應急泵密封系統設計及保障措施探討

薛 濤，徐艾青，彭 沛，占 鑫，武 溉，曾 磊

（1.湖北三六一一應急裝備有限公司，湖北 武漢 430090；2.新興重工湖北三六一一機械有限公司，湖北 襄陽 441002）

應急泵主要應用于大流量遠程供排水、應急排澇、森林消防、市政管網應急作業、灌溉網絡應急作業和石化行業等特殊領域，其在工作過程中長期浸泡于液體介質中，輸送介質主要包括自然水域水源、防汛排澇污水、市政管網污水等。應急泵及基于其研發的消防裝備系列、排澇裝備系列等是我國應急管理體系裝備力量的重要構成與核心關鍵組成。

針對不同使用領域、場合及用戶需求，應急泵的性能參數（流量Q、揚程H、轉速n、功率P、效率η、汽蝕余量NPSH）、類型、重量、尺寸、驅動方式、安裝方式、結構和材料等也不盡相同，但其共性都是通過旋轉的葉輪將原動機的機械能傳遞給所輸送的液體介質使得液體介質的能量增加，以達到輸送或提升的目的。應急泵作為一種轉動機械，轉軸與泵蓋之間、轉軸與葉輪之間、轉軸與軸承密封腔蓋板之間、泵體與泵蓋之間、機械密封與泵軸之間等處必然存在間隙，針對這些間隙，必須對應設計密封系統，密封系統設計的好壞與泵的容積效率密切相關。應急泵零件幾何精度高，相配合關鍵零件之間往往選用較高公差等級配合，且額定轉速較高（n≥1 000～3 000 rpm），兼之輸送介質所含成分的復雜多樣（比如某些地區水域細沙顆粒度含量較多、防汛排澇污水中多伴隨生活垃圾碎片、介質中化學成分含量等因素），密封系統中一旦出現些微滲漏，由于初期不易觀察以及應急作業的特殊性，往往造成潤滑失效、軸承損壞、泵軸軸向竄動、葉輪燒死和泵軸彎曲等嚴重事故，直接導致應急泵無法工作，嚴重影響相關應急裝備作業效率。因此進行應急泵密封系統設計及保障措施探討對于應急泵的整機設計、生產組織、加工、裝配、應用、維修都是極其關鍵和不可或缺的。

1 密封系統設計

密封系統設計對應急泵的穩定運轉起著決定性的作用。應急泵的密封系統設計包括靜密封設計與動密封設計。

1.1 靜密封設計

靜密封是指密封耦合件之間沒有相對運動的密封形式。靜密封均為接觸式密封。應急泵常見的靜密封設計主要包括各種型式的墊片密封、O 形橡膠密封圈密封、密封膠密封、螺紋密封等。

1.1.1 墊片密封設計

墊片密封應保證墊片連接系統在所要求的工作時間內保持有效密封，使泄漏率低于所規定的泄露指標。墊片密封有效的前提是保證墊片工作應力σ（即墊片密封面與被密封面之間的壓強）大于介質的工作壓力。墊片密封設計應考慮適用介質、介質壓力（正壓還是負壓，是否有壓力脈動）、溫度、適用密封面型式等。

針對應急泵而言，密封墊片常見的有聚四氟乙烯（PTFE）墊、柔性石墨墊、耐油石棉橡膠板和組合墊片等。

聚四氟乙烯PTFE 是取代石棉墊片的理想選擇，其最高使用壓力一般不超過2 MPa，具有高度的化學穩定性，能承受除熔融堿金屬、元素氟和強氟化介質以及高于300℃的氫氧化鈉以外的所有強酸、強堿、強氧化劑、還原劑和各種有機溶劑的作用；PTFE 可在-190～280℃范圍內使用；耐老化性好；突出的不粘性等。基于上述優異性能，PTFE 可在極惡劣的工況下長期使用。柔性石墨墊具有優良的壓縮回彈性、熱穩定性、自潤滑性、耐腐蝕性、抗老化性，在石化行業相關應急泵中廣泛應用。

