共用絕大部分管道和閥門，此數(shù)值近似等于廠用水泵機(jī)械密封處的壓力，故預(yù)處理水廠至廠用水泵機(jī)械密封沖洗口處的最大壓力損失為：

ΔP=0.75-0.35=0.4 MPa

P=ΔP+0.55=0.95 MPa

需要提高生產(chǎn)水泵的出口壓力P來滿足廠用水泵機(jī)械密封沖洗水壓力要求，考慮到出口壓力高的同時(shí)，壓力損失ΔP也會(huì)變大，因此可采用95 m揚(yáng)程的離心泵來滿足要求。

3.2" " 間接增大外接沖洗水壓力（機(jī)械密封改造）

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，間接增大外接沖洗水壓力主要從機(jī)械密封改造方面進(jìn)行實(shí)施。

廠用水泵機(jī)械密封的沖洗，一路為自沖洗，另一路為反沖洗，形成自沖洗、反沖洗的重要原因在于廠用水泵出口壓力大于機(jī)械密封沖洗水壓力。因此，需要一種外接沖洗水進(jìn)入到機(jī)械密封腔室后，機(jī)械密封能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)沖洗水加壓的機(jī)構(gòu)，最終使機(jī)械密封腔室出口處壓力大于泵出口壓力。

目前市場上帶有螺旋結(jié)構(gòu)的機(jī)械密封，其沖洗水一般為介質(zhì)內(nèi)循環(huán)，因此螺旋結(jié)構(gòu)的參數(shù)要求不高，只需略微增壓即可增加流體流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)密封面的冷卻[1]。根據(jù)以上分析及調(diào)研，可以在機(jī)械密封下方增加螺旋密封來實(shí)現(xiàn)對(duì)沖洗水加壓，如圖2所示。

螺旋密封又稱為“粘性密封”，是一種利用流體動(dòng)壓反輸?shù)姆墙佑|密封裝置。當(dāng)軸上螺旋槽（可以簡單理解為泵的葉輪）浸沒在流體介質(zhì)中時(shí)，該軸與流體介質(zhì)構(gòu)成固體螺桿與“流體螺母（流體齒條）”的嚙合，當(dāng)固體螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺桿與流體螺母之間呈相對(duì)運(yùn)動(dòng)，流體螺母被連續(xù)不斷地驅(qū)往所希望的一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)密封功能。其主要參數(shù)主要包括密封半徑間隙、密封直徑、密封長、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、螺紋頭數(shù)、螺旋結(jié)構(gòu)截面形狀、螺旋方向等，通過優(yōu)化參數(shù)之間的關(guān)系（具體參數(shù)如表1所示），可以使壓差達(dá)到0.17 MPa，從而使0.4 MPa的沖洗水通過螺旋結(jié)構(gòu)泵送效應(yīng)增壓至0.57 MPa，大于泵出口壓力（0.5～0.55 MPa）。

4" " 方案對(duì)比

針對(duì)廠用水泵機(jī)械密封異常磨損給出兩種建議方案：

1）直接增大外接沖洗水壓力（源頭改造）方案：此方案需要對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)水泵進(jìn)行改造，根據(jù)上文分析，需要增大葉輪直徑從而增大揚(yáng)程，由于泵體本身尺寸一定，單獨(dú)增大葉輪將會(huì)造成磨損，因此需要整體更換泵與電機(jī)，同時(shí)整個(gè)泵座的基礎(chǔ)需要重新調(diào)整。

2）間接增大外接沖洗水壓力（機(jī)械密封改造）方案：此方案主要是將螺旋密封應(yīng)用在機(jī)械密封中，但通過調(diào)研，目前市場上帶有螺旋密封的機(jī)械密封所輸送的介質(zhì)均為內(nèi)循環(huán)，其泵送壓力有限，因此本文根據(jù)我廠實(shí)際情況對(duì)螺旋密封的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之滿足要求。

兩種方案均可實(shí)現(xiàn)“外接沖洗水壓力大于機(jī)械密封密封腔壓力”的目標(biāo)。但根據(jù)表2機(jī)械密封異常磨損方案對(duì)比，從改造的范圍及影響來看，建議優(yōu)先選擇間接增大外接沖洗水壓力（機(jī)械密封改造）方案。

5" " 結(jié)論

本文對(duì)廠用水泵機(jī)械密封異常磨損問題進(jìn)行了分析，并對(duì)比了直接增大外接沖洗水壓力（源頭改造）和間接增大外接沖洗水壓力（機(jī)械密封改造）兩種處理措施，得出如下結(jié)論：

1）根據(jù)該核電廠用水泵采用含沙海水潤滑冷卻機(jī)械密封的實(shí)際情況，同時(shí)結(jié)合該海域水質(zhì)分析報(bào)告，得出泥沙磨損機(jī)械密封摩擦副和結(jié)晶鹽累積卡澀補(bǔ)償彈簧是造成機(jī)械密封異常磨損的直接原因，通過此直接原因可分析出機(jī)械密封異常磨損的根本原因在于：外接沖洗水壓力小于機(jī)械密封密封腔壓力。

2）直接增大外接沖洗水壓力（源頭改造）方案和間接增大外接沖洗水壓力（機(jī)械密封改造）方案均可實(shí)現(xiàn)工業(yè)水潤滑、冷卻機(jī)械密封，但從改造的范圍及影響來看，建議優(yōu)先選擇間接增大外接沖洗水壓力（機(jī)械密封改造）方案。機(jī)械密封改造具體可從螺旋密封設(shè)計(jì)、迷宮密封設(shè)計(jì)、機(jī)械密封彈簧布置改進(jìn)、機(jī)械密封沖洗方式改進(jìn)等四個(gè)方面來實(shí)施。

3）通過對(duì)廠用水泵機(jī)械密封的改造，可有效避免海水潤滑、冷卻機(jī)械密封，更大程度保證了機(jī)械密封在正常運(yùn)行工況和異常運(yùn)行工況下的可靠性，同時(shí)也為后續(xù)AP1000堆型核電機(jī)組廠用水泵機(jī)械密封的設(shè)計(jì)及選用提供了參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王慧.泵送環(huán)及其在機(jī)械密封中的應(yīng)用[J].化工設(shè)備與管道，2009（增刊2）：67-70.

收稿日期：2024-12-06

作者簡介：耿加森（1990—），男，河南人，工程師，研究方向：核級(jí)水泵檢修。