工程實驗裝置用泵軸封磨損原因分析

郝 俊，張富美，楊智翔，榮 剛

（中廣核研究院有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

某綜合實驗臺架立式介質輸送泵，運行停運后再次啟動前盤車檢查，發現轉子盤動較緊，盤動一周過程中有某處力矩較大，需要雙手才能盤動。外觀檢查發現集裝式干氣密封軸套上移，軸套上止動槽同集裝式干氣密封止動塊錯口約1.3 mm，止動塊無法插入止動槽中。拆卸軸套止動螺釘檢查，未見軸套移動痕跡。考慮此偏差為安裝遺留，未做處理，泵繼續運行。啟停數次后，盤車力矩稍有增大。再次啟泵后，干氣密封外表面溫度在15 min 內迅速升至50 ℃以上，且電機電流較往常高10%左右，判斷為干氣密封處有摩擦，需停泵解體處理。

1 泵用干氣密封機理

該泵所用干氣密封是廠家為該泵單獨設計的，為雙端面帶停車密封的集裝式干氣密封（圖1），其主體結構與JB/T 11289—2012《干氣密封技術條件》中的DGS/C-B 雙端面干氣密封類似（圖2）[1]。

圖1 集裝式干氣密封結構

圖2 DGS/C-B 雙端面干氣密封

圖1中，整個干氣密封分動、靜兩部分，轉動部分主要由動環、軸套、軸套緊固螺母及鎖緊螺釘、停車密封轉動部件及緊固螺釘、密封圈等部件組成，靜止部分主要由靜環、停車密封靜止部件、彈簧、集裝密封外殼體（包含靜環座）、緊固螺栓、密封圈等部件組成。在雙端面動環密封面上開設有動壓槽，以便在旋轉時通過流體動壓潤滑提升潤滑效果，減少動、靜環密封副摩擦。

泵的密封機理為通過覆蓋氣密封泵送介質，再通過干氣密封密封覆蓋氣。泵在停運時從A 口通入氬氣，克服彈簧彈性力推動停車密封靜止部件上移，使密封圈與停車密封轉動部件密封面壓緊來實現密封，以防止覆蓋氣泄漏。泵啟動時，首先停止A 口進氣，排出停車密封靜止部件下部的氬氣，停車密封靜止部件在彈簧彈性力的作用下下移，密封面分開，具備啟動條件。

啟動及正常運行時，從B 口通入氬氣，在雙端面動、靜摩擦副間形成潤滑冷卻氣膜，將動、靜環隔開，形成非接觸式密封。為防止泵送介質顆粒隨著覆蓋氣從迷宮密封處上行進入干氣密封，破壞動、靜密封面，從D 口引入吹掃氣。吹掃氣上行通過迷宮密封進入干氣密封，下行通過迷宮密封進入覆蓋氣腔。當覆蓋氣腔壓力過高時，將通過手動打開閥門排放。

對比圖1、圖2，可知介質輸送泵干氣密封與DGS/C-B 雙端面干氣密封主要區別在于：

（1）吹掃氣（圖2 中的前置氣）進排氣位置變化。介質輸送泵干氣密封進氣為由迷宮密封處進氣，由覆蓋氣腔間斷排氣。DGS/C-B 雙端面干氣密封為由獨立前置氣口進氣，由迷宮密封處連續排氣。

（2）密封氣進氣口位置變化。介質輸送泵干氣密封進氣口靠近介質側密封靜環背側；DGS/C-B 雙端面干氣密封進氣口更接近雙端面密封副中間。

2 解體檢查情況

解體干氣密封檢查，主要發現以下缺陷：

（1）介質側動、靜環密封面磨損，靜環（材料為石墨）密封面磨損量0.02 mm 左右，動環（材料為碳化硅）密封面輕微磨損，流體動壓槽槽型完整（圖3）。

圖3 介質側缺陷

（2）大氣側動、靜環密封面磨損，靜環（材料為石墨）密封面磨損量0.06 mm 左右，動環（材料為碳化硅）密封面磨損量0.01 mm 左右，流體動壓槽嚴重受損（圖4）。

圖4 大氣側缺陷

（3）停車密封彈簧傾倒，停車密封蓋與停車密封腔配合面輕微劃傷（圖5）。

圖5 停車密封缺陷

總體來看，干氣密封損壞主要集中在雙端面動、靜環密封面處，軸套、軸套鎖緊螺母、止動塊、壓緊套、彈簧座、推環等動、靜部件狀態基本良好可用。干氣密封內的雜質幾乎全為靜環密封面磨損產生的石墨粉末。

