濕法磷酸生產中循環水泵的機封改造與應用

摘 要：對我廠循環水泵在使用填料密封時出現的問題進行分析，提出機械密封改造措施，并對改造后循環水泵的使用情況進行了評述。

關鍵詞：循環水泵 機械密封 應用

1. 填料式循環水泵的使用情況及存在問題

1.1 . 概述

我廠一期30萬噸/年濕法磷酸裝置四臺循環水泵（位號：CJ01001A/B/C/D）采用的是單級雙吸水平中開蝸殼式離心泵，于2005年2月投用。因填料密封結構簡單，更換調整方便，故該四臺泵原設計均采用填料密封。該密封型式主要由填料函、軸套、填料、水封環、填料壓蓋及螺栓等部件組成，它是將填料裝于填料函內，通過填料壓蓋將填料壓緊在軸套的表面。由于軸套表面總有些精糙，其與填料只能部分貼合，而部分未接觸，即形成無數個迷宮。當帶壓介質通過軸表面時，介質被多次節流，憑借“迷宮效應”而達到密封。填料與軸套表面的貼合、摩擦，也類似滑動軸承，故應有足夠的液體進行潤滑，以保證密封有一定的使用壽命，即“軸承效應”，所以，良好的填料密封，是“迷宮效應”和“軸承效應”的綜合。

1.2.1.該泵原設計的冷卻方式為：在泵殼頂部開孔將泵內介質引出，再分別注入兩端填料函內用做填料冷卻水。2005年2月水泵投用初期，水質及工況較好，這種冷卻方式也沒出現太大問題，但隨著水質惡化（見表1），介質含酸量增大，雜質增多，而且其本身溫度已經較高，就不適宜再用介質做冷卻水。而其帶來的直接后果就是：填料頻繁損壞泄漏，外泄漏較大而腐蝕軸承及軸承座，軸套磨損嚴重。檢修工作量及備件消耗量均較大，而且泄漏帶來的環境污染相當嚴重。為解決此問題，我們于2007年7月進行了冷卻水改造：增加密封水加壓泵，并單獨配管至每臺循環水泵的填料函，引入了清潔工藝水做填料冷卻用。

表 1

改造后情況有所好轉，但填料密封屬于接觸式密封，其本身就存在有密封性差、功耗大、磨損軸套、使用壽命短等缺點，運行一段時間后仍會頻繁出現泄漏，擰緊壓蓋螺栓、更換填料均不能解決問題。

1.2.2.循環水泵的泄漏造成的最直接影響就是污染現場環境，不利用我們“清潔文明工廠”的創建；其次，因泄漏會導致軸承及軸承座被酸水腐蝕，檢修頻繁，加大檢修工作量及備件的消耗。維護及檢修工作量較大，檢修費用高。

1.2.3.為徹底解決循環水泵存在的問題，我們提出將其改為機械密封型式，先對CJ01001A泵進行改造試用。

2. 循環水泵的機械密封改造

2.1. 機械密封的特點與優勢

2.1.1.密封性好

機械密封包括動、靜環之間的端面密封及其部件中靜密封組成，其中動環與動環座、動環座與軸之間、靜環與壓蓋與壓蓋之間、壓蓋與泵密封腔端面之間的密封為靜密封，比較容易解決，一般密封性較好。動、靜環之間的端面密封為動密封，是機械密封的核心，其密封端面的表面光潔度和平面度要求都很高，由于兩個端面的緊密貼合，使兩個端面之間形成一個微小的間隙，當有壓介質通過此間隙時，便形成極薄的液膜，造成阻力，阻止介質泄漏，又使端面得以潤滑，減少密封端面的磨損，獲得長周期的密封效果。

2.1.2.不需要調整

機械密封在密封流體壓力和彈性力的作用下，即使摩擦副有磨損，密封端面也能始終自動地保持貼緊。因此，一旦安裝好以后，就不需要經常調整，使用方便，適用于連續化、自動化生產。

2.1.3.摩擦功率消耗小

隨著社會經濟的發展，能源消耗已成為一個不可忽視的、可能制約經濟發展的重大問題，節能降耗也就變得越來越重要。盤根為接觸式密封，它在使用中存在著某些固有的缺點，機械密封由于摩擦副摩擦接觸面積小，又處于半流體潤滑或邊界潤滑狀況，摩擦功率一般僅為填料密封的0.2～0.3左右。

2.1.3.1.雙端機封有兩對摩擦副，結構復雜，需外供封液系統。而單端面機封只有一對摩擦副，結構簡單，安裝及維護方便，故我們選用單端面機封；

2.1.3.2.外裝式密封是機械密封安裝在密封腔外。內裝式密封是機械密封安裝在密封腔內。由于內裝式密封受力情況好，比壓隨介質壓力增加而增加，其泄漏方向與離心力方向相反，故我們選用內裝式機械密封；

