某船脫硫裝置藥劑泵機械軸封泄漏原因分析及改進措施

中圖分類號：U672.2

文獻標志碼：A

Analysis and Improvement Measures for Mechanical Shaft Seal Leakage of Desulfurization Unit Chemical Pump on a Ship

YANG Hangbing，LIANG Zhanxin， YANG Jundong， CHEN Lishan， HE Shouan （Guangzhou WenchongDockyard Co.，Ltd.，Guangzhou511462， China）

Abstract：Severe mechanical shaft seal leakage in the chemical pump of a desulfurization unit on a retrofitted seriesof ships significantlyafected the normal operation of the desulfurization chemical system.Investigation and analysis revealed that the primary causes included improper model selection of the mechanical shaft seal， incorrect installation，and suboptimal chemical condition. After implementing targeted improvement measures based on these causes，the leakage issue was successfully resolved.

Key words： chemical pump; mechanical shaft seal; leakage; repair and improvement

1 引言

某大型集裝箱船在我司完成混合式脫硫裝置改裝后，船東反饋在營運過程中，脫硫裝置藥劑泵機械軸封發(fā)生嚴重泄漏，對脫硫裝置的正常運行造成了嚴重的影響。本文結合對該藥劑泵進行維保時的檢修情況，對藥劑泵軸封的泄漏原因進行分析，對機械軸封存在的選型不當、安裝質(zhì)量欠佳和輸送的藥劑狀態(tài)不理想問題提出了改進措施，滿足了藥劑泵的正常運行。

2 藥劑泵軸封結構

該船脫硫系統(tǒng)藥劑泵軸封為機械軸封。機械軸封是由至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面組成，在流體壓力及補償機構彈力（或磁力）共同作用下，使該對端面保持貼合并相對滑動，從而構成防止流體泄漏的裝置。

該船脫硫系統(tǒng)藥劑泵機械軸封基本結構如圖1所示，主要由 ① 動環(huán)、 ② 動環(huán)密封圈、 ③ 動環(huán)彈簧、 ④ 彈簧座、 ⑤ 動環(huán)緊固螺釘、 ⑥ 靜環(huán)、 ⑦ 靜環(huán)密封圈、⑧ 防轉(zhuǎn)銷等部件組成。其中 ① 動環(huán)、 ② 動環(huán)密封圈、③ 動環(huán)彈簧、 ④ 動環(huán)彈簧座、 ⑤ 動環(huán)緊固螺釘?shù)炔糠譃闄C械軸封動環(huán)的組成部分； ⑥ 靜環(huán)、 ⑦ 靜環(huán)密封圈、⑧ 防轉(zhuǎn)銷等為靜環(huán)的組成部分。動環(huán)隨泵的旋轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動并且能夠為機械軸封提供軸向補償量，靜環(huán)通過防轉(zhuǎn)銷固定在端蓋上以防正靜正環(huán)轉(zhuǎn)動。

3機械軸封常見的泄漏途徑

從機械軸封結構看，泵內(nèi)液體通過機械軸封可能泄漏的點歸納為以下四點，即圖1中的泄漏點I、泄漏點Ⅱ、泄漏點ⅢI、泄漏點V。

1）泄漏點1是動環(huán)與靜環(huán)的端面保持貼合并相對滑動的動密封點。它是機械密封裝置中的主密封，也是決定機械密封性能和壽命的關鍵。2）泄漏點Ⅱ是動環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸或軸套之間的密封，當動環(huán)和靜環(huán)接觸端面發(fā)生摩擦磨損之后，它僅僅能追隨動環(huán)沿軸向作微量的移動，使軸向密封面始終保持貼合，實際上仍然是一個相對靜止的靜密封點。3）泄漏點Ⅲ是靜環(huán)與端蓋之間的密封，密封圈與配合件之間相對靜止，是一個靜密封點。該處的泄露常常與輔助密封圈材質(zhì)、選型及安裝有關。4）泄漏點V是泵殼體與端蓋之間的密封，密封圈與配合件之間相對靜止，也是一個靜密封點。該處的泄露常常與輔助密封圈材質(zhì)、選型及安裝有關。