1.1.2 O 形橡膠密封圈靜密封設計

O 形橡膠密封圈（簡稱“O 形圈”）靜密封是簡單實用的有效密封方式，其密封溝槽、尺寸公差、配合偶件表面粗糙度、規格選用等均已標準化。同其他密封組件相比，O 形圈密封占用空間極小，采用合理、巧妙的O形圈密封與其他型式密封的組合，可以顯著優化密封系統結構與泵總成結構。

O 形圈密封設計主要考慮密封形式、應用領域、介質性質、壓力、溫度、尺寸規格等因素。相關的國家標準有GB/T 3452—2005《液壓氣動用O 形橡膠密封圈》。

1.1.3 密封膠密封設計

密封膠密封主要應用于管道密封。其工作原理是靠密封膠的浸潤性填滿密封面的微小縫隙以形成有效的密封。密封膠選型時應注意密封膠的耐油性、耐水性、耐候性，密封膠應不腐蝕、不污染泵組零件，其耐溫、耐壓應符合使用需求。密封膠使用時注意做好預處理，控制膠層厚度。

1.2 動密封設計

根據密封面間是相對滑動還是相對旋轉運動，動密封分為往復密封和旋轉密封兩種基本類型。對于應急泵而言，動密封一般為旋轉密封類型。應急泵的動密封設計主要包括機械密封、毛氈密封、油封密封、填料密封等。

1.2.1 機械密封密封設計

機械密封（簡稱“機封”）在各類應急泵中廣泛應用。機封按密封端面接觸狀態分為接觸式和非接觸式兩種，其中接觸式密封使用較廣。接觸式機封又以單端面密封和雙端面密封使用最為廣泛。雙端面密封相比較單端面密封增加了一對摩擦副，一般用于密封等級較高的設備。

以平衡系數區分，機封分為非平衡型（適用壓力≤0.8 MPa）、不完全平衡型（俗稱平衡型）、完全平衡型（一般適用壓力＞0.8 MPa）。不完全平衡型應用最為普遍，能平衡一部分液體壓力對端面的作用，能改善端面磨損情況，承載能力較大；完全平衡型很少用。

機封選型時應調查明確主機類型及需要密封的部位、介質特性（如黏度、pH 值、有無腐蝕性、有無懸浮顆粒及纖維雜質、是否易汽化或結晶等）、密封腔體壓力、流體溫度、線速度、軸的振動及偏擺量、軸徑、允許的有效安裝空間、允許泄露量、泄露方向要求、支持系統情況等。機封技術的水平與密封材料密切相關，機封的選型應格外關注摩擦副組對材料、補償原件材料、輔助密封圈材料、其他部件材料的選擇。

機封摩擦副組對材料選型時，注意組對材料應具備耐磨性、耐腐蝕性、良好的耐熱性和熱傳導性、機械強度、摩擦系數小、氣密性、組對材料的兼容性等。某款主要應用于應急排澇、遠程大流量供水的應急泵，其機封組對材料為鎳鉻基硬質合金。

輔助密封圈的材料應能適應介質特性，具有較好的耐老化性、耐高溫性、耐低溫性，永久變形量適宜，高壓時應具備抗爆性，在滿足使用工況下應考慮經濟性。彈性原件材料應強度高、耐介質腐蝕、耐疲勞、長期工作彈性不會降低。

完整的機封密封設計包括機封本體和支持系統，兩者同等重要。機封支持系統主要包括沖洗、冷卻、過濾等部件。機封的沖洗、冷卻介質可以是從應急泵出口側引入的循環冷卻水或密封腔內的潤滑油。使用循環冷卻水作為沖洗、冷卻介質時，應從泵體流道、泵整機結構上控制循環冷卻水中雜質或懸浮顆粒的含量，必要時應設置旋液分離器進行過濾；使用潤滑油作為沖洗、冷卻介質時，應借助其他密封型式做好油腔密封，加注油前清潔油腔。

