熱水循環泵機械密封的故障分析

王忠臣 李志新 劉憲生

（首鋼遷鋼煉鋼作業部，河北 遷安 064404）

熱水循環泵是轉爐氣化冷卻系統循環水回路的主要設備之一，熱水循環泵的入口與汽包下降管相接，出口與轉爐煙道入口管相接。通過熱水循環泵的提升壓力，使循環水克服其在流動中的阻力而循環流動，保證了煉鋼生產的正常進行。

統計資料表明，泵的維修大約有50%是軸的密封問題，由于泄漏，使泵容積效率降低而且功率損失達到10%以上。高溫水的噴出還直接威脅著設備與操作人員的安全。因此，防止泄漏，對機械密封的結構、故障進行分析研究十分重要，是保證生產穩定運行、節約能耗，保護環境，避免人身傷亡和設備事故的重要工作。

一、熱水循環泵的機械密封結構

熱水循環泵為單級單吸懸臂式離心流程泵，型號為300YP45（P）。與其配套使用的機械密封是國產的300YP/45（P），其結構見圖1。機械密封的主要指標：工作壓力≤3MPa；工作溫度≤200℃；軸外徑φ70mm；軸轉速≤1 450r/min；泄漏量500ml/h。

該機械密封是集裝式機械密封，結構緊湊，制造精細。摩擦副采用WC和SiC組對，兩種材料的強度和硬度高，導熱性好，線膨脹系數小，而且有自潤滑性，是理想的機械密封摩擦副材料。輔助密封材料為氟橡膠，耐溫抗老化，可長期在200℃的高溫下工作。緩沖補償機構采用靜止式，避免了補償機構轉動時產生的質量不平衡，因此可用于高轉速。10個小彈簧用冷拔鎳鉻鋼絲制造，可在-100～200℃環境下長期工作。三個“對中夾”按彈簧比壓的最佳數值設計，還用于調整密封環、壓蓋與軸套的同心度。傳動裝置的設計為動環通過四個凹槽安裝在軸套上；鎖定環開有12個螺孔，軸套與鎖定環對應部位開了12個圓孔，3個孔用于固定對中夾；3個孔用于軸套和鎖定環的固定；6個孔用于固定軸套和軸，使軸套和軸一同轉動。為減少密封端面摩擦產生的溫升，保持摩擦面良好的潤滑和其他零件良好工作，還在壓蓋上設計了沖洗液接口。通過4年的實踐證明（含一煉鋼的使用），產品質量與進口件相當，滿足了生產需要。

圖1 機械密封300YP/45（P）的結構

二、熱水循環泵機械密封故障案例的分析與改進措施

評定機械密封優劣的主要指標是泄漏和壽命。據統計，我廠機械密封本身的故障率為34.5%，而更多的故障發生在安裝和維護使用的過程中。

1.泵轉子軸動平衡破壞引發的故障

2006年2#轉爐的3#泵連續更換了3臺機械密封，均運轉不到1周即發生嚴重泄漏。對該泵軸在YYH-700型臥式硬支承平衡機進行了動平衡檢測，數值見圖 2，點1為515g、點2為255g、點3為120 g。無論去重還是補焊這樣大的質量都是困難的。

圖2 葉輪不平衡修正數值示意圖

轉子不平衡是引發泵振動的主要因素，振動將引發高速旋轉的動環與靜環瞬間分離，在液膜壓力的作用下使密封面開啟，出現大量泄漏。如果介質中的微粒進入密封面，還會使密封端面劃傷損壞。因此定期對泵轉子進行動平衡檢測是十分必要的。

2.靜環磨蝕故障

2007年1#轉爐1#泵更換了機械密封后，運轉不到1個月即發生嚴重泄漏。與制造廠家共同分解檢查，發現靜環端面個別部位失去光澤，經清洗不能去除污物。在顯微鏡下觀察同一部位的形貌如圖3所示。

白色為SiC的顆粒，調整焦距后呈現黑色，而黑色部位變成白色。經與生產人員共同分析和查對記錄，發現壓坯時用的原材料粒度偏大，致使靜環硬度略低，在高溫高負荷工作時過早磨蝕而失效。這批靜環共10件，裝配機械密封4臺，全部更換靜環后裝機使用，運轉良好。

3.傳動螺釘引發的故障

2007年8月2#爐3#泵檢修更換新機械密封（制造號KN051001），裝機運轉不足1h即發生嚴重泄漏。對機械密封進行分解檢查，發現彈簧傾斜變形，軸套內壁有圓周劃痕，局部表面改變顏色，安裝、使用、制造三方一致認為是傳動螺釘未能將軸套緊固在軸上，兩者發生相對轉動產生摩擦熱使軸套溫度過高（超過400℃），造成彈簧軟化變形，失去補償能力，摩擦面瞬間分離造成嚴重泄漏。

造成傳動螺釘失效的原因有兩個方面：（1）傳動螺釘制造時硬度未達標；（2）裝配時未擰緊。為查明傳動螺釘的硬度，將螺釘制成金相試樣在洛氏硬度機上測定，其數值為HRC43、42、40、40、40，平均值HRC41高于圖紙要求（HRC32-38），可以排除制造因素。

圖3 SiC靜環故障件密封面的形貌

為保證安裝質量，設備管理室請生產廠家對維護單位操作人員進行了技術培訓，并且為維護班組增加專用工具，使機械密封在安裝和維護方面實現了標準化操作。

實踐證明，通過對熱水循環泵用機械密封使用過程中出現的故障進行持續研究和改進，使煉鋼作業部機械密封使用壽命從2004年投產初期的5個月提高到現在的約10個月，對穩定生產、節約備件費用、避免安全隱患起到了積極作用。