冷凍水循環(huán)泵機(jī)械密封泄露分析及改進(jìn)措施

摘 要：本文通過(guò)對(duì)冷凍水循環(huán)泵機(jī)械密封泄露原因進(jìn)行分析，找到了機(jī)封端面線速度、機(jī)封端面比壓、輔助沖洗系統(tǒng)等可能導(dǎo)致機(jī)封泄露的影響因素，并最終確定機(jī)封端面比壓過(guò)大是導(dǎo)致冷凍水循環(huán)泵機(jī)封泄露的根本原因。據(jù)此選擇集裝、平衡式的機(jī)封代替原有散裝、非平衡式的機(jī)封，徹底解決了冷凍水循環(huán)泵機(jī)封泄露這一問(wèn)題。

前言

機(jī)械密封是一種防止介質(zhì)從兩相鄰端面間泄露以及防止外部粉塵、雜質(zhì)侵入設(shè)備內(nèi)部的組件。它是流體設(shè)備和動(dòng)力設(shè)備的重要組成部分，對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用，是設(shè)備防泄露、節(jié)能降耗、控制環(huán)境污染的基礎(chǔ)元件。隨著科技的發(fā)展，機(jī)械密封被廣泛應(yīng)用到汽車、船舶、煉化等相關(guān)領(lǐng)域。

制冷站冷水循環(huán)機(jī)組自投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，不斷出現(xiàn)循環(huán)泵機(jī)械密封泄露故障，不僅造成了作業(yè)區(qū)備材采購(gòu)費(fèi)用的升高，而且嚴(yán)重影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。本文通過(guò)對(duì)冷凍水循環(huán)泵大量機(jī)械密封失效實(shí)例進(jìn)行分析，找出了機(jī)械密封失效的根本原因，并提出改進(jìn)措施。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1冷凍水循環(huán)泵

冷凍水循環(huán)泵為單級(jí)、單吸、臥式離心泵，主要組成部分為泵殼、葉輪、機(jī)封、軸承。工作原理如下：泵軸和葉輪在電機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，水在離心力的作用下被拋向葉輪外緣，隨后進(jìn)入蝸形泵殼出口流道，最后被壓入到出口管道中。

1.2冷凍水循環(huán)泵機(jī)械密封

冷凍水循環(huán)泵機(jī)械密封由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、密封圈、壓緊彈簧組成。動(dòng)環(huán)隨泵軸同步旋轉(zhuǎn)，它通過(guò)密封腔內(nèi)的介質(zhì)壓力與靜環(huán)緊密的貼合在一起，并在兩端面之間產(chǎn)生適當(dāng)?shù)谋葔汉鸵粚颖”〉挠湍ぃ鸬矫芊獾淖饔肹1]。泵在停止?fàn)顟B(tài)下，動(dòng)靜環(huán)間通過(guò)壓緊彈簧的壓力保持貼合狀態(tài)，保證介質(zhì)不泄露，并防止雜質(zhì)進(jìn)入密封端面。同時(shí)，壓緊彈簧對(duì)泵的振動(dòng)也能起到緩沖的作用。動(dòng)環(huán)與軸套間的間隙、靜環(huán)與壓蓋間的間隙全部通過(guò)密封圈密封。

2 故障原因分析

2.1泵體振動(dòng)大

泵體振動(dòng)過(guò)大會(huì)給機(jī)封造成以下幾種損害：機(jī)封兩端面間隙過(guò)大，不能形成密封油膜，導(dǎo)致介質(zhì)大量泄露；密封端面容易進(jìn)入雜質(zhì)，加劇端面的磨損，縮短機(jī)封的使用壽命；由于振動(dòng)導(dǎo)致動(dòng)環(huán)與軸套間密封圈疲勞磨損，失去密封效果。

2.2彈簧壓縮量

機(jī)械密封的彈性元件主要起到補(bǔ)償、緩沖的作用。彈性壓力過(guò)大，則機(jī)封兩端面間的潤(rùn)滑油膜厚度變小，密封端面產(chǎn)生大量熱量，加劇機(jī)封的磨損；彈簧壓力過(guò)小，則機(jī)封兩端面間不易形成潤(rùn)滑油膜，起不到密封的作用。因此，要根據(jù)工況正確選擇彈簧的材質(zhì)，確保彈簧的彈性和高溫穩(wěn)定性。

2.3設(shè)計(jì)缺陷

機(jī)械密封自身設(shè)計(jì)存在著缺陷，如端面比壓過(guò)大、端面線速度過(guò)大等都可以加劇機(jī)封端面的磨損，導(dǎo)致機(jī)封的失效。

3 原因確認(rèn)

對(duì)冷凍水循環(huán)泵的各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)值為0.05mm，同心度軸向0.06mm，徑向0.08mm，振動(dòng)恒值0.05mm，從以上數(shù)據(jù)可以排除泵體振動(dòng)對(duì)機(jī)封的影響。同時(shí)，經(jīng)點(diǎn)檢人員確認(rèn)，維檢人員每次安裝機(jī)封時(shí)都保持彈簧壓縮量在總壓縮量的60%左右，符合安裝規(guī)范，排除彈簧壓縮量對(duì)機(jī)封的影響。通過(guò)查找循環(huán)泵運(yùn)行曲線看出，泵介質(zhì)溫度常壓下7度左右，泵入口壓力在0.3MPA左右，排除泵抽空或汽蝕的可能。通過(guò)以上排除，導(dǎo)致機(jī)封損壞的原因可能是自身設(shè)計(jì)缺陷。

