某船用泵機械密封裝置的改進設計

王高一 吳新躍

（海軍工程大學動力工程學院，湖北 武漢430033）

0 引言

船舶的冷卻系統、艙底壓載系統、循環水系統、消防系統、輔助鍋爐給水系統、日用水系統等都需要水泵來輸送常溫海水或淡水。某船消防系統采用型號為8CLGⅢ－25的單吸蝸殼式葉片泵，其進口壓力允許值為3 MPa，流量為100～972 m3／h，揚程為10～85 m，主要零件的材質為硅黃銅，用電機驅動。該泵原先采用平衡式單端面分立單元機械密封，在長期的使用中出現了很多問題，如泄漏量大、密封效果不佳、維修頻繁、壽命短等，這就嚴重影響了船舶航行的進程，帶來很大的維修成本。鑒于此，本文提出一種改進的結構，并使用合理的材料，以保證密封裝置在我國海域中可靠運行，并有足夠長的使用壽命。

1 原有機械密封裝置存在的問題

目前使用的機械密封為平衡式單端面分立單元機械密封，其結構如圖1所示。

圖1 原有機械密封裝置結構圖

通過實際應用，并加以分析，認為該密封裝置存在如下不足之處：

（1）主密封副選材不合理，無法適應我國海水含沙的工作環境。當前船舶使用的機械密封裝置使用硬質合金對碳石墨（即軟硬配對）作為主摩擦副，其優點是摩擦系數小，摩擦損耗較小，實踐表明這樣的主密封副配對在我國海域的使用并不理想。我國海域尤其是在東海一帶泥沙、雜質的含量很大，這樣的海水無疑對質地較軟的石墨會產生破壞性作用，一旦泥沙或硬質顆粒進入密封端面，便極易造成密封面的過度磨損失效，從而引發泄漏。另外，由于硬質合金成本較高，運行中讓材質較軟、價格較便宜的碳精環被磨損，當碳精環磨損量超標密封失效后，更換碳精環。這樣做是為了節約成本和增加經濟效益，不太注重使用壽命的長短。

（2）軸套與軸是過盈配合，動環由鎖緊螺母與軸套采用螺紋連接M92×1.5進行軸向固定，并用銷與軸套周向固定。電機正轉時，軸套通過銷帶動動環旋轉，螺紋處于旋緊狀態，動環在軸向和周向均與軸套固定，隨軸旋轉，與靜環緊靠，實現密封效果。當電機的相序接錯導致泵軸反轉時，鎖緊螺母由于沒有周向力矩帶動其旋轉，螺紋連接就會松脫，這樣動環在軸向失去固定，從而導致其與靜環不能緊靠在一起，密封端面貼緊力變小，密封失效，這就阻礙了設備的正常運轉，同時也給設備的維修帶來極大不便。

（3）密封圈的選材不當。目前使用的輔助密封圈的材料是丁腈橡膠，其在高溫、腐蝕性環境中，易老化、龜裂、變硬失彈；如果安裝不當，還會出現過度變形。這些都會導致輔助密封效果變差。

（4）密封彈簧長期暴露在海水中，因積垢、泥沙堆積（尤其在東海）、海生物吸附等造成彈簧被堵死失彈，失去補償作用。

（5）分立式結構的密封裝置安裝不方便，還會造成人為安裝誤差。傳統的分立式密封裝置在安裝過程中其彈簧預壓縮量、動靜環端面與軸線垂直度等關鍵指標取決于工人的技術水平，所以不可避免地會出現人為的安裝質量問題。

2 改進設計

針對原有機械密封存在的問題，參考較為先進的變工況集裝式免維護機械密封技術，對現行使用的機械密封裝置進行了以下改進設計：

（1）在密封裝置和泵體連接的部位安裝減壓套。此減壓套外表面是具有凹槽的迷宮結構，如圖2所示。利用“迷宮密封”的工作原理，介質經過該結構初步減壓，可將要密封的介質壓力降低一半，這樣就減小了密封裝置的工作壓力，進而提高了密封裝置的使用壽命。由于密封裝置在運行中，減壓套會與泵體發生摩擦，而鑄造硅黃銅常用于摩擦條件下工作的零件，所以減壓套的材料采用鑄造硅黃銅。減壓套磨損量超標失效后可換新。

