反沖洗水泵機(jī)械密封泄漏原因分析與對(duì)策

夏 超，李 成，梁 陽(yáng)，明飛翔

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116319)

0 引言

冷源系統(tǒng)的功能是過(guò)濾核電機(jī)組所需的全部海水[1]。某冷源系統(tǒng)反沖洗水泵共有16臺(tái)，預(yù)防性全面解體檢修周期為兩年。自2013年9月至2020年12月，在一臺(tái)泵的兩次預(yù)防性檢修周期之內(nèi)，反沖洗水泵機(jī)械密封共出現(xiàn)故障22次。冷源系統(tǒng)反沖洗水泵的多次故障嚴(yán)重影響了冷源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。如果多臺(tái)反沖洗水泵同時(shí)故障將導(dǎo)致冷源系統(tǒng)失效，嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益與安全運(yùn)行。

因此，分析機(jī)械密封頻繁泄漏故障的原因，制定有效的方案及措施提升設(shè)備的安全可靠性，成為亟待解決的重要問(wèn)題。

1 機(jī)械密封頻繁泄漏原因分析

1.1 機(jī)械密封泄漏的直接原因

機(jī)械密封主要是在動(dòng)環(huán)、靜環(huán)兩個(gè)部分的支撐下，對(duì)設(shè)備內(nèi)外壓力進(jìn)行平衡的過(guò)程[2]。機(jī)械密封由圖1中的1靜環(huán)、2動(dòng)環(huán)、3彈簧、4彈簧座、5緊定螺釘、6動(dòng)環(huán)輔助密封圈、7防轉(zhuǎn)銷(xiāo)、8靜環(huán)輔助密封圈和9壓蓋等元件組成。機(jī)械密封是依靠彈簧對(duì)動(dòng)靜環(huán)端面密封的預(yù)緊和介質(zhì)壓力與彈性元件壓力的壓緊，達(dá)到密封的一種軸向端面密封裝置，所以又被稱為端面密封[3]。

圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)圖

機(jī)械密封輸送的介質(zhì)可能泄漏的途徑有圖1中的A、B、C、D四個(gè)通道。

A通道：是動(dòng)環(huán)與靜環(huán)的端面彼此貼合作相對(duì)滑動(dòng)的動(dòng)密封，它是機(jī)械密封裝置中的主密封，也是決定機(jī)械密封性能和壽命的關(guān)鍵。

B通道：是動(dòng)環(huán)與軸之間的密封，當(dāng)端面摩擦磨損后，它僅僅能追隨補(bǔ)償環(huán)沿軸向作微量的移動(dòng)，實(shí)際上仍然是一個(gè)相對(duì)靜密封。

C、D通道：分別是靜環(huán)與壓蓋、壓蓋與機(jī)封函體之間的密封，二者均為靜密封。靜密封元件最常用的有O形橡膠圈或聚四氟乙烯墊片，作為補(bǔ)償環(huán)的動(dòng)環(huán)或靜環(huán)輔助密封，也采用兼?zhèn)鋸椥栽δ艿南鹉z或聚四氟乙烯材料。

解體檢查發(fā)生泄漏故障的機(jī)械密封。發(fā)現(xiàn)部分故障的機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)及靜環(huán)表面存在細(xì)砂顆粒(如圖2、圖3)，動(dòng)靜環(huán)密封面存在磨損情況。分析此種情況機(jī)械密封泄漏故障的主要原因?yàn)椋悍礇_洗水泵正常運(yùn)行期間，含有細(xì)砂雜質(zhì)的海水進(jìn)入機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)端面，細(xì)砂雜質(zhì)進(jìn)入摩擦副端面起研磨劑的作用，加速了密封面的磨損。當(dāng)密封面磨損到一定程度時(shí)，輸送海水就從A通道泄漏，機(jī)械密封失效。

圖2 動(dòng)環(huán)端面表面雜質(zhì) 圖3 靜環(huán)表面雜質(zhì)