3 故障原因分析

根據干氣密封解體檢查情況，結合干氣密封結構、密封機理以及介質輸送泵運行情況，分析干氣密封故障原因。

3.1 安裝方面

干氣密封在泵出廠安裝過程中未采用集裝安裝，造成軸套相對上移，從而人為增加了大氣側動、靜環的閉合力，加大了動、靜環的摩擦，進而加速了動、靜環密封面的磨損。當磨損使動環側動壓槽接近消失時，流體動壓潤滑氣膜無法形成，動、靜環密封面潤滑冷卻快速失效，使干氣密封無法繼續運行。

3.2 運行方面

3.2.1 停車密封腔存壓造成彈簧傾倒

存在啟動泵前停用停車密封氣未及時或完全泄掉停車密封腔內壓力的情況，造成啟動時停車密封靜止部件未與停車密封轉動部件完全脫開，隨干氣密封轉動部件共同轉動，造成停車密封彈簧傾倒。

3.2.2 頻繁啟停加速密封面磨損

由于實驗需要，泵的啟停比較頻繁，啟動及正常運行后泵軸向力的方向轉換及啟動時干氣密封潤滑冷卻氣膜形成不良，均會加速密封面磨損。

3.3 設計方面

3.3.1 閉合力設計過大

軸套上移增大了大氣側動、靜環閉合力，理論上介質側動、靜環的閉合力將減小[2]。但本次拆檢發現介質側的動、靜環在閉合力減小的情況下仍有明顯磨損，說明閉合力初始設計過大，這也是本次干氣密封磨損的可能原因。

3.3.2 進氣口設計不合理

干氣密封密封氣進氣口未正對雙端面密封，靠近介質側靜環背側，可能影響動、靜密封面潤滑冷卻氣膜形成，特別是大氣側密封副氣膜形成，進而加速動、靜環密封面的磨損。

吹掃氣設計為隨覆蓋腔壓力升高1～2 bar（1 bar=0.1 MPa）后間斷排放，而不是連續排放，可能對密封氣形成擾動，影響動、靜環密封面間的氣膜質量。

3.3.3 停車密封結構不合理

停車密封靜環設計不合理，未設置防轉動裝置，造成停車密封動、靜環未完全脫開時可隨動環轉動。同時，停車密封彈簧座孔設計深度不足，造成旋轉過程中彈簧傾倒。

4 解決措施及改進建議

4.1 安裝方面

安裝過程中需盡量保持集裝方式安裝。安裝后松開止動塊后，應檢查止動塊與止動槽無錯口，能夠正常插入。確保干氣密封轉動部分與靜止部分軸向相對位置正確，從而保證雙端面閉合力適當。同時，軸套鎖緊螺母及止動螺釘均嚴格按力矩緊固，確保運行過程中不會因為松動造成軸套的軸向相對移動，進而改變閉合力、加速密封面磨損。

4.2 運行方面

嚴格執行運行規程，啟泵前確保停車密封氣停供，停車密封腔壓力卸至所需狀態。保證停車密封動、靜部分脫開。后續將改進密封氣投運系統，由手動控制改進為自動控制，減少人為造成的失誤。

4.3 設計方面

4.3.1 適當減小閉合力

建議通過減少雙端面密封彈簧數量，或改進靜環結構、減少靜環背側面積的方式，改變彈簧力或載荷系數K，從而在整體上減小閉合力，減少動、靜環密封面的摩擦。

4.3.2 改進進氣口及吹掃管線

改進運行密封氣進氣口位置，使進氣口正對動、靜環密封副，從而保證進氣流速、壓力，提高動、靜環密封面間潤滑冷卻氣膜質量。

改進吹掃氣運行方式，保證連續吹掃，進、排氣暢通，避免覆蓋氣腔壓力升高帶來的可能擾動。

4.3.3 優化停車密封結構

加深停車密封彈簧座孔深度，加強彈簧穩定性。改進停車密封靜止部件，增加導向槽，保證停車密封靜止部件軸向移動的同時，不能產生徑向轉動。

4.3.4 提升密封面材料性能

雖然按pV 值計算，現有密封副的材料可以滿足要求，但考慮到實驗用泵啟停比較頻繁，建議提高密封副材料的性能，如將靜環材料由石墨改為碳化鎢或浸漬石墨，以增強密封副的耐磨性能。