4 藥劑泵機械軸封泄漏原因分析

機械密封是一種要求較高的精密部件，對設計、機械加工、裝配質(zhì)量、運行環(huán)境都有很高的要求。在對機械密封泄漏原因進行排查分析時，應從全局考量，分析使用機械密封的各種因素，逐項排查，這樣才能找出軸封泄漏的關鍵問題所在。

4.1機械軸封泄漏情況檢查

在對藥劑泵機械軸封進行拆檢修理之前，首先對泵進行靜止狀態(tài)時的泄漏檢查、手動盤車時的泄漏檢查及泵運行時的泄漏檢查，檢查結果如下。

1）泵靜止狀態(tài)時的泄漏檢查：在泵靜止時，端蓋與殼體之間的接觸面縫隙有液體滲出，泵軸處有液體流出。

2）手動盤車時的泄漏檢查：在對泵進行手動盤車時，泵軸處仍有液體流出且流出液體量變化明顯。

3）泵運行時的泄漏檢查：在泵運行時，泵軸處仍有液體流出且流出液體量減少。在對泵的泄漏情況進行檢查后，我們對泵的機械軸封進行了拆檢，發(fā)現(xiàn)機械軸封各部件有以下狀況。

1）端蓋與殼體之間密封圈及靜環(huán)與端蓋之間的密封圈變硬并且已經(jīng)產(chǎn)生裂紋。

2）動環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)摩擦，旋轉(zhuǎn)軸上磨損痕跡明顯。

3）動環(huán)與靜環(huán)接觸面磨損嚴重且有氫氧化鎂藥劑

結晶顆粒附著在動靜環(huán)接觸面。

4.2造成機械軸封泄漏的原因分析

對照藥劑泵機械軸封的泄漏情況檢查及拆檢結果，從以下幾個泄漏點對藥劑泵機械軸封泄漏的原因進行分析。

1）對應泄漏點I，動環(huán)與靜環(huán)之間的動密封泄漏。在對藥劑泵機械軸封的動、靜環(huán)拆檢過程中發(fā)現(xiàn)動、靜環(huán)動密封接觸面磨損嚴重，結合脫硫藥劑系統(tǒng)運行狀態(tài)，歸納動、靜環(huán)密封端面受到破壞的原因有如下幾點：

（1）密封端面比壓過大。機械密封對動、靜環(huán)摩擦密封端面的加工要求很高，同時為了使密封端面間保持必要的潤滑液膜，必須嚴格控制動靜環(huán)接觸密封端面比壓，壓力過大，不易形成穩(wěn)定的潤滑液膜，會加速端面的磨損；壓力過小，泄漏量增加。所以，要獲得良好的密封性能又有足夠壽命，在設計和安裝機械密封時，一定要保證端面單位面積壓力值在最適當?shù)姆秶Ｓ捎趶椈杀葔捍笥诿芊舛嗣姹葔?，使密封端面比壓過大，潤滑液膜氣化，接觸端面間難以形成有效潤滑，造成動、靜環(huán)密封端面磨損嚴重；

（2）輸送介質(zhì)含固體顆粒雜質(zhì)。脫硫系統(tǒng)藥劑泵所輸送的介質(zhì)為氫氧化鎂水溶劑，氫氧化鎂是一種工業(yè)上用途廣泛的一種化工原料，在環(huán)保方面可作為煙氣脫硫劑，代替燒堿和石灰作為含酸廢水的中和劑。氫氧化鎂為無機物，化學式為 ，在工業(yè)上其固體是一種白色無定形粉末或無色六方柱晶體，溶于稀酸和銨鹽溶液，幾乎不溶于水，在水中的懸濁液稱為氫氧化鎂乳劑，溶于水的部分完全電離，水溶液呈堿性[2。鑒于氫氧化鎂難溶于水的特性，脫硫所使用的氫氧化鎂溶液極易發(fā)生沉淀且容易形成堅硬的固體顆粒。在該脫硫藥劑系統(tǒng)中使用的氫氧化鎂藥劑濃度為 35% ，該藥劑為船方采購的 65% 濃度藥劑兌水調(diào)配而成。在藥劑使用過程中發(fā)現(xiàn)兌水調(diào)配后的藥劑極易發(fā)生沉淀，在系統(tǒng)運行一段時間之后會形成很多堅硬的固體顆粒，這些固體顆粒雜質(zhì)在泵運行的過程中進入了動、靜環(huán)密封端面（在軸封動、靜環(huán)的拆檢過程中可以看到接觸面存在固體顆粒），固體顆粒在滑動密封面相對運動過程中劃傷動、靜環(huán)密封面，造成密封面磨損；

