火電廠凝結水泵機械密封失效研究

畢旺杰 史利強 華電萊州發電有限公司

水泵作為一種介質輸送或增壓的設備，種類眾多，多用于輸送水系統、排水系統、供水系統、工業用水、水處理系統、區域或建筑的制冷/供暖系統、消防和灌溉等領域，并在其中承擔著重要作用。軸封部件作為水泵設備的重要結構，可以防止空氣被吸入泵腔，同時保證介質不向外泄漏。軸封類型有填料密封、機械密封和動力密封等，其中，機械密封具有低功耗、使用壽命長、低泄漏的特點，應用較多。

一、水泵機械密封介紹

機械密封是一種旋轉機械的軸封裝置，又稱端面密封，由至少一對垂直于旋轉軸線的端面，在流體壓力和補償機構彈力（或磁力）的作用以及輔助密封的配合下，保持貼合并相對滑動而構成的防止流體泄漏的裝置。機械密封一般分為4 個部分：①動環和靜環組成的密封端面，也稱為摩擦副；②有彈性元件組成的緩沖補償機構，其作用是使密封端面緊密貼合；③輔助密封，包括動環和靜環輔助密封；④使動環隨軸旋轉的傳動機構。機械密封結構一般由彈簧座、彈簧、動環、靜環、靜環座和其中所有用于密封的O 形圈等組成。其中彈簧座通過螺釘等緊固作用與軸相對靜止，靜環座由一個防轉銷保持固定。由于機械密封特殊的工作條件和重要作用，一般由輔助設施提供冷卻介質，對機械密封，特別是動環和靜環端面，進行潤滑冷卻和沖洗，延長機械密封使用壽命。當泵軸旋轉時，帶動動環等部件一起轉動，靜環保持靜止。由于彈力和介質壓力的作用，使動環與靜環緊密接觸，這樣動環與靜環相接觸的密封面，可以阻止介質泄漏。由于動環與靜環緊密貼合，使密封端面交界處形成一個微小間隙，當介質通過此處時，形成一層液體薄膜，產生一定阻力，阻止介質泄漏，同時對密封面起到潤滑作用，使密封效果長久。機械密封一般有4 個密封點（泄漏點）：動環與靜環之間的動密封；動環與軸或軸套之間形成的相對靜密封；靜環與靜環座之間，以及壓蓋與設備之間的靜密封。

當泵軸旋轉時，帶動動環等部件一起轉動，靜環保持靜止。由于彈力和介質壓力的作用，使動環與靜環緊密接觸，這樣動環與靜環相接觸的密封面，可以阻止介質泄漏。由于動環與靜環緊密貼合，使密封端面交界處形成一個微小間隙，當介質通過此處時，形成一層液體薄膜，產生一定阻力，阻止介質泄漏，同時對密封面起到潤滑作用，使密封效果長久。機械密封一般有4 個密封點（泄漏點）：動環與靜環之間的動密封；動環與軸或軸套之間形成的相對靜密封；靜環與靜環座之間，以及壓蓋與設備之間的靜密封。

二、密封結構失效原因分析

（一）密封元件選擇不合理

水泵密封元件的使用壽命受到很多因素的影響，其中最主要的影響因素就是密封件選擇的合理性，在水泵設計和維護的過程中，密封結構的失效也多是由于密封元件選擇不合理導致的，其主要表現在以下幾個方面。一是密封件的耐磨性不足，由于水泵中的液體存在較大的運動速度，若液體中還有較多的雜質或添加物，會很容易因為磨粒的存在造成嚴重的磨損問題，此時若密封元件的材料耐磨性不足，則會出現早期磨損而產生泄漏問題；二是密封元件的耐腐蝕性不足，水泵在酸堿環境中使用時，若水泵中的密封元件抗腐蝕能力不足，可能因為酸堿腐蝕問題使元件的彈性減弱或出現開裂等問題；三是密封元件的耐高溫性能不足，水泵在高溫液體的環境中使用，也可能因為密封元件選擇不合理而導致密封元件過早老化，使密封元件的可靠性大幅降低。

（二）密封結構的設計不合理

在水泵結構設計過程中，其內部的結構設計往往對于機械密封結構的使用壽命存在較大的影響，密封結構設計不合理造成的密封失效問題主要表現在以下幾個方面。一是壓緊密封面的壓緊面積不足，當壓緊面積不足時，與壓緊面配套使用的密封墊片往往面積也較小，在長期使用的過程中壽命不易保證；二是由于在機械設計的過程中，金屬部件之間的較小空隙會使液體流動時出現沖擊力劇增現象，若小間隙或孔狀結構位于密封元件附近，密封元件會長期受到大于設計值的液體沖刷力作用而產生失效問題；三是水泵傳動軸運轉過程的撓度過大，造成密封元件在密封過程中的受力不均勻，長此以往密封元件的局部功能出現失效，易出現泄漏問題。