除此之外，絕大部分故障的機(jī)械密封存在如下缺陷情況：解體檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)輔助密封圈、彈簧、軸套以及補(bǔ)償環(huán)處有大量的泥沙。補(bǔ)償環(huán)追隨性差，徒手無(wú)法按動(dòng)(如圖4、圖5)。分析此種情況機(jī)械密封泄漏的主要原因?yàn)椋河捎诖罅磕嗌车亩逊e阻礙了彈簧和輔助密封圈的運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致補(bǔ)償環(huán)的追隨性和浮動(dòng)性下降；同時(shí)，由于機(jī)械密封動(dòng)環(huán)的內(nèi)徑和軸套之間的間隙較小，介質(zhì)中的泥沙雜質(zhì)不能及時(shí)排出，導(dǎo)致雜質(zhì)堆積、阻塞，阻礙了輔助密封圈的運(yùn)動(dòng)[4]。此時(shí)輸送的海水就從B通道泄漏，從而導(dǎo)致機(jī)械密封失效。

圖4 機(jī)械密封拆解狀態(tài) 圖5 補(bǔ)償環(huán)

1.2 機(jī)械密封泄漏的促成因素

該冷源系統(tǒng)反沖洗水泵機(jī)械密封所使用的沖洗方案為API PLAN01。機(jī)械密封的沖洗是一種控制溫度、延長(zhǎng)機(jī)械密封壽命的最有效措施。沖洗的目的在于帶走熱量，降低密封腔溫度，防止液膜氣化，改善潤(rùn)滑條件，防止干運(yùn)轉(zhuǎn)、雜質(zhì)沉積和氣囊形成[5]。所以機(jī)械密封沖洗系統(tǒng)具有控制溫度及壓力、改善潤(rùn)滑、控制腐蝕及磨蝕、除雜防垢、防止污染等作用[6]。

但是原機(jī)械密封的沖洗方案并沒(méi)有起到控制磨蝕及除雜防垢的作用。根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)的API610《石油、石化和天然氣工業(yè)用離心泵》和API682《用于離心泵和回轉(zhuǎn)泵的泵-軸封系統(tǒng)》中對(duì)工業(yè)用泵的密封沖洗系統(tǒng)的規(guī)定[7-8]。API PLAN01方案只推薦用于清潔液體，且不適用于立式泵。而此反沖洗水泵為立式泵，且輸送的介質(zhì)為含沙較多的海水。所以這種機(jī)械密封的沖洗方案并不適用于這種介質(zhì)環(huán)境。機(jī)械密封沖洗方案選擇不當(dāng)是機(jī)械密封頻繁泄漏的促成因素。

根據(jù)以上情況分析導(dǎo)致冷源系統(tǒng)反沖洗水泵機(jī)械密封頻繁泄漏的根本原因?yàn)椋?)泵取水介質(zhì)中含砂量大，雜質(zhì)較多；2)機(jī)械密封設(shè)計(jì)的沖洗方案API PLAN01選擇不當(dāng)，不適用于此種介質(zhì)輸送的密封。

2 機(jī)械密封頻繁泄漏問(wèn)題解決對(duì)策

根據(jù)上文分析的根本原因，在含沙海水介質(zhì)的條件無(wú)法改變的前提下，我們制定解決方案的方向?yàn)椋?)消除進(jìn)入機(jī)械密封內(nèi)介質(zhì)中的雜質(zhì)；2)選用耐磨材料的機(jī)械密封或填料密封，降低含雜質(zhì)的介質(zhì)對(duì)密封的影響；3)隔離含雜質(zhì)的介質(zhì)，使雜質(zhì)無(wú)法附著在動(dòng)環(huán)組件與軸套上。

下面就這三個(gè)方向分別制定解決方案。

2.1 消除進(jìn)入機(jī)械密封內(nèi)介質(zhì)中的雜質(zhì)

由于冷源反沖洗水泵輸送的是含沙較多的海水。為了能夠減輕或去除機(jī)械密封內(nèi)海水中的顆粒性雜質(zhì)，需選擇除雜防垢能力較強(qiáng)的機(jī)械密封沖洗方案。而常用的沖洗方案中PLAN12、PLAN31、PLAN32均具有一定的去除顆粒的作用。PLAN12設(shè)置的過(guò)濾器可以起到過(guò)濾雜質(zhì)的作用，但是考慮到不適用于立式泵，因此排除此方案；PLAN31通過(guò)設(shè)置旋液分離器對(duì)顆粒等雜質(zhì)進(jìn)行分離去除；PLAN32為引入外界潔凈的介質(zhì)沖洗，從而避免輸送介質(zhì)中的顆粒雜質(zhì)對(duì)機(jī)械密封的影響。