（3）動環(huán)密封圈過緊。在藥劑泵機械軸封的拆檢過程中發(fā)現(xiàn)動環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸之間發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)摩擦，且在旋轉(zhuǎn)軸上磨損痕跡明顯。從這點可以判斷，當動、靜環(huán)密封端面接觸過緊時，由于動環(huán)密封圈過緊，致使動環(huán)不能補償磨耗位移，動、靜環(huán)接觸面之間的摩擦力導致動環(huán)脫速（動環(huán)轉(zhuǎn)速比旋轉(zhuǎn)軸慢）情況，出現(xiàn)動環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸之間發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)、摩擦，并引起動環(huán)卡緊螺栓在旋轉(zhuǎn)軸上留下明顯的磨損痕跡。動環(huán)密封圈過緊將導致動環(huán)彈簧失去調(diào)節(jié)動環(huán)進行軸向補償動、靜環(huán)接觸面磨損的功能，導致動、靜環(huán)接觸面緊密接觸，發(fā)熱量增多，造成密封面磨損及熱變形。當然動環(huán)密封圈過緊除了與動環(huán)本身問題之外，還與輸送介質(zhì)的狀態(tài)有關，如果輸送介質(zhì)所含雜質(zhì)顆粒過多，雜質(zhì)顆粒在軸上面的堆積速度過快卡住動環(huán)密封圈，致使動環(huán)軸向移動困難不能補償磨耗位移，也會造成動、靜環(huán)密封端面損壞。

2）對應泄漏點Ⅱ、泄漏點Ⅲ、泄漏點N相對于動、靜環(huán)之間的動密封面泄漏，靜密封泄漏的原因往往簡單得多，常常與靜密封密封圈的安裝、材質(zhì)及選型有關。靜密封的失效原因有如下幾點：

（1）密封圈材質(zhì)選擇不合理。從設備資料了解到，靜密封所使用的材質(zhì)為丁腈橡膠材質(zhì)。由于藥劑泵所輸送的流體為氫氧化鎂溶劑，并且在藥劑系統(tǒng)運行過程中為了防止氫氧化鎂藥劑沉淀，需對氫氧化鎂溶劑進行加熱，因此藥劑泵中輸送的流體為堿性且較高溫狀態(tài)氫氧化鎂藥劑，然而丁腈橡膠耐腐蝕及高溫效果較差，在這種狀態(tài)下流體對靜密封的密封圈造成腐蝕及老化作用極其明顯，這也可以從我們拆檢機械密封密封圈所看到的密封圈變硬、開裂等狀況得到驗證；

（2）密封圈安裝質(zhì)量不好。在泄漏檢查過程中，我們發(fā)現(xiàn)機械軸封端蓋和泵體之間有流體從密封面之間滲出，經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)軸封端蓋和泵體之間的接觸間隙也比較大，某些位置用塞尺都能夠插入。因此，除了密封圈老化導致的泄漏之外，可以認定密封圈的安裝效果也沒有達到應有的技術要求。

接觸面液膜反力進行計算，根據(jù)計算結果更換合適彈簧比壓的動環(huán)型號，使動、靜環(huán)密封端面比壓達到最佳狀態(tài)（端面比壓選取原則：高于彈簧比壓；大于介質(zhì)在端面溫度升高時的飽和蒸汽壓）。針對動、靜環(huán)密封面磨損嚴重狀況，選導熱性良好、端面硬度足夠、摩擦系數(shù)較小、自潤滑性良好及耐腐蝕性能良好的動、靜環(huán)。

