軸流泵試壓壓力的一種計(jì)算方法及應(yīng)用實(shí)例

谷海明，余 波，潘繼斐

（云南磷化集團(tuán)海口磷業(yè)有限公司，云南昆明 650113）

云南磷化集團(tuán)海口磷業(yè)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)公司）有5臺(tái)臥式軸流泵，用于凈化濕法磷酸提濃，均采用雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，設(shè)備能否長(zhǎng)周期運(yùn)行，對(duì)濃縮生產(chǎn)影響很大。為確保檢修質(zhì)量，公司要求每臺(tái)軸流泵檢修完后都要對(duì)泵體進(jìn)行打壓試漏，以檢驗(yàn)機(jī)械密封效果。試壓方法為：將軸流泵進(jìn)、出口用盲板密封，往泵體內(nèi)注滿(mǎn)水，用加壓泵緩慢增壓，控制泵體內(nèi)壓力略低于機(jī)械密封設(shè)計(jì)壓力，保壓20 ～30 min，如泵體內(nèi)壓力無(wú)明顯變化，表明機(jī)械密封可靠，軸流泵檢修合格，如壓力降低，則需要逐步排查泄壓原因，直至壓力穩(wěn)定，檢修才算合格。

1 存在的問(wèn)題

軸流泵在試壓過(guò)程中，壓力過(guò)高，會(huì)損害機(jī)械密封，壓力過(guò)低，又起不到檢修試漏的效果。試壓壓力一般由設(shè)備廠家提供，正常情況下均應(yīng)遵從廠家要求。但公司實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備廠家出于保護(hù)機(jī)械密封的角度，提供的試壓壓力比較保守，雖然泵在剛檢修完試壓時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封沒(méi)有滲漏（表明檢修成功），但這樣的設(shè)備用在生產(chǎn)中，往往壽命較短，運(yùn)行2 ～4 個(gè)月后機(jī)封就會(huì)開(kāi)始滲漏、滴漏、機(jī)封水帶酸，然后慢慢擴(kuò)大，需要停車(chē)處理，影響濃縮生產(chǎn)。通過(guò)多次解體檢修發(fā)現(xiàn)，機(jī)械密封拆開(kāi)后，內(nèi)部動(dòng)、靜環(huán)和O 型圈等元件基本完好，因此不是滲漏的原因，機(jī)械密封彈簧預(yù)緊壓力設(shè)計(jì)不足和設(shè)備運(yùn)行中介質(zhì)壓力波動(dòng)可能是引起滲漏的最大原因。介質(zhì)壓力波動(dòng)可以通過(guò)優(yōu)化操作、穩(wěn)定控制閃蒸室液位來(lái)調(diào)節(jié)，但機(jī)械密封彈簧預(yù)緊壓力是否存在設(shè)計(jì)不足就需要公司設(shè)備技術(shù)人員自行判斷，這時(shí)候就需要一種行之有效的可參考計(jì)算方法。

2 提出方法

根據(jù)雙端面機(jī)械密封設(shè)計(jì)原理，當(dāng)介質(zhì)壓力≤機(jī)封彈簧預(yù)緊壓力+密封水壓力時(shí)，機(jī)械密封無(wú)泄漏，密封有效；當(dāng)介質(zhì)壓力＞機(jī)封彈簧預(yù)緊壓力+密封水壓力時(shí)，機(jī)械密封發(fā)生泄漏，密封失效。在泵體試壓過(guò)程中由于用試壓壓力代替介質(zhì)壓力，密封水壓力為零，此時(shí)雙端面機(jī)械密封可承受的最大試壓壓力即為機(jī)封彈簧預(yù)緊壓力，因此，計(jì)算雙端面機(jī)械密封可承受最大試壓壓力即計(jì)算機(jī)封內(nèi)彈簧預(yù)緊壓力。根據(jù)圓柱螺旋彈簧的常用設(shè)計(jì)方法，理論上單個(gè)彈簧預(yù)緊力可由式（1）計(jì)算［1］：

式中：F—— 預(yù)緊力；G—— 材料切變模量；d—— 彈簧直徑；D—— 彈簧中徑；n——彈簧圈數(shù)；f——彈簧變形量。

則預(yù)緊壓力：p=F/S，S為動(dòng)靜環(huán)密封面接觸面積。由于大型機(jī)械密封為了保證密封面受力均勻，內(nèi)部彈簧一般由多個(gè)組成，則此時(shí)雙端面機(jī)械密封可承受最大靜壓按下式計(jì)算：