下面就PLAN31、PLAN32方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論。

1)采用PLAN31，原理如圖6：由出口引沖洗水，中間增加懸液分離器，分離出的雜質(zhì)排至泵入口。

優(yōu)點(diǎn)：保證機(jī)械密封沖洗水清潔度。同時(shí)，大量的機(jī)械密封沖洗水可保證機(jī)封內(nèi)雜質(zhì)及時(shí)清除。

缺點(diǎn)：泵出口設(shè)置沖洗水接口的位置至機(jī)械密封的距離較短，增加懸液分離器空間不足；引入懸液分離器增加設(shè)備故障點(diǎn)；懸液分離器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)介質(zhì)的清潔能力無(wú)法確認(rèn)，有待驗(yàn)證。

2)采用PLAN32，原理如圖7：采用干凈的外接沖洗水可直接對(duì)密封面進(jìn)行冷卻、沖洗。

圖7 PLAN32原理

優(yōu)點(diǎn)：可解決由于機(jī)械密封處排氣不足無(wú)冷卻介質(zhì)的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)機(jī)械密封處的雜質(zhì)進(jìn)行沖洗；外接沖洗水還可以改善端面的潤(rùn)滑性能。

缺點(diǎn)：接外來(lái)沖洗水的消耗量大，需合理計(jì)算用量；沖洗水接口位置需合理設(shè)計(jì)，不可直接沖刷機(jī)械密封的密封面，導(dǎo)致密封面損壞。

2.2 降低介質(zhì)雜質(zhì)對(duì)密封的影響

由于介質(zhì)中的雜質(zhì)顆粒物對(duì)機(jī)械密封的動(dòng)靜環(huán)密封面造成磨損，可考慮以下措施改進(jìn)：1)選擇耐磨的摩擦副材料，常見(jiàn)的耐磨材料主要有氮化物和碳化硅；2)可以通過(guò)增加擋砂環(huán)或者在葉輪后蓋板處增加副葉片，降低顆粒物對(duì)密封件的磨損[9]。上述方案可以在一定程度上延長(zhǎng)密封面的壽命，防止密封面被顆粒物磨損從而導(dǎo)致介質(zhì)從A通道泄漏。但是，這兩種方案都無(wú)法解決補(bǔ)償環(huán)跟隨性下降的問(wèn)題。

填料密封俗稱盤(pán)根密封，是通過(guò)預(yù)緊或介質(zhì)壓力的自緊作用使填料與轉(zhuǎn)動(dòng)件部件之間產(chǎn)生壓緊力的動(dòng)密封裝置。

填料密封能起到密封作用的原理主要是軸承效應(yīng)和迷宮效應(yīng)。軸承效應(yīng)是指填料被填料壓蓋壓縮后，填料中浸漬的潤(rùn)滑劑被擠出，在接觸面之間形成油膜。由于接觸狀態(tài)并不是特別均勻，接觸部位便出現(xiàn)“邊界潤(rùn)滑”狀態(tài)，使填料和軸形成類(lèi)似于滑動(dòng)軸承的關(guān)系，這樣填料和軸就不會(huì)因?yàn)檫^(guò)度摩擦而出現(xiàn)磨損；迷宮效應(yīng)則是指，由于軸的表面微觀狀態(tài)下存在許多非常小的凹坑，填料和軸只能達(dá)到部分貼合而無(wú)法完全貼合，在填料和軸之間存在著許多極為微小的間隙，這些間隙就形成了迷宮帶，介質(zhì)在其中被多次節(jié)流，從而達(dá)到密封的效果[10]。

