廠用水泵機械密封磨損分析及改進

摘 要：某核電廠用水泵的機械密封采用含泥沙海水進行潤滑、冷卻，存在摩擦副異常磨損、補償彈簧卡澀而導致廠用水泵不可用的問題。鑒于此，結合機械密封磨損機理，分析出造成機械密封磨損的根本原因，并針對該原因給出將螺旋密封和迷宮密封運用到機械密封中的解決方案，同時對機械密封沖洗方式進行優化，為后續廠用水泵機械密封的改造及選型提供了參考。

關鍵詞：含沙海水；機械密封；螺旋密封；密封沖洗

中圖分類號：TM623" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）06-0071-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.06.018

0" " 引言

廠用水系統作為核電廠系統的重要組成部分，其主要功能是向設備冷卻水系統的熱交換器提供冷卻水以支持設備冷卻水系統的縱深防御功能。某核電廠用水泵為國內制造廠設計、制造的多級、立式、液下長軸泵，采用自沖洗的機械密封來實現軸向密封，防止海水泄漏至泵房。此核電所在海域的海水中含有大量泥沙，采用海水自沖洗的方案將加劇機械密封的磨損，致使機械密封過早失效。

本文以2號機廠用水泵01B機械密封失效致使廠用水泵不可用為例，分析了機械密封異常磨損的原因并給出了改進建議，為今后處理此問題提供參考。

1" " 廠用水泵機械密封結構及沖洗方案介紹

廠用水泵機械密封為單端面非平衡型內裝式機械密封，主要由摩擦副、緩沖補償機構、輔助密封圈、傳動機構等結構組成，如圖1所示。

該泵設計沖洗方案為：

1）API PLAN32+13：PLAN32為外沖洗，PLAN13為反沖洗，兩者相結合，當外接水壓力大于泵本體介質壓力時，進水管路止回閥通，外接水對密封進行沖洗。

2）API PLAN14：PLAN14為正向沖洗+反沖洗，當外接水壓力小于泵本體介質壓力時，進水管路止回閥關閉，此時泵體介質內的海水對密封進行沖洗。

2" " 廠用水泵機械密封磨損分析

2號機廠用水泵01B機械密封磨損的原因主要為動靜環磨損和補償機構失效。

2.1" " 動靜環磨損分析

廠用水泵機械密封外沖洗的水源來自生產水分配系統，設計文件顯示生產水分配系統的出口壓力為0.7 MPa，機械密封沖洗水壓力要求為0.5～0.55 MPa。按照上述設計，機械密封在正常情況下，完全可以用工業水來沖洗，但是兩者之間布置了較長的管道和閥門，同時具有較多的用戶，會造成較大的局部壓力損失，實際也是如此，當廠用水泵運轉以后，泵的出口壓力（0.5～0.55 MPa）將會高于沖洗水壓力，致使機械密封沖洗管路上的止回閥關閉，海水自動沖洗機械密封。雖然機械密封采用的是碳化硅對碳化硅的硬對硬摩擦副密封，具有一定的耐磨性，但此核電所在海域泥沙含量為3 830～7 396 mg/L，且泥沙顆粒大小不均，長時間運行必然會導致動靜環的磨損加劇。

同時，帶有泥沙顆粒的沖洗海水壓力為0.5～0.55 MPa，過大的沖洗速度會使海水中的泥沙對靜環和動環造成沖刷磨損。

2.2" " 補償機構失效分析

由標準JB/T 1472—2023《泵用機械密封》可知，該廠用水泵機械密封正常泄漏量為5 mL/h。根據該海域水質分析報告，海水中含有大量的Cl-、Na+等可溶解物質，含量大致為25 g/L，同時還有大量的泥沙等小型固體懸浮顆粒。由此可知，在機械密封正常泄漏量Q1=5 mL/h，介質只有氯化物，ρ=25 g/L的理想情況下，機械密封一個月的泄漏量Q=Q1×24×30=3 600 mL；由于氯化物具有一定的結晶性，則機械密封一個月的泄漏量將會產生質量為m的結晶鹽：m=Q×ρ=×25=90 g。

結晶的鹽會聚集在傳動座上，同時海水中含有大量的泥沙，一旦泵停運，水分就會逐漸減少，最終導致結晶鹽與泥沙卡澀動環O型圈與彈簧，使整個補償機構動作緩慢甚至不動作，同時也會造成動靜環之間碰撞，導致機械密封損壞失效。

3" " 廠用水泵機械密封磨損改進建議

根據以上分析，機械密封磨損的直接原因為含沙海水沖洗機械密封，其根本原因在于：外接沖洗水壓力小于機械密封腔壓力，從而導致海水進入自沖洗機械密封。因此，需要以增大外接沖洗水壓力為主要方式來改善機械密封的磨損。

本文主要從直接增大外接沖洗水壓力和間接增大外接沖洗水壓力兩方面進行分析。

3.1" " 直接增大外接沖洗水壓力（源頭改造）

根據現場實際情況，直接增大外接沖洗水壓力主要從生產水分配系統源頭（即生產水泵組）進行實施。

廠用水泵機械密封沖洗水水源來自生產水分配系統，生產水分配系統的動力主要來自生產水泵，生產水泵設計流量100 m3/h，揚程70 m。理想情況下，泵的出口壓力能滿足廠用水機械密封沖洗水的要求，但預處理水廠與循泵房之間管道較長、支路較多、閥門較多等眾多因素導致生產水至廠用水泵機械密封處的壓力小于0.55 MPa。

