污泥螺桿泵故障及改進方法

潘其文，杜興云

（蘭州石化維達公司，甘肅蘭州 730060）

1 設備概況

某化工廠水汽車間污水預處理裝置型號NM063BY01L06V，功率7.5 kW，轉速1445 r/min，流量40 m3/h，排出壓力0.3 MPa。耐馳泵業有限公司制造的污泥螺桿泵，主要是將高效澄清池中的污泥水輸送至污泥濃縮池，屬于重要的環保設備。該泵運行周期短，全年非計劃停車檢修達20 次之多，平均運行周期不足20 d，備件消耗多，檢修工作量大，嚴重影響裝置的連續化運行。

2 故障現象與原因分析

2.1 故障現象

每次只要機械密封有泄漏時，現場檢修中就會發現石墨靜環密封面有偏磨、端面出現圓狀溝槽、嚴重磨損、碎裂等現象。硬質合金（YG20，布氏硬度80 HRC）動環表面出現因高溫而產生的顏色發藍、發黑，以及裂紋等，動環O 形橡膠密封圈出現失彈、變硬、碳化等永久變形現象。在減速機輸出軸上安裝動環密封圈位置的軸頸處出現周向凹槽。同時，該泵每次只要因機械密封泄漏或者振動值大進行檢修時，測量減速機輸出軸銷孔尺寸都會出現變大，且銷孔磨損呈橢圓形等現象。

2.2 原因分析

由于中間萬向節材料硬度低，短時間運行即出現兩端銷孔嚴重磨損，呈橢圓形或長孔狀。造成銷子與銷孔配合間隙增大，減速機輸出軸和螺桿等轉動件擺動量加大，當輸出軸發生擺動時，使摩擦副產生偏隙，發生偏磨。同時，因為污泥螺桿泵輸送的介質是污泥，當介質中含有的微粒物質少量進入機械密封端面楔形間隙時，產生接觸摩擦使端面溫度迅速升高，動靜環端面之間的液膜也隨之消失，破壞了摩擦副間的液體潤滑。使得機械密封處于干摩擦狀態，加劇了端面溫度的升高。該泵機械密封靜環為石墨材料，脆性大、硬度低，微粒使石墨靜環端面劃磨出圓狀溝槽，或石墨環嚴重磨損或破裂，動環出現龜裂紋等。另一方面，由于機械密封動環在彈簧力作用下，具有追隨性和補償能力，這樣，動環密封圈在軸上作高頻率往復運動。此時，密封圈介質側的微粒像砂紙一樣磨削輸出軸，造成動環密封圈損壞和減速機輸出軸磨損，中間萬向節報廢。只要中間萬向節銷孔磨大時，就會造成減速機輸出軸磨損、機械密封損壞、螺桿與定子工作間隙超標，設備停車修理。

2.3 端面比壓核算

NM063BY01L06V 泵機械密封型號為CYT4360-00-B，其機械密封端面的受力狀況如圖1 所示。

圖1 機械密封的受力狀況

機械密封端面比壓計算相關公式如下。

式中 Pb——端面比壓，MPa

PS——動環所受的彈簧比壓，MPa

P——密封腔內的介質壓力，MPa

K——機械密封載荷系數，介質壓力的作用面積與密封端面面積之比

λ——液膜壓力系數

f——彈簧系數

Y——彈簧壓縮量，mm

D2——靜環外徑，mm

D1——靜環內徑，mm

D0——裝在動環處的密封圈滑動面的直徑，mm

本例中，P=0.3 MPa，λ=0.5，f=1.054 5，材料為65Mn；安裝時，Y=8.5 mm，D2=56 mm，D1=48 mm，D0=45 mm。代入以上公式，得PS=0.137 MPa，K=1.335 3。內裝式非平衡型機械密封彈簧比壓PS值范圍一般為0.08～0.3 MPa。該泵PS=0.137 MPa，滿足要求。把PS、K 代入公式，得Pb=PS+P（K-0.5）=0.137+0.3×（1.335 3-0.5）=0.39 MPa。

端面比壓是指摩擦副端面上所受的軸向壓緊力，此值過小會使泄漏量增大，密封性不好，過大則會加劇機械密封的磨損和發熱，一般Pb=0.3～0.5 MPa。本螺桿泵的Pb在標準參數值范圍內，不會造成摩擦副端面的磨損及機械密封損壞。然而，CYT4360-00-B 型機械密封采用大彈簧結構，本身就有端面受力不均勻的問題，很難確保摩擦副之間受力均勻。因此，這種結構的機械密封在此泵應用不是很好。

3 改進措施

3.1 機械密封結構改進

分析CYT4360-00-B 型機械密封失效原因后，決定改進機械密封結構。要求新的密封結構必須具有良好的密封性，使用壽命長，能防止微粒進入密封端面，并且拆裝方便。經查閱資料，并與同類型機泵中運行良好的機械密封結構進行對比。將單彈簧機械密封改為金屬波紋管型機械密封，將O 形圈換為石墨墊片，采用清水沖洗。通過與機械密封制造廠家交流并現場測繪，重新設計制造，解決了軸封結構問題。

3.2 靜環材料改進

碳化硅密封環具有耐化學腐蝕性好、強度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系數小且耐高溫，特別適用于有干摩擦工況的密封件。因此，為提高密封件使用壽命及工作的可靠性，將原來的靜環材料由石墨改為碳化硅，并與硬質合金動環形成有硬度差的硬對硬端面摩擦副。

3.3 中間萬向節銷孔改進

首先，對原來銷孔尺寸鉆鉸擴大，對加工后的孔徑尺寸進行強度校核，滿足拉伸強度要求。接下來對中間萬向節兩頭銷孔及圓弧形軸頭進行熱處理，以增加其硬度。然后，根據孔與套的過盈配合公差要求，加工銷套鑲入銷孔中，配裝上銷子。

3.4 減速機輸出軸銷孔改進

同樣對減速機輸出軸上的銷孔尺寸鉆鉸擴大，由加工后的孔徑尺寸進行強度校核，滿足拉伸強度要求。然后，根據孔與套的過盈配合公差要求，加工銷套鑲入銷孔中，配裝上銷子。

將銷套都進行熱處理以提高硬度，但低于銷子的硬度40～50 HB，防止銷子被磨損后斷裂造成設備事故。銷孔改進配裝銷套后，檢修時只需要根據銷套磨損情況更換銷套，不再像以前銷孔磨損后要轉90°，重新鉆鉸銷孔或更換減速機輸出軸。

4 效果

2019 年4 月初，有計劃地檢修污泥螺桿泵，逐一更換改進后的波紋管型機械密封、兩軸及銷套等，安裝調試運行正常，投入生產使用。截至2020 年5 月中旬，該設備未發生機械密封泄漏、振動大或異響等故障，運行狀況良好。

5 結束語

通過改進機械密封、軸及銷套等，進行長時間運行的觀察檢驗，近一年多來，其振動烈度一直處于B 區范圍內。機械密封泄漏量降為零，未進行過停車檢修，取得了非常好的效果，節省了設備維修費用，減少了檢修人工成本。同時，保證了裝置正常生產，為設備長周期運行奠定了堅實基礎。