根據(jù)填料密封的原理及現(xiàn)場(chǎng)含沙海水介質(zhì)的情況，可將軸封形式改造成填料密封。

優(yōu)點(diǎn)：在滿足冷源系統(tǒng)鼓形濾網(wǎng)沖洗效果的情況下，對(duì)反沖洗水泵的軸封泄漏量沒(méi)有過(guò)于嚴(yán)格的要求；填料密封的使用要求較低，可以在不解體泵體的情況下進(jìn)行盤(pán)根更換工作；盤(pán)根的材料化學(xué)穩(wěn)定性好。不易被介質(zhì)所腐蝕、泡脹，也不污染介質(zhì)，填料本身不腐蝕密封面；填料密封相較于機(jī)械密封制造簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。

缺點(diǎn)：改造較多；填料密封也需要外來(lái)沖洗水，需考慮沖洗水用量；盤(pán)根易松脫，需要經(jīng)常緊固盤(pán)根壓蓋保證密封效果。

2.3 隔離含雜質(zhì)的介質(zhì)

可以將機(jī)械密封補(bǔ)償環(huán)彈簧與含沙水脫離開(kāi)。避免雜質(zhì)阻礙彈簧、銷(xiāo)和輔助密封圈的運(yùn)動(dòng)?？梢詫⒃瓩C(jī)械密封換型為彈簧隱藏式機(jī)械密封。新舊機(jī)械密封彈簧位置如圖8、圖9。

圖8 原型機(jī)封圖

圖9 新型機(jī)封圖

新的機(jī)械密封形式可避免補(bǔ)償環(huán)與海水接觸，避免沙子進(jìn)入彈簧、銷(xiāo)和輔助密封圈進(jìn)而導(dǎo)致補(bǔ)償環(huán)的追隨性和浮動(dòng)性下降。

優(yōu)點(diǎn)：改造較少；正常工況下可以保證機(jī)封彈簧脫離海水。

缺點(diǎn)：未能治本，啟停階段含沙海水有可能進(jìn)入動(dòng)靜環(huán)之間導(dǎo)致密封面磨損，無(wú)法完全避免雜質(zhì)損壞機(jī)封；飛濺的海水附著在彈簧及輔助密封圈上，長(zhǎng)時(shí)間累積的海水結(jié)晶后也會(huì)造成補(bǔ)償環(huán)追隨性下降。

2.4 方案總結(jié)

綜合上述幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析，對(duì)解決冷源系統(tǒng)反沖水泵頻繁漏水問(wèn)題的方案進(jìn)行整理，推薦優(yōu)先級(jí)由上至下，如表1。

表1 機(jī)械密封泄漏問(wèn)題解決方案

由于機(jī)械密封換型為彈簧隱藏式機(jī)械密封的方案改造工作量小，現(xiàn)場(chǎng)決定選取一臺(tái)反沖洗水泵實(shí)施此種方案。但是實(shí)踐中，在設(shè)備運(yùn)行15個(gè)月后再次出現(xiàn)機(jī)械密封泄漏故障，并未達(dá)到兩年檢修周期內(nèi)無(wú)故障的要求。對(duì)故障機(jī)械密封解體檢查，發(fā)現(xiàn)輔助密封圈卡澀，彈簧的彈力不足，補(bǔ)償環(huán)內(nèi)有少量介質(zhì)結(jié)晶，隨動(dòng)性差。介質(zhì)從B通道泄漏，密封失效。

實(shí)踐證明在缺少?zèng)_洗水清潔的情況下，無(wú)論是介質(zhì)自帶的雜質(zhì)，還是介質(zhì)凝結(jié)的結(jié)晶，都會(huì)造成機(jī)械密封彈簧卡澀，補(bǔ)償環(huán)追隨性下降，密封失效。

機(jī)械密封換型為彈簧隱藏式機(jī)械密封的方案在實(shí)踐中效果不太理想，更合適的機(jī)械密封選型升級(jí)方案有待與機(jī)械密封的制造廠家進(jìn)一步探討。

3 結(jié)束語(yǔ)

水泵機(jī)械密封故障相關(guān)問(wèn)題長(zhǎng)期存在，需要不斷的在實(shí)踐中探索，通過(guò)對(duì)機(jī)械密封換型、機(jī)械密封沖洗方案優(yōu)化及設(shè)備密封形式改造等措施的執(zhí)行，不斷優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。