用公式（2）計(jì)算靜載最大值，對(duì)于彈簧材料已知、材質(zhì)切變模量可查的彈簧沒(méi)有問(wèn)題，但是對(duì)于實(shí)際工作中有一些較特殊材質(zhì)，如材質(zhì)未知、切變模量難查的彈簧，則公式（2）實(shí)用性受限，此時(shí)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)法，將式（2）簡(jiǎn)化為式（3）進(jìn)行計(jì)算。

K可通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得，用推拉力計(jì)測(cè)量彈簧力與形變的關(guān)系，計(jì)算彈性系數(shù)。為保證測(cè)量值準(zhǔn)確，彈簧壓縮量需控制在彈簧自由長(zhǎng)度的20%以?xún)?nèi)。

3 應(yīng)用實(shí)例

公司采用軸流泵的生產(chǎn)廠家要求泵體試壓壓力不能超過(guò)0.2 MPa，到底該雙端面機(jī)封可承受多大靜壓，可以選擇上面的公式（2）或公式（3）進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)詢(xún)問(wèn)廠家，機(jī)封彈簧材質(zhì)為哈氏合金，但具體是哪一系列沒(méi)有明確告訴，因彈簧切變模量無(wú)法查閱，所以這里就只能選用公式（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行計(jì)算。該泵機(jī)械密封經(jīng)解體測(cè)繪有如下數(shù)據(jù)：N= 20；S= π（0.182- 0.172）m2= 0.011 m2；f=d動(dòng)-d靜=0.104 m-0.096 m=0.08 m（d動(dòng)——自由狀態(tài)下兩動(dòng)環(huán)密封面距離；d靜——自由狀態(tài)下兩靜環(huán)密封面距離）；彈性系數(shù)K使用推拉力計(jì)測(cè)量、計(jì)算，約為30.25 N/mm。將上面數(shù)據(jù)帶入式（3）計(jì)算得該泵機(jī)械密封設(shè)計(jì)可承受最大靜壓為0.22 MPa，廠家要求試壓不能超過(guò)0.2 MPa 是保守可靠的，且與泵體現(xiàn)場(chǎng)試壓實(shí)際情況基本相符：當(dāng)泵體試壓壓力超過(guò)0.23 MPa以后，可以明顯看到在機(jī)械密封進(jìn)、出水口位置發(fā)生滴漏，試壓壓力降至0.21 MPa左右，壓力穩(wěn)定，滴漏消除。

泵體試壓壓力沒(méi)有問(wèn)題，但是機(jī)械密封使用壽命不長(zhǎng)，根據(jù)機(jī)械密封解體情況來(lái)看，綜合判斷就是機(jī)械密封彈簧預(yù)緊壓力設(shè)計(jì)不足，滿(mǎn)足不了現(xiàn)場(chǎng)介質(zhì)密封所需的壓力。后經(jīng)與廠家技術(shù)人員溝通交流以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪循環(huán)系統(tǒng)高差后，雙方共同決定對(duì)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行微改造，將機(jī)械密封彈簧預(yù)緊壓力提升至0.25 MPa，試壓壓力按0.24 MPa控制，此改造自2017 年實(shí)施后，軸流泵運(yùn)行周期由之前的2 ～4個(gè)月一舉延長(zhǎng)至8 ～14個(gè)月，且設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)任何泄漏，改造效果非常明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

泵體打壓試漏是軸流泵檢修的必要程序，掌握準(zhǔn)確的試壓壓力非常關(guān)鍵，當(dāng)設(shè)備技術(shù)人員對(duì)設(shè)備試壓壓力不明確或存在疑惑時(shí)，就可以采用上述方法，進(jìn)行計(jì)算，從而做到準(zhǔn)確控制試壓壓力。當(dāng)發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封彈簧預(yù)緊壓力設(shè)計(jì)不足時(shí)，也可以針對(duì)性的采取措施進(jìn)行調(diào)整，確保機(jī)械密封不會(huì)發(fā)生滲漏，以此來(lái)延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行周期，降低對(duì)生產(chǎn)的影響。