反沖洗水泵機械密封泄漏原因分析與對策

夏 超，李 成，梁 陽，明飛翔

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116319)

0 引言

冷源系統的功能是過濾核電機組所需的全部海水[1]。某冷源系統反沖洗水泵共有16臺，預防性全面解體檢修周期為兩年。自2013年9月至2020年12月，在一臺泵的兩次預防性檢修周期之內，反沖洗水泵機械密封共出現故障22次。冷源系統反沖洗水泵的多次故障嚴重影響了冷源系統的穩定運行。如果多臺反沖洗水泵同時故障將導致冷源系統失效，嚴重影響機組的經濟效益與安全運行。

因此，分析機械密封頻繁泄漏故障的原因，制定有效的方案及措施提升設備的安全可靠性，成為亟待解決的重要問題。

1 機械密封頻繁泄漏原因分析

1.1 機械密封泄漏的直接原因

機械密封主要是在動環、靜環兩個部分的支撐下，對設備內外壓力進行平衡的過程[2]。機械密封由圖1中的1靜環、2動環、3彈簧、4彈簧座、5緊定螺釘、6動環輔助密封圈、7防轉銷、8靜環輔助密封圈和9壓蓋等元件組成。機械密封是依靠彈簧對動靜環端面密封的預緊和介質壓力與彈性元件壓力的壓緊，達到密封的一種軸向端面密封裝置，所以又被稱為端面密封[3]。

圖1 機械密封結構圖

機械密封輸送的介質可能泄漏的途徑有圖1中的A、B、C、D四個通道。

A通道：是動環與靜環的端面彼此貼合作相對滑動的動密封，它是機械密封裝置中的主密封，也是決定機械密封性能和壽命的關鍵。

B通道：是動環與軸之間的密封，當端面摩擦磨損后，它僅僅能追隨補償環沿軸向作微量的移動，實際上仍然是一個相對靜密封。

C、D通道：分別是靜環與壓蓋、壓蓋與機封函體之間的密封，二者均為靜密封。靜密封元件最常用的有O形橡膠圈或聚四氟乙烯墊片，作為補償環的動環或靜環輔助密封，也采用兼備彈性元件功能的橡膠或聚四氟乙烯材料。

解體檢查發生泄漏故障的機械密封。發現部分故障的機械密封的動環及靜環表面存在細砂顆粒(如圖2、圖3)，動靜環密封面存在磨損情況。分析此種情況機械密封泄漏故障的主要原因為：反沖洗水泵正常運行期間，含有細砂雜質的海水進入機械密封動靜環端面，細砂雜質進入摩擦副端面起研磨劑的作用，加速了密封面的磨損。當密封面磨損到一定程度時，輸送海水就從A通道泄漏，機械密封失效。

圖2 動環端面表面雜質 圖3 靜環表面雜質

除此之外，絕大部分故障的機械密封存在如下缺陷情況：解體檢查發現機械密封的動環輔助密封圈、彈簧、軸套以及補償環處有大量的泥沙。補償環追隨性差，徒手無法按動(如圖4、圖5)。分析此種情況機械密封泄漏的主要原因為：由于大量泥沙的堆積阻礙了彈簧和輔助密封圈的運動，從而導致補償環的追隨性和浮動性下降；同時，由于機械密封動環的內徑和軸套之間的間隙較小，介質中的泥沙雜質不能及時排出，導致雜質堆積、阻塞，阻礙了輔助密封圈的運動[4]。此時輸送的海水就從B通道泄漏，從而導致機械密封失效。

圖4 機械密封拆解狀態 圖5 補償環

1.2 機械密封泄漏的促成因素

該冷源系統反沖洗水泵機械密封所使用的沖洗方案為API PLAN01。機械密封的沖洗是一種控制溫度、延長機械密封壽命的最有效措施。沖洗的目的在于帶走熱量，降低密封腔溫度，防止液膜氣化，改善潤滑條件，防止干運轉、雜質沉積和氣囊形成[5]。所以機械密封沖洗系統具有控制溫度及壓力、改善潤滑、控制腐蝕及磨蝕、除雜防垢、防止污染等作用[6]。

但是原機械密封的沖洗方案并沒有起到控制磨蝕及除雜防垢的作用。根據美國石油學會的API610《石油、石化和天然氣工業用離心泵》和API682《用于離心泵和回轉泵的泵-軸封系統》中對工業用泵的密封沖洗系統的規定[7-8]。API PLAN01方案只推薦用于清潔液體，且不適用于立式泵。而此反沖洗水泵為立式泵，且輸送的介質為含沙較多的海水。所以這種機械密封的沖洗方案并不適用于這種介質環境。機械密封沖洗方案選擇不當是機械密封頻繁泄漏的促成因素。

根據以上情況分析導致冷源系統反沖洗水泵機械密封頻繁泄漏的根本原因為：1)泵取水介質中含砂量大，雜質較多；2)機械密封設計的沖洗方案API PLAN01選擇不當，不適用于此種介質輸送的密封。

2 機械密封頻繁泄漏問題解決對策

根據上文分析的根本原因，在含沙海水介質的條件無法改變的前提下，我們制定解決方案的方向為：1)消除進入機械密封內介質中的雜質；2)選用耐磨材料的機械密封或填料密封，降低含雜質的介質對密封的影響；3)隔離含雜質的介質，使雜質無法附著在動環組件與軸套上。

下面就這三個方向分別制定解決方案。

2.1 消除進入機械密封內介質中的雜質

由于冷源反沖洗水泵輸送的是含沙較多的海水。為了能夠減輕或去除機械密封內海水中的顆粒性雜質，需選擇除雜防垢能力較強的機械密封沖洗方案。而常用的沖洗方案中PLAN12、PLAN31、PLAN32均具有一定的去除顆粒的作用。PLAN12設置的過濾器可以起到過濾雜質的作用，但是考慮到不適用于立式泵，因此排除此方案；PLAN31通過設置旋液分離器對顆粒等雜質進行分離去除；PLAN32為引入外界潔凈的介質沖洗，從而避免輸送介質中的顆粒雜質對機械密封的影響。

