某船用泵机械密封装置的改进设计

王高一 吴新跃

（海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉430033）

0 引言

船舶的冷却系统、舱底压载系统、循环水系统、消防系统、辅助锅炉给水系统、日用水系统等都需要水泵来输送常温海水或淡水。某船消防系统采用型号为8CLGⅢ－25的单吸蜗壳式叶片泵，其进口压力允许值为3 MPa，流量为100～972 m3／h，扬程为10～85 m，主要零件的材质为硅黄铜，用电机驱动。该泵原先采用平衡式单端面分立单元机械密封，在长期的使用中出现了很多问题，如泄漏量大、密封效果不佳、维修频繁、寿命短等，这就严重影响了船舶航行的进程，带来很大的维修成本。鉴于此，本文提出一种改进的结构，并使用合理的材料，以保证密封装置在我国海域中可靠运行，并有足够长的使用寿命。

1 原有机械密封装置存在的问题

目前使用的机械密封为平衡式单端面分立单元机械密封，其结构如图1所示。

图1 原有机械密封装置结构图

通过实际应用，并加以分析，认为该密封装置存在如下不足之处：

（1）主密封副选材不合理，无法适应我国海水含沙的工作环境。当前船舶使用的机械密封装置使用硬质合金对碳石墨（即软硬配对）作为主摩擦副，其优点是摩擦系数小，摩擦损耗较小，实践表明这样的主密封副配对在我国海域的使用并不理想。我国海域尤其是在东海一带泥沙、杂质的含量很大，这样的海水无疑对质地较软的石墨会产生破坏性作用，一旦泥沙或硬质颗粒进入密封端面，便极易造成密封面的过度磨损失效，从而引发泄漏。另外，由于硬质合金成本较高，运行中让材质较软、价格较便宜的碳精环被磨损，当碳精环磨损量超标密封失效后，更换碳精环。这样做是为了节约成本和增加经济效益，不太注重使用寿命的长短。

（2）轴套与轴是过盈配合，动环由锁紧螺母与轴套采用螺纹连接M92×1.5进行轴向固定，并用销与轴套周向固定。电机正转时，轴套通过销带动动环旋转，螺纹处于旋紧状态，动环在轴向和周向均与轴套固定，随轴旋转，与静环紧靠，实现密封效果。当电机的相序接错导致泵轴反转时，锁紧螺母由于没有周向力矩带动其旋转，螺纹连接就会松脱，这样动环在轴向失去固定，从而导致其与静环不能紧靠在一起，密封端面贴紧力变小，密封失效，这就阻碍了设备的正常运转，同时也给设备的维修带来极大不便。

（3）密封圈的选材不当。目前使用的辅助密封圈的材料是丁腈橡胶，其在高温、腐蚀性环境中，易老化、龟裂、变硬失弹；如果安装不当，还会出现过度变形。这些都会导致辅助密封效果变差。

（4）密封弹簧长期暴露在海水中，因积垢、泥沙堆积（尤其在东海）、海生物吸附等造成弹簧被堵死失弹，失去补偿作用。

（5）分立式结构的密封装置安装不方便，还会造成人为安装误差。传统的分立式密封装置在安装过程中其弹簧预压缩量、动静环端面与轴线垂直度等关键指标取决于工人的技术水平，所以不可避免地会出现人为的安装质量问题。

2 改进设计

针对原有机械密封存在的问题，参考较为先进的变工况集装式免维护机械密封技术，对现行使用的机械密封装置进行了以下改进设计：

（1）在密封装置和泵体连接的部位安装减压套。此减压套外表面是具有凹槽的迷宫结构，如图2所示。利用“迷宫密封”的工作原理，介质经过该结构初步减压，可将要密封的介质压力降低一半，这样就减小了密封装置的工作压力，进而提高了密封装置的使用寿命。由于密封装置在运行中，减压套会与泵体发生摩擦，而铸造硅黄铜常用于摩擦条件下工作的零件，所以减压套的材料采用铸造硅黄铜。减压套磨损量超标失效后可换新。