（三）維修保養操作不合理

很多情況下，水泵在維修和保養的過程中，往往達不到出廠時的技術條件和裝配質量，很容易導致水泵機械密封結構失效。例如，在維修過程中拆卸不當會造成密封彈性件的損壞、替換密封件時材質選擇不當造成更換的元件快速損壞等問題。還可能存在更換動環、靜環等元件時，密封件安裝受力不均勻，造成局部位置密封狀態不好而出現泄漏。在對水泵殼體、端蓋、傳動軸安裝時，也可能出現螺栓緊固受力不均、軸承壓蓋安裝不到位、軸與軸承安裝不合理等問題，都可能造成機械密封結構的早期損壞而失效。

三、處理措施

（一）壓力產生的泄露真空狀態運行下造成的泄露

當水泵啟動或停機時，受泵進口被堵塞、抽送介質混入氣體等情況的影響，導致密封腔內發生負壓情況，此時在負壓作用下密封腔內密封端面將發生干摩擦，從而導致機械密封失效。可以說過量摩擦是導致密封失效的重要因素之一。針對這種情況處理方案是：機械密封可選用雙端面，以起到改善潤滑條件的作用，進而使得機械密封的密封性得到提升。此外還應嚴格控制好耐磨材料，可選擇耐干磨、機械強度高、耐高溫、變形能力強的材料。高溫和高壓造成的泄露。當所設計彈簧的比壓或總比壓過大，或是當密封腔內壓力值超過3MPa 時，會導致端面的比壓較大，此時在端面間就無法形成具有流體動力壓和靜壓力的液體膜，導致端面發生干磨損或半干磨損，從而產生大量熱量，在摩擦作用下瞬間燒毀摩擦副，令水泵機械密封端面因高溫而產生嚴重變形，密封失效出現滲漏。同時，當彈簧的比壓過大時該構件易出現疲勞，自身調節能力喪失，過早失去彈性，當比壓過小時又無法起到應有的密封效果。針對高溫和高壓造成的密封故障解決方案為：在水泵機械密封安裝時，必須嚴格參照規定數值設定彈簧壓縮量，通常誤差不超過±2.00mm，壓縮量過大和過小都可能引發故障。在密封安裝前，需合理布設彈簧的旋轉方向，比如靜環端面，其軸向呈順時針運動，彈簧應旋轉右旋彈簧，若呈逆時針運動則應選左旋轉彈簧。在高壓環境下，為確保機械密封端面更加合理，盡量避免變形情況發生，可選用陶瓷等耐壓強度較高的材料，也可選用硬質合金，同時要加強冷卻處理，做好潤滑措施，選擇與之相適應的傳動方式。

（二）周期性滲漏轉子周期性振動

當定子與上下端蓋未對中或葉輪與主軸不平衡時將會引發轉子周期性振動，對軸承產生磨損，使得密封失效而出現泄漏。可參照維修標準進行檢修即可。泵轉子軸向竄動量過大，密封于軸公差帶之間過盈量較大，結合較松，軸上動環無法靈活移動。其主要原因是水泵翻轉后，因動靜環被磨損，移位補償不到位而導致上述情況發生。解決方案是：在安裝水泵機械密封時，應按照要求確保軸向竄動量不超過0.1mm，徑向跳動度低于0.06mm，將軸最大撓度控制在0.05mm內。保證輔助密封與軸之間的過盈量適中。確保水泵機械密封性能良好的基礎上，安裝動環時使其能夠在軸上靈活移動。由于潤滑油不足，導致密封端面長期處于干摩擦狀態，導致端面拉毛現象發生。其解決方案：檢查油室腔中潤滑油量，確保其高度必須高于動靜環密封面。在安裝時可在密封端面澆灌適量的潤滑油，以保證其潤滑效果。同時應針對不同的密封材質選擇對應的潤滑油，以免導致O 型圈被潤滑油浸泡后出現膨脹，導致自身老化速度加快，使得密封失效。

四、結束語

水泵機械密封應用中最常見的故障是失效，且在水泵運行的每一個運行階段都可能發生。而導致機械密封失效引發滲漏的原因有很多，泄露方式也存在多樣性。一旦出現泄露將會使得水泵機械密封的使用年限降低，并對設備整體運行情況產生影響。對此必須要重視泄露情況，根據其發生的原因選擇相應的應對措施。