機封密封設計計算應考慮端面比壓Pc、彈簧比壓Ps進行結構尺寸計算、幾何尺寸計算、機封摩擦功率計算，校驗所選摩擦副組對材料Rcv 值。

機封密封設計對動環內徑與泵軸配合公差、靜環外徑與泵蓋配合孔配合公差、機封安裝段泵軸軸徑向圓跳動公差、泵軸外徑尺寸公差及粗糙度Ra、機封安裝尺寸等均有較高要求，這些關鍵尺寸務必嚴格按公差要求加工。

1.2.2 油封密封設計

油封密封是應急泵密封的主要型式之一。油封密封主要用于密封潤滑油或潤滑脂，防止雜質進入密封腔，以保證軸承及其他精密轉動零件正常工作。

應根據介質性質、溫度、壓力、線速度、潤滑條件、使用工況等因素選用油封的結構型式和材料。設計時應注意泵軸的同心度、泵軸與油封座孔孔徑中心的同軸度會影響油封的性能、唇口與泵軸過盈量、唇口與泵軸接觸寬度，此外，應重點注意與油封接觸的泵軸直徑公差、工作表面的粗糙度與硬度。

1.2.3 氈圈油封密封設計

氈圈油封是在殼體槽內填充毛氈圈，以堵塞泄露間隙達到密封的目的。適用線速度≤5 m/s。

1.2.4 填料密封設計

填料密封由填料盒、填料壓蓋、填料及連接件等組成。由于填料密封的機理，填料密封在使用一段時間后需要及時調整填料壓蓋壓緊程度；填料磨損嚴重時需提前更換填料；填料密封功率損耗較大，直接影響應急搶險泵的瞬態水力性能；為了實現水封環內冷卻介質的循環，往往需要設計較大體積的冷卻水腔或從泵內引水注入水封環，結構復雜。一般而言，填料密封作為應急輔助密封配合機械密封使用。

填料密封實際選用材料由泵送介質的壓力、pH值、溫度等因素確定。

2 保障措施

為保障應急泵具備優良的密封系統，應從設計質量、加工質量、總裝質量、操作維保幾方面加強控制。

2.1 設計質量保障

（1）應急泵的密封系統設計往往需要設計者熟悉和掌握相關配套零部件（如電機、液壓馬達、聯軸器等）的結構設計，這在研發輕便型應急泵時尤為重要。應急泵密封腔密封設計往往需參考驅動機等內部結構設計。某系列應急泵為嚴格控制尺寸、重量，即采取潛水電機與泵體外殼一體式結構，其密封系統與電機結構設計連成一體。

（2）關于應急泵主要水力元件（包括葉輪、導葉、泵體）的水力性能研究是決定泵整機性能的關鍵。良好的水力設計是密封系統設計質量的基礎。

水力性能研究CFD 方法在數模計算中采用不可壓縮流體的連續方程和Navier－Stokes 方程來模擬水泵內部流場的流動狀態。N-S 方程主要解決速度壓力耦合問題，采用壓力校正，可以得到壓力場和速度場的收斂解。應急泵CFD 仿真可建立數學模型、幾何物理模型，并對物理模型定義邊界條件。

基于水力性能研究，應急泵整機結構設計關鍵在主要水力組件（如葉輪、導葉、泵體）的設計。根據應急泵水力設計、汽蝕性能、葉輪形式、軸向力平衡方式、軸承形式、驅動方式、吸入方式、裝卸方式等方面的要求，進行應急泵的整機結構設計，包括應急泵密封設計。

（3）應急泵軸封腔尺寸按ANSI/API 610 第11 版《石油、石化和天然氣工業用離心泵》標準要求設計。

（4）應急泵內部如設置有水冷夾套，應另做靜水壓強試驗。

（5）葉輪一般應先后做靜平衡、動平衡，靜平衡精度一般按G6.3 級，動平衡精度一般按G2.5 級或G6.3級。

（6）泵蓋剛度設計應有保障，以免剛度不夠產生變形造成密封泄露。

2.2 加工質量保障

確保應急泵各零部件符合圖紙設計要求。

2.3 總裝質量保障

（1）機械密封是精度很高的機械部件，能否采用正確的安裝方法，將直接影響其使用壽命和運行效果。安裝前，應清洗機械密封，查看密封端面是否完好無損；安裝過程中，應輕拿輕放。