图2 减压套

（2）根据机泵的实际运行情况及安装位置，通过拨叉结构将减压套和动环锁紧螺母连接起来，再用螺钉将减压套轴向固定，这样就可以避免因电机反转造成锁紧螺母松脱，从结构上改变机械密封只能正转不能反转的弊端，实现同一个密封正反转通用。拨叉结构的实物图如图3所示。

图3 拨叉结构实物图

（3）动、静环材料改为均采用硬质合金。硬质合金具有极高的硬度和强度、良好的耐磨性及抗颗粒冲刷性，因此适用于重负荷或含有颗粒、固体及结晶介质的场合。机械密封用的硬质合金主要是碳化物（WC），常用的为 WC－Co类。WC－Co是由硬度极高的难熔钨碳化物加Co（或其他铁族金属）作为黏结剂用粉末冶金方法压制烧结而成的［1］。考虑到该新型机械密封装置的使用条件为我国海域多杂质的海水，且其有一定的腐蚀性；同时考虑经济效益，选用牌号为YG6的硬质合金作为摩擦副材料。

（4）密封圈的材料选用全氟醚橡胶。作为机械密封辅助密封件，全氟醚橡胶可以耐高温以及许多有毒有害和强腐蚀的油品，如醚类、酮类、苯环类溶剂、强氧化剂、强酸强碱等，全氟醚橡胶的耐热稳定性能超越了一般氟橡胶，可以在300℃的高温下长期使用。API682—2004规定，除非另有指定，O形圈应采用氟橡胶（FPM），如果氟橡胶（FPM）受到工作温度和化学兼容性的限制，而不能使用，则O形圈应使用全氟醚橡胶（FFKM）材料。全氟醚橡胶是用于高温条件下抵抗化学腐蚀的O形圈通常采用的材料［2］。综合考虑新型机械密封装置的使用工况和API标准，选用全氟醚橡胶作为密封圈的材料。

（5）在机封端盖和静环座之间安装密封圈，用其将弹簧与海水隔离开，避免海水对补偿弹簧的腐蚀，也避免因泥沙的沉积使补偿弹簧失弹而失去补偿作用。

（6）采用全集装免维护设计，安装前准确测量弹簧比压，加装限位器，检查配合尺寸，检查密封端面与轴的垂直度和偏心度。密封组件总成装配完毕后，将应急密封的填料调整螺母和填料压盖松开，压入相应规格的填料；安装时直接将组件总成套入泵壳，并用螺栓将密封装置压盖与泵壳基座连接，紧固即可。安装方便，无人为安装误差，安装质量可靠，并且可以节约大量安装时间。

改造后的机械密封为全集成单端面平衡型静环补偿结构，其总装配图如图4所示。

3 密封装置改造后的效果

改造后的机械密封装置经性能试验和长期实际应用，均满足在我国海域中使用的要求。改造后的机械密封装置有以下优点：

（1）由于采用了全集成免维护结构，这使得密封装置没有人为安装误差，而且节约安装时间，大大提高了安装的质量和效率。另外，免维护设计也大大节省了维修成本。

（2）改造后的密封装置无论是技术、质量、使用效果，还是规格尺寸，均能完全替代原装机械密封，而且，个别部件比原装机封部件性能更优。

（3）大幅度延长了使用寿命。新的密封装置规定两年换新一次，在此期间使用均未出现任何泄漏，密封效果可靠，保证船舶的长期有效运行。

图4 总装配图

4 结语

通过对船用泵原有机械密封装置的改造，新型机械密封装置克服了原有装置的不足，密封效果良好，安装维修方便，使用寿命大大延长，达到了改造的目的。

［1］顾永权.机械密封实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［2］朱立新，王汝美.实用机械密封技术问答［M］.3版.北京：中国石化出版社，2014.