3.1密封端面線速度過(guò)大導(dǎo)致機(jī)封磨損加劇

分體式機(jī)械密封M74N/110的線速度計(jì)算公式為：V=，n為水泵轉(zhuǎn)速，r/min；D為機(jī)封外徑，mm；d為機(jī)封內(nèi)徑，mm；M74型機(jī)械密封的密封副端面線速度V<20m/s[2]。經(jīng)過(guò)計(jì)算，V=0.31m/s，在此類型機(jī)封密封副端面線速度要求范圍內(nèi)。

3.2密封端面比壓過(guò)大，導(dǎo)致摩擦副間液膜蒸發(fā)，加劇機(jī)封的磨損。

冷凍水循環(huán)泵參數(shù)：流量200 m3/h，揚(yáng)程50m，轉(zhuǎn)速2900 r/min，泵入口壓力0.15 MPa，泵出口壓力0.3 MPa。

M74N/110型機(jī)械密封參數(shù)：密封端面外徑130 mm，密封端面內(nèi)徑120 mm，滑移距離121 mm，模壓系數(shù)0.5，彈簧比壓0.0137 MPa。

密封端面有效作用面積Ae=π（D2-dh2）；密封端面名義作用面積A=π（D2-d2）。其中，dh為滑移距離，則Ae=17.73cm2，

A=19.62 cm2，載荷系數(shù)K2==0.9。

密封處于干摩擦狀態(tài)下的端面載荷Pg=Psp+[K2P2+（1-K2）P1]，其中Psp為彈簧比壓，P2泵出口壓力，P1為泵入口壓力，則Pg=0.29MPa。

密封處于混合摩擦狀態(tài)下的端面載荷Pc=，其中γ為模壓系數(shù)，則Pc=0.19MPa。

M74N/110型機(jī)械密封端面比壓P≤0.2MPa，此機(jī)封已接近該類型機(jī)封的工作上限，長(zhǎng)期在此工況下運(yùn)行，機(jī)封摩擦副端面無(wú)法形成穩(wěn)定的油膜，機(jī)封易過(guò)快磨損失效。

4 改進(jìn)措施

從冷凍水循環(huán)泵使用說(shuō)明書(shū)中可以看出：泵在理論狀態(tài)下的進(jìn)出口壓力與實(shí)際工況下的進(jìn)出口壓力存在偏差，而機(jī)封是根據(jù)泵在理論工況下運(yùn)行進(jìn)行的選型，與實(shí)際工況不匹配。

通過(guò)對(duì)比M74N/110型機(jī)封的安裝尺寸、密封方式，選擇集裝式、平衡型的CARTEX-SE/110機(jī)封代替原有分體式、非平衡型的機(jī)封

4.1安裝尺寸、密封特性對(duì)比

4.1.1安裝尺寸對(duì)比

M74N/110型機(jī)封安裝軸徑110h8，徑向所需空間140mm；CARTEX-SE/110型機(jī)封安裝軸徑110h6，徑向所需空間135mm。從以上數(shù)據(jù)可以看出，CARTEX-SE/110型機(jī)封密封圈位置更精確，結(jié)構(gòu)更緊湊。

4.1.2密封特性對(duì)比

CARTEX-SE/110型機(jī)封的承載能力為0.25 MPa，遠(yuǎn)大于M74N/110型機(jī)封的承載能力，且同樣工況下功率損耗更低。

4.2CARTEX-SE/110型機(jī)封校核

4.2.1線速度校核

通過(guò)計(jì)算，CARTEX-SE/110型機(jī)封的端面線速度為V=0.45m/s，CARTEX-SE型機(jī)封的端面線速度為V<16 m/s，在此類型機(jī)封密封副端面線速度要求范圍內(nèi)。

4.2.2端面比壓校核

通過(guò)計(jì)算，CARTEX-SE/110型機(jī)封在混合摩擦狀態(tài)下的端面比壓Pc=0.19MPa，CARTEX-SE型機(jī)封的端面比壓Pc<0.25MPa，CARTEX-SE/110型機(jī)封端面比壓在該類型機(jī)封所要求的比壓范圍內(nèi)。

5 總結(jié)

冷凍水循環(huán)泵自改型后未發(fā)生機(jī)封泄露故障，機(jī)械密封改型取得了良好效果。

冷凍水循環(huán)泵機(jī)封頻繁泄露并非機(jī)封質(zhì)量問(wèn)題所引起的，而是由于選型錯(cuò)誤所造成的。在今后工作中，一定要以現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為依托進(jìn)行選型，避免該類問(wèn)題重復(fù)出現(xiàn)。

作者簡(jiǎn)介：

張志偉，1987.03.07，男，河北承德，研究生，信息化與管理創(chuàng)新，單位：首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司冷軋作業(yè)部。