因生產水分配系統至廠用水泵機械密封處沒有壓力表，故廠用水泵機械密封處的壓力具體數值無法得知，但生產水分配系統至循泵導軸承密封水處設置有壓力表，壓力值為0.35～0.4 MPa，兩者距離較近，且共用絕大部分管道和閥門，此數值近似等于廠用水泵機械密封處的壓力，故預處理水廠至廠用水泵機械密封沖洗口處的最大壓力損失為：

ΔP=0.75-0.35=0.4 MPa

P=ΔP+0.55=0.95 MPa

需要提高生產水泵的出口壓力P來滿足廠用水泵機械密封沖洗水壓力要求，考慮到出口壓力高的同時，壓力損失ΔP也會變大，因此可采用95 m揚程的離心泵來滿足要求。

3.2" " 間接增大外接沖洗水壓力（機械密封改造）

根據現場實際情況，間接增大外接沖洗水壓力主要從機械密封改造方面進行實施。

廠用水泵機械密封的沖洗，一路為自沖洗，另一路為反沖洗，形成自沖洗、反沖洗的重要原因在于廠用水泵出口壓力大于機械密封沖洗水壓力。因此，需要一種外接沖洗水進入到機械密封腔室后，機械密封能夠實現對沖洗水加壓的機構，最終使機械密封腔室出口處壓力大于泵出口壓力。

目前市場上帶有螺旋結構的機械密封，其沖洗水一般為介質內循環，因此螺旋結構的參數要求不高，只需略微增壓即可增加流體流動，從而實現密封面的冷卻[1]。根據以上分析及調研，可以在機械密封下方增加螺旋密封來實現對沖洗水加壓，如圖2所示。

螺旋密封又稱為“粘性密封”，是一種利用流體動壓反輸的非接觸密封裝置。當軸上螺旋槽（可以簡單理解為泵的葉輪）浸沒在流體介質中時，該軸與流體介質構成固體螺桿與“流體螺母（流體齒條）”的嚙合，當固體螺桿旋轉時，螺桿與流體螺母之間呈相對運動，流體螺母被連續不斷地驅往所希望的一側，從而實現密封功能。其主要參數主要包括密封半徑間隙、密封直徑、密封長、轉動速度、螺紋頭數、螺旋結構截面形狀、螺旋方向等，通過優化參數之間的關系（具體參數如表1所示），可以使壓差達到0.17 MPa，從而使0.4 MPa的沖洗水通過螺旋結構泵送效應增壓至0.57 MPa，大于泵出口壓力（0.5～0.55 MPa）。

4" " 方案對比

針對廠用水泵機械密封異常磨損給出兩種建議方案：

1）直接增大外接沖洗水壓力（源頭改造）方案：此方案需要對現有的生產水泵進行改造，根據上文分析，需要增大葉輪直徑從而增大揚程，由于泵體本身尺寸一定，單獨增大葉輪將會造成磨損，因此需要整體更換泵與電機，同時整個泵座的基礎需要重新調整。

2）間接增大外接沖洗水壓力（機械密封改造）方案：此方案主要是將螺旋密封應用在機械密封中，但通過調研，目前市場上帶有螺旋密封的機械密封所輸送的介質均為內循環，其泵送壓力有限，因此本文根據我廠實際情況對螺旋密封的結構進行設計，使之滿足要求。

兩種方案均可實現“外接沖洗水壓力大于機械密封密封腔壓力”的目標。但根據表2機械密封異常磨損方案對比，從改造的范圍及影響來看，建議優先選擇間接增大外接沖洗水壓力（機械密封改造）方案。

5" " 結論

本文對廠用水泵機械密封異常磨損問題進行了分析，并對比了直接增大外接沖洗水壓力（源頭改造）和間接增大外接沖洗水壓力（機械密封改造）兩種處理措施，得出如下結論：

1）根據該核電廠用水泵采用含沙海水潤滑冷卻機械密封的實際情況，同時結合該海域水質分析報告，得出泥沙磨損機械密封摩擦副和結晶鹽累積卡澀補償彈簧是造成機械密封異常磨損的直接原因，通過此直接原因可分析出機械密封異常磨損的根本原因在于：外接沖洗水壓力小于機械密封密封腔壓力。

2）直接增大外接沖洗水壓力（源頭改造）方案和間接增大外接沖洗水壓力（機械密封改造）方案均可實現工業水潤滑、冷卻機械密封，但從改造的范圍及影響來看，建議優先選擇間接增大外接沖洗水壓力（機械密封改造）方案。機械密封改造具體可從螺旋密封設計、迷宮密封設計、機械密封彈簧布置改進、機械密封沖洗方式改進等四個方面來實施。

3）通過對廠用水泵機械密封的改造，可有效避免海水潤滑、冷卻機械密封，更大程度保證了機械密封在正常運行工況和異常運行工況下的可靠性，同時也為后續AP1000堆型核電機組廠用水泵機械密封的設計及選用提供了參考。

[參考文獻]

[1] 王慧.泵送環及其在機械密封中的應用[J].化工設備與管道，2009（增刊2）：67-70.

收稿日期：2024-12-06

作者簡介：耿加森（1990—），男，河南人，工程師，研究方向：核級水泵檢修。