2.1.3.3.旋轉式機械密封是補償環隨軸一起轉動。靜止式機械密封是補償環不隨軸一起轉動。而一般情況下，均考慮選用旋轉式機械密封；

2.1.3.4.單彈簧機械密封結構簡單，彈簧可兼起傳動作用，但端面比壓不均勻。多彈簧機械密封結構復雜，彈簧不能兼起傳動作用，但端面比壓均勻，適用于高速運轉。標準密封類型均為多彈簧結構，故我們選取多彈簧機械密封；

K﹥1的機械密封為非平衡型密封，一般非平衡密封只能用于低壓，當密封腔壓力上升時，會將密封端面間的液膜擠出，使密封面很快損壞；

K﹤1的機械密封為平衡型密封，內裝式密封軸上的臺階使密封端面沿徑向內移但不減少密封面的寬度。密封的開啟力不變，但由于動環有較大的面積暴露在液體中，因此，閉合力被平衡了相當一部分。

2.1.3.6.從上可知，我們選取的機械密封為單端內裝旋轉多彈簧式平衡型機械密封。

2.3 . 機械密封改造（AIGI專利集裝式機封）

經與多家機械密封制造廠商進行探討后，我們最終選定“艾志工業技術集團”生產的“AIGI專利集裝式機封”，該機械密封結構型型式如圖1：

2.3.1.“AIGI專利集裝式機封”的特點：

2.3.1.1.集裝式結構，使安裝簡單、可靠；

2.3.1.2.平衡式結構在壓力驟變時會減輕密封介質壓力對密封端的影響；

2.3.1.3.非熱鑲式的動、靜環結構，杜絕了在溫度變化大以及有振動等特殊情況下，環面發生脫落或損傷的現象；

2.3.1.4.定位裝置可避免人為安裝產生的誤差，保證機械密封精確的端面比壓與可靠性，有效保證機械密封的長周期運行；

2.3.1.5.多個小彈簧結構，且不與介質接觸；

2.3.1.6.專利的定位以及合理的端面比壓，確保了密封的壽命與低排放要求；

2.3.2.其性能參數為：

最高溫度可達200℃；密封圓周線速度25m/s；最高壓力可達40Kg；

2.3.3.材質選擇：

2.3.4.“AIGI專利集裝式機封”改造的可行性驗證

下面我們通過機械密封的兩個主要性能參數來判斷機械密封改造是否可靠：

2.3.4.1.PCV值

端面比壓PC與密封端面平均線速度V的乘積，表征了密封端面實際工作狀態。端面的發熱量和摩擦功率直接與PCV成正比，該值過大會引起端面液膜汽化或使邊界膜失向而造成附膜脫落，導致端面摩擦副直接接觸而產生急劇磨損。它是設計時考慮的一個重要指標，其值必須小于許用[PCV]。由設計手冊可知：碳化硅材料的摩擦副的許用[PCV]為14.5

在允許范圍內。

2.3.4.2.泄漏率

機械密封的泄漏率是指單位時間內通過主密封和輔助密封泄漏的流體總量，是評定密封性能的主要參數，但目前尚無統一的標準，實際使用主要取決于密封介質的特性和運行的環境。設計手冊中規定了平均泄漏率，在軸（軸套）外徑大于50mm時，不大于5ml/h；軸（軸套）外徑不大于50mm時，不大于3ml/h。

我們循環水泵的軸套外徑為125mm，通過現場實際驗證，外泄漏為0。

2.3.5.循環水泵機封改造的現場實施

2.3.5.1.我廠循環水泵有4臺，為三開一備。我們于2012年9月先對備用泵CJ01001A實施改造。因該密封結構簡單，安裝方便，無需改動泵的其它零部件，只將原來的填料取出，取消密封壓蓋，將機械密封直接安裝在原填料函上即可。

2.3.5.2.CJ01001A完成改造后，連續運行了4個月，于2013年1月我們進行效果評價，認為改造成功。然后逐臺對另3臺循環水泵實施同類型改造，于2013年3月全部改造完畢。

3 . 機封改造后的經濟性分析

可見，泵的運行效率得到大幅提升。

3.3. 節能分析

通過表3電流對比，我們可知，電能下降約7.3%，以一臺泵每年運行330天計算，一年所降能耗為電機功率800Kw ×7.3% × 24h × 330天 = 462528Kw ，以每度電0.8元計算，一年節約生產成本可達370022.4元，遠遠高于機械密封改造的成本。

3.4. 備件消耗

2012年5月至9月期間，CJ01001A泵檢修8次，發生的備件費用為41000元，2012年9月24日完成機封改造后運行至2013年3月，除了一般的日常性維護檢查，未發生過其它更換備件的檢修工作。機封改造費用為39000元/臺，5個月時間即回收投資成本并產生效益2000元。

4 . 結束語

通過對循環水泵實施機械密封改造，取得了很好的效果，通過經濟比較，填料密封技改為機械密封，不但節約了備件消耗，節省了人力的投入，更為重要的是實現了節能降耗，節約了生產成本，提高了設備穩定運行的可靠性，為全裝置正常穩定生產創造了良好的條件，從長遠來看，具有很大的經濟效益。