水泵機械密封技術故障的原因分析及處理措施探討

天津市陳塘熱電有限公司 郭 輝

機械密封憑借著使用年限長、安全可靠、泄露滲透量少等優點，在工業、電力行業以及核電行業等領域中應用廣泛，尤其是泵、壓縮機、反應釜等設備應用較多。水泵機械密封效果好，能夠保障水泵的良好運行，但由于影響因素較多，如若不能對故障進行及時判斷，可能會阻礙水泵的運行工況。

1 水泵機械密封情況及故障分析

1.1 機械密封的原理

機械密封是在輔助作用下，垂直于軸線的兩個端面通過相對滑動，從而對液體泄漏情況進行有效阻止的機械裝置。其主要是通過彈性構件與密封介質相互作用產生的壓力，在旋轉的動環和靜環的端面形成壓緊力，使得端面之間緊緊貼合，從而使得端面間具有流體動力壓和靜壓力的液體膜，進而達成密封性目的。在彈簧構件的輔助力作用下，可自動對輕微磨損進行補償修復，延長其使用年限。根據不同的密封方式可分為不同的形式，如內裝式、外裝式、平衡式、非平衡式、單面密封、多面密封、普通式、非接觸式、旋轉式、靜止式等（圖1）。

圖1 機械密封結構示意圖

1.2 水泵機械密封情況

高壓水泵機械密封為單面多彈簧式，其軸徑為110mm，機械密封面線速度設定為30m/s，參考機械密封標準API682，采用的是彈性元件密封，其材質選用的是硬質合金；水泵機械密封沖洗方案參考PLAN32，凈化水沖洗外部，壓力為0.3MPa。根據既往檢修數據顯示，該高壓水泵機械密封的平均使用壽命為800h；動、靜環磨損是導致密封性失效的主要原因，密封環端面常伴有高溫灼燒（圖2）和機械磨損（圖3）跡象，端面出現環狀溝紋或徑向龜裂紋[1]。通過初步檢修分析，水泵機械密封的副端面存在干磨現象，潤滑效果不理想。經過現場再次核查，外沖洗水水溫不超過30℃，基本密封運行要求達標，可判斷故障原因在于機械密封本身。通過對水泵機械密封故障進行詳細的檢查，發現存在以下問題：

圖2 密封面灼燒

圖3 機械密封磨損

過度磨損異常。通過檢修水泵發現，在工作狀態下高壓水泵機械密封存在過度磨損的情況，尤其是動環和靜環的磨損非常嚴重，同時設備在磨損過程中還存在構件破損的情況，導致機械密封的磨損程度進一步加重。高強度壓力是高壓水泵正常運行的工作原理，在除焦系統中對溫度的要求較高，常常需要在高溫條件下完成，在高壓力、高溫影響下，導致密封面不得不面臨雙重損耗，進一步縮短了水泵機械密封的壽命[2]。同時，水泵機械密封較長時間未更換，其潤滑效果和密封性都大打折扣，已無法達到最理想的狀態，這也是導致故障發生的一個客觀性因素。

水垢堆積較多。在水力除焦系統中水是非常重要的組成部分，其由各種元素組成，其中所含的一些大分子物質無法被有效分解，因此在水泵運行時無法被分解的大分子物質就停留在密封表面，長此以往就形成水垢。理論上只要有水的參與就必然會形成水垢，但只要定時進行清理對設備的使用壽命影響并不大。但通過觀察發現，該高壓水泵密封面殘留了大量水垢，超過一般性水流過后產生的量。深入調查發現，主要是因為高壓水泵在運行時，在高溫的侵蝕下水流密度分布出現不均衡現象，集中于某一個方向，因此就使得這一方向出現大量的水垢，進而影響設備的正常運行，使得機械密封磨損面積增加[3]。

節流較小。水泵機械密封在高溫作用下導致水流覆蓋面受到影響，從而使得某一個方向水垢較多，在長期消耗過程中，受大量水垢的影響水流通道發生堵塞，這是導致節流小的一個重要因素[4]。與此同時，密封壓蓋沖洗孔與密封腔體內節流襯套的流通面積進行對比，前者遠小于后者，壓蓋沖洗孔面積過小而無法實現節流的目的。

缺乏全面的冷卻。在檢修過程中發現高壓水泵設備型號比較老舊，性能較低。當前要求定期對水泵型號進行更新，并非是確保高壓水泵能滿足日常生產需求，更重要的是新型水泵的功能更加全面，能避免一些傳統水泵的缺陷和不足。而該水泵型號老舊，機械密封沖洗還是傳統的頂部進水方式，設備冷卻耗時長，無法進行局部冷卻，加大了水泵機械密封故障的發生率。

冷卻不均勻。通過分析可知，機械密封面在高溫作用下磨損程度將增加，同時還會降低水泵的運行效率。因此在機械設備維修管理中要重點關注冷卻降溫這一內容。高壓水泵機械密封采用的是最為常見的彈性元件密封，在運行過程中該裝置無法達到預期的流體分布效果，無法達到均勻冷卻的效果[5]。而這也客觀印證了該水泵機械密封在運行狀態下受熱不均勻，從而導致機械密封失效，發生泄漏故障。

1.3 故障分析

水泵受各種因素的影響，導致水泵在運行過程中發生機械密封滲漏，主要原因在于：動環、靜環密封面在介質雜質顆粒的摩擦下發生磨損，動環因顆粒磨損情況如圖；通過對新舊動環進行對比（圖5）可看出，受磨損后密封環周圍將出現凹凸不平的缺損，從而導致其密封性失效，進而出現滲漏；由于操作不恰當、技術水平有限，在動環安裝時出現不當，從而損壞部件（圖6）；在高溫高壓等惡劣環境的影響，機械密封部件受損；水泵長時間處于空轉狀態，導致動靜環磨損過度。

圖4 顆粒磨損后的動環

圖5 新舊動環比較

圖6 動環密封面損壞

2 水泵機械密封技術故障的處理措施

2.1 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[6]。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[7]。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。

2.2 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[8]。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。

3 結語

泄露是水泵機械密封應用中最常見的故障，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。