（2）軸承在各類應急泵中廣泛使用，軸承如不能正常運轉，往往導致應急泵泄露，甚至伴隨發生其他嚴重故障。應根據生產規模，規范軸承的清洗方式、裝配工藝，配備必要的壓裝設備或熱套設備、工具。

清潔度是軸承質量的重要指標之一，目前一般采用汽油或水基清洗劑手工刷洗，以免軸承粘附的微顆粒在工作中脫離，形成泄露隱患。軸承的壓裝質量直接影響應急泵軸承密封腔的密封質量。軸承與泵蓋軸承體安裝腔一般為過度配合，軸承壓裝到位較困難，壓不到位、壓偏現象，往往造成油封松動、摩擦，導致密封漏油。軸承的安裝目前一般采用冷壓法、溫差法或溫差法與冷壓法結合。

（3）確保所采購的機封、O 形圈、油封、氈圈油封等密封元件均符合要求。

（4）應急泵與驅動機連接時應找正，常采用專用工裝，借助百分表讀數確定是否符合要求。如某款大流量應急泵泵軸與原動機軸同心度允許調動量為±0.3～0.5 mm。

（5）泵體螺母應對稱均勻緊固。

（6）總裝過程中應注意環境清潔。

2.4 操作維保

（1）操作者應基本了解所使用應急泵的類型、驅動方式、工作原理、結構，掌握基本的維護保養知識，熟悉操作及注意事項。

（2）工作過程中應注意觀察應急泵有無異常振動和雜音。如振動過大或有明顯雜音，應立即停泵檢查。

（3）工作過程中應適時觀察應急泵出水流量有無異常變化。

（4）應注意應急泵進水管路發生汽蝕時泵腔內水流量嚴重不足，甚至出現抽空現象，會造成機械密封摩擦副過度磨損，引發密封失效。

（5）定期檢查應急泵潤滑油液位有無異常或泄露、潤滑油有無變質。工作過程中應留心觀察應急泵有無潤滑油泄露。

（6）工作過程中應適時觀察液位，若應急泵取水區域液位低于規定最低水位，應停泵。液位過低時勉強運行會造成應急泵損壞。

（7）抽完海水或者排澇污水后，應及時用清水沖洗應急泵及泵管路。

（8）根據應急泵的類型、驅動方式等因素，設計詳細的定期檢修單，做好定期檢修。應急泵的定期檢修可以及時發現問題、及時修理，可最大限度延長應急泵使用壽命，且維修成本低。定期檢修時，應重點關注機封、O 形圈、油封、氈圈油封、密封墊片、密封填料等質量狀況，重點檢查潤滑油脂的品種、加注量是否合適或有無泄露，查看應急泵與驅動機的連接或應急泵地腳螺栓的連接是否緊固以及應急泵關鍵零件如泵軸、葉輪、密封口環、泵蓋軸承體、軸承等有磨損、銹蝕、變形等。

3 結束語

遠程大流量供排水、應急大流量排澇、森林消防、城市管網應急排水等領域對應急泵的性能參數、取水方式、驅動方式等需求都不盡相同，因此各類應急泵的整機結構設計包括密封系統的設計往往存在差異，然而密封的原理都是一樣的。基于優良的水力設計前提，應急泵的密封系統由一種或多種密封元件組成，各密封元件本身的質量、對應的密封處結構設計質量、加工質量以及整機安裝質量等最終構成應急泵密封系統質量。本文進行應急泵的密封系統設計及保障措施探討即以密封系統的組成單元——密封元件及對應結構設計著手分析，并探討了相關的保障措施，最終落實在實際工作中。筆者所在企業先后研制的某幾系列應急泵分屬不同類型，經過各地客戶多次實戰驗證均可滿足連續正常作業≥15 d，其密封性能的可靠、優異、穩定已在全國幾十個城市得到充分驗證并獲得充分肯定。