圖2 減壓套

（2）根據機泵的實際運行情況及安裝位置，通過撥叉結構將減壓套和動環鎖緊螺母連接起來，再用螺釘將減壓套軸向固定，這樣就可以避免因電機反轉造成鎖緊螺母松脫，從結構上改變機械密封只能正轉不能反轉的弊端，實現同一個密封正反轉通用。撥叉結構的實物圖如圖3所示。

圖3 撥叉結構實物圖

（3）動、靜環材料改為均采用硬質合金。硬質合金具有極高的硬度和強度、良好的耐磨性及抗顆粒沖刷性，因此適用于重負荷或含有顆粒、固體及結晶介質的場合。機械密封用的硬質合金主要是碳化物（WC），常用的為 WC－Co類。WC－Co是由硬度極高的難熔鎢碳化物加Co（或其他鐵族金屬）作為黏結劑用粉末冶金方法壓制燒結而成的［1］。考慮到該新型機械密封裝置的使用條件為我國海域多雜質的海水，且其有一定的腐蝕性；同時考慮經濟效益，選用牌號為YG6的硬質合金作為摩擦副材料。

（4）密封圈的材料選用全氟醚橡膠。作為機械密封輔助密封件，全氟醚橡膠可以耐高溫以及許多有毒有害和強腐蝕的油品，如醚類、酮類、苯環類溶劑、強氧化劑、強酸強堿等，全氟醚橡膠的耐熱穩定性能超越了一般氟橡膠，可以在300℃的高溫下長期使用。API682—2004規定，除非另有指定，O形圈應采用氟橡膠（FPM），如果氟橡膠（FPM）受到工作溫度和化學兼容性的限制，而不能使用，則O形圈應使用全氟醚橡膠（FFKM）材料。全氟醚橡膠是用于高溫條件下抵抗化學腐蝕的O形圈通常采用的材料［2］。綜合考慮新型機械密封裝置的使用工況和API標準，選用全氟醚橡膠作為密封圈的材料。

（5）在機封端蓋和靜環座之間安裝密封圈，用其將彈簧與海水隔離開，避免海水對補償彈簧的腐蝕，也避免因泥沙的沉積使補償彈簧失彈而失去補償作用。

（6）采用全集裝免維護設計，安裝前準確測量彈簧比壓，加裝限位器，檢查配合尺寸，檢查密封端面與軸的垂直度和偏心度。密封組件總成裝配完畢后，將應急密封的填料調整螺母和填料壓蓋松開，壓入相應規格的填料；安裝時直接將組件總成套入泵殼，并用螺栓將密封裝置壓蓋與泵殼基座連接，緊固即可。安裝方便，無人為安裝誤差，安裝質量可靠，并且可以節約大量安裝時間。

改造后的機械密封為全集成單端面平衡型靜環補償結構，其總裝配圖如圖4所示。

3 密封裝置改造后的效果

改造后的機械密封裝置經性能試驗和長期實際應用，均滿足在我國海域中使用的要求。改造后的機械密封裝置有以下優點：

（1）由于采用了全集成免維護結構，這使得密封裝置沒有人為安裝誤差，而且節約安裝時間，大大提高了安裝的質量和效率。另外，免維護設計也大大節省了維修成本。

（2）改造后的密封裝置無論是技術、質量、使用效果，還是規格尺寸，均能完全替代原裝機械密封，而且，個別部件比原裝機封部件性能更優。

（3）大幅度延長了使用壽命。新的密封裝置規定兩年換新一次，在此期間使用均未出現任何泄漏，密封效果可靠，保證船舶的長期有效運行。

圖4 總裝配圖

4 結語

通過對船用泵原有機械密封裝置的改造，新型機械密封裝置克服了原有裝置的不足，密封效果良好，安裝維修方便，使用壽命大大延長，達到了改造的目的。

［1］顧永權.機械密封實用技術［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［2］朱立新，王汝美.實用機械密封技術問答［M］.3版.北京：中國石化出版社，2014.