2）優(yōu)化藥劑泵輸送的藥劑的狀態(tài)。該系列脫硫藥劑系統(tǒng)所使用的 35% 濃度氫氧化鎂藥劑是用 65% 濃度的藥劑兌水調(diào)配而成，藥劑系統(tǒng)運行過程中發(fā)現(xiàn)經(jīng)過兌水調(diào)配之后的低濃度藥劑比原來的高濃度藥劑更易發(fā)生沉淀，形成結晶顆粒。經(jīng)過各方調(diào)查得出的結論是高濃度藥劑兌水之后破壞了藥劑溶劑中的懸浮劑，導致藥劑發(fā)生急劇沉淀。針對于脫硫藥劑所存在的問題，在藥劑泵軸封維修過后，把藥劑系統(tǒng)所有藥劑都清空，對藥劑艙進行徹底清倉及清潔，再對整個藥劑系統(tǒng)進行串水清洗，徹底清除藥劑系統(tǒng)和藥劑艙中的雜質(zhì)，并從廠家處重新采購防沉淀效果良好的 35% 濃度氫氧化鎂藥劑應用于藥劑系統(tǒng)。為了進一步優(yōu)化藥劑泵中輸送藥劑的狀態(tài)，在藥劑泵人口前新增一個濾器，最大程度的減少藥劑泵中輸送藥劑的沉淀結晶顆粒。

3）正確裝配及調(diào)整動環(huán)。動環(huán)安裝步驟：（1）檢查旋轉(zhuǎn)軸光潔度及測量旋轉(zhuǎn)軸直徑；（2）對旋轉(zhuǎn)軸進行打磨和清潔，保證旋轉(zhuǎn)軸的光潔度；（3）測量新動環(huán)內(nèi)徑和尺寸確保和旋轉(zhuǎn)軸匹配；（4）安裝動環(huán)前在動環(huán)內(nèi)部密封圈處涂抹潤滑油；（5）按照技術要求安裝和固定動環(huán)；（6）調(diào)整動環(huán)安裝，在保證動環(huán)密封圈密封效果的前提下，使動環(huán)能夠在旋轉(zhuǎn)軸上靈活移動。

4）更換靜密封密封圈材質(zhì)。藥劑泵先前使用的靜密封密封圈材質(zhì)為丁晴橡膠，在藥劑泵運行工況下易腐蝕、老化，此次維修把動環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸、靜環(huán)與端蓋及端蓋與殼體之間的靜密封密封圈換新材質(zhì)更換為更加耐腐蝕的氟橡膠。

5 改進措施

根據(jù)原因分析，藥劑泵機械軸封發(fā)生泄漏的點和常見的泄漏途徑吻合，發(fā)生泄漏的原因涉及多方面因素，總的來說和藥劑泵的運行參數(shù)和系統(tǒng)環(huán)境有很大的關聯(lián)。本次的改進措施也是針對藥劑泵的運行參數(shù)和系統(tǒng)環(huán)境而實施的，使藥劑泵機械軸封各部件的選擇及安裝匹配藥劑系統(tǒng)的運行環(huán)境。

1）更換藥劑泵機械密封動、靜環(huán)材質(zhì)，調(diào)整動、靜環(huán)密封端面比壓。針對端面比壓過大，咨詢并反饋專業(yè)廠家，根據(jù)藥劑泵輸送流體狀態(tài)，對動、靜環(huán)的

5）正確裝配靜密封圈。裝配前打磨、清潔靜環(huán)密封圈安裝殼體及端蓋安裝接觸面；測量密封圈及安裝槽尺寸；確保密封圈有一定的壓縮量，同時在擰緊螺母后，端蓋與殼體接觸面靠緊，用塞尺檢查任何位置都無法插入。

6 結語

經(jīng)過采取上述改進措施后，對該藥劑泵進行了靜正試驗、盤車試驗及運行試驗，藥劑泵工作完全正常，沒有發(fā)生泄漏現(xiàn)象。之后的該系列改裝船舶的藥劑泵機械軸封均按照此方法進行處理，取得了滿意的效果。該系列船舶出廠最長時間已有三年，沒有再收到船方關于藥劑泵機械軸封泄漏問題的反饋。

藥劑泵軸封雖然結構簡單，經(jīng)濟實用，但在各部件選型及運行環(huán)境的改善等各方面細節(jié)值得我們關注。在確定機械軸封設計方案時，必須詳盡考慮機械軸封的工作環(huán)境及泵的運行工況，提高機械軸封工作的可靠性

參考文獻

[1]顧永泉.機械密封實用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[2]王清國.無機化學[M].北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2008.