下面就PLAN31、PLAN32方案的優缺點進行討論。

1)采用PLAN31，原理如圖6：由出口引沖洗水，中間增加懸液分離器，分離出的雜質排至泵入口。

優點：保證機械密封沖洗水清潔度。同時，大量的機械密封沖洗水可保證機封內雜質及時清除。

缺點：泵出口設置沖洗水接口的位置至機械密封的距離較短，增加懸液分離器空間不足；引入懸液分離器增加設備故障點；懸液分離器對現場介質的清潔能力無法確認，有待驗證。

2)采用PLAN32，原理如圖7：采用干凈的外接沖洗水可直接對密封面進行冷卻、沖洗。

圖7 PLAN32原理

優點：可解決由于機械密封處排氣不足無冷卻介質的問題，同時對機械密封處的雜質進行沖洗；外接沖洗水還可以改善端面的潤滑性能。

缺點：接外來沖洗水的消耗量大，需合理計算用量；沖洗水接口位置需合理設計，不可直接沖刷機械密封的密封面，導致密封面損壞。

2.2 降低介質雜質對密封的影響

由于介質中的雜質顆粒物對機械密封的動靜環密封面造成磨損，可考慮以下措施改進：1)選擇耐磨的摩擦副材料，常見的耐磨材料主要有氮化物和碳化硅；2)可以通過增加擋砂環或者在葉輪后蓋板處增加副葉片，降低顆粒物對密封件的磨損[9]。上述方案可以在一定程度上延長密封面的壽命，防止密封面被顆粒物磨損從而導致介質從A通道泄漏。但是，這兩種方案都無法解決補償環跟隨性下降的問題。

填料密封俗稱盤根密封，是通過預緊或介質壓力的自緊作用使填料與轉動件部件之間產生壓緊力的動密封裝置。

填料密封能起到密封作用的原理主要是軸承效應和迷宮效應。軸承效應是指填料被填料壓蓋壓縮后，填料中浸漬的潤滑劑被擠出，在接觸面之間形成油膜。由于接觸狀態并不是特別均勻，接觸部位便出現“邊界潤滑”狀態，使填料和軸形成類似于滑動軸承的關系，這樣填料和軸就不會因為過度摩擦而出現磨損；迷宮效應則是指，由于軸的表面微觀狀態下存在許多非常小的凹坑，填料和軸只能達到部分貼合而無法完全貼合，在填料和軸之間存在著許多極為微小的間隙，這些間隙就形成了迷宮帶，介質在其中被多次節流，從而達到密封的效果[10]。

根據填料密封的原理及現場含沙海水介質的情況，可將軸封形式改造成填料密封。

優點：在滿足冷源系統鼓形濾網沖洗效果的情況下，對反沖洗水泵的軸封泄漏量沒有過于嚴格的要求；填料密封的使用要求較低，可以在不解體泵體的情況下進行盤根更換工作；盤根的材料化學穩定性好。不易被介質所腐蝕、泡脹，也不污染介質，填料本身不腐蝕密封面；填料密封相較于機械密封制造簡單，價格低廉。

缺點：改造較多；填料密封也需要外來沖洗水，需考慮沖洗水用量；盤根易松脫，需要經常緊固盤根壓蓋保證密封效果。

2.3 隔離含雜質的介質

可以將機械密封補償環彈簧與含沙水脫離開。避免雜質阻礙彈簧、銷和輔助密封圈的運動。可以將原機械密封換型為彈簧隱藏式機械密封。新舊機械密封彈簧位置如圖8、圖9。

圖8 原型機封圖

圖9 新型機封圖

新的機械密封形式可避免補償環與海水接觸，避免沙子進入彈簧、銷和輔助密封圈進而導致補償環的追隨性和浮動性下降。

優點：改造較少；正常工況下可以保證機封彈簧脫離海水。

缺點：未能治本，啟停階段含沙海水有可能進入動靜環之間導致密封面磨損，無法完全避免雜質損壞機封；飛濺的海水附著在彈簧及輔助密封圈上，長時間累積的海水結晶后也會造成補償環追隨性下降。

2.4 方案總結

綜合上述幾種方案的優缺點分析，對解決冷源系統反沖水泵頻繁漏水問題的方案進行整理，推薦優先級由上至下，如表1。

表1 機械密封泄漏問題解決方案

由于機械密封換型為彈簧隱藏式機械密封的方案改造工作量小，現場決定選取一臺反沖洗水泵實施此種方案。但是實踐中，在設備運行15個月后再次出現機械密封泄漏故障，并未達到兩年檢修周期內無故障的要求。對故障機械密封解體檢查，發現輔助密封圈卡澀，彈簧的彈力不足，補償環內有少量介質結晶，隨動性差。介質從B通道泄漏，密封失效。

實踐證明在缺少沖洗水清潔的情況下，無論是介質自帶的雜質，還是介質凝結的結晶，都會造成機械密封彈簧卡澀，補償環追隨性下降，密封失效。

機械密封換型為彈簧隱藏式機械密封的方案在實踐中效果不太理想，更合適的機械密封選型升級方案有待與機械密封的制造廠家進一步探討。

3 結束語

水泵機械密封故障相關問題長期存在，需要不斷的在實踐中探索，通過對機械密封換型、機械密封沖洗方案優化及設備密封形式改造等措施的執行，不斷優化現場設備的運行狀態，保障設備的穩定運行。