卧式自吸离心泵机械密封失效分析和解决措施

徐铁+林志强

摘 要：针对某某型艇配套的卧式自吸离心泵多台次出现的机械密封失效、漏水的故障现象进行原因分析，认为该机械密封的失效与其使用的工作环境密切相关，进而通过改进机械密封的安装结构排除了故障，并指出对自吸离心泵轴封腔的结构设计应充分考虑其环境条件的因素。

关键词：卧式自吸离心泵 机械密封 故障分析 解决措施

1.前言

若干艘某某型艇配套的卧式自吸离心泵作淡水泵使用。在投入使用后频频发生机械密封失效而导致漏水的故障，影响了正常使用。

笔者在艇上该泵的使用现场对其机械密封的故障现象，以及该型泵在现场的安装使用情况进行反复观察、了解，分析了该型泵机械密封失效的根本原因是由于该泵的运行环境条件所造成。最后通过对机械密封的重新选型和改进其安装腔室结构，使之适应该泵运行环境条件而彻底排除了故障。

2.自吸离心泵的轴封结构及故障原因分析

2.1自吸离心泵的轴封结构形式及其运行的环境条件

如图1所示，该型艇的淡水泵为卧式自吸离心泵。正与普通的卧式自吸离心泵一样，它是由泵体、叶轮、泵盖、泵轴、机械密封等零部件组成。

本型泵的轴封结构形式为单端面机械密封，并安装在与泵腔（高压区）相互連通的密封腔室内。

众所周知，机械密封的密封效果主要依靠动环与静环组成的摩擦副。在其使用前一定要加足清水，以免造成干摩擦，使摩擦副密封面磨损、破裂和烧结。由于本型卧式自吸离心泵的密封腔与泵腔（高压区）相互连通的，而自吸离心泵在首次启动前也必须往泵腔内注满水，由于自吸离心泵的自吸时间一般不会超过150秒，因此泵腔内所储存的水能有效保证泵自吸过程中对机械密封的冷却和润滑。泵自吸过程完成后进入正常工作状态，此时泵抽送的水会源源不断通过泵腔，也能保证机械密封摩擦副长期得到有效的冷却和润滑。所以自吸泵的密封腔不管是泵在自吸过程还是在正常运转过程，密封腔内始终储存有足够的液体，从而保证机械密封的静环与动环组成的密封面摩擦副能够得到这些液体的润滑与冷却，防止机械密封的密封面干磨烧损及橡胶密封件因过热而炭化失效。

2.2机械密封的故障原因分析

笔者在艇上对出现机械密封失效故障的泵进行拆解检查，发现机械密封的橡胶密封件已有明显烧焦炭化的痕迹，动环与静环的密封面也有烧伤变色的痕迹。从故障现象分析表明，机械密封的失效是因为缺水运行造成动环与静环干磨烧损所致。

该泵的使用是为了保持该艇的配重平衡而设置，当艇的首部随货物的消耗出现装载过轻时，须将储存于艇的尾部淡水舱中的淡水抽送到艇的首部进行压载。尾部淡水舱的储水量只有2.5m3，而装配的自吸离心泵的额定流量为8m3/h。因此在约20分钟的时间内该泵就能把淡水舱的水全部抽完。若在每次抽完水后及时停泵即不会出现机械密封因为缺水运行导致动环与静环干磨烧损的故障。但是由于该泵的电器控制装置没有设置自动监视断水停机的功能，操作者也不可能每次都在现场监视淡水舱的水是否被抽完。因此，由于淡水舱的水被抽完后没有及时停泵，泵仍不停地空转，甚至连储存在泵腔内仅有的用于下一次启动时自吸引水必须的液体也全部被排出泵外。机械密封最终因缺水运行导致动环与静环干磨烧损、橡胶密封件烧焦炭化的故障。

以上情况说明，出现机械密封失效而漏水的原因似乎就是使用不当造成的。但从更深层次去分析原因的话，笔者认为其基本原因应是该艇的设计者在设计时未考虑到泵断水后可能出现的故障问题，从而在设计上未采取任何断水保护措施。

3.自吸离心泵的轴封结构结构改进

3.1解决机械密封故障的方案选择

综述原因，提出了解决问题的如下3个方案。

方案1：在自吸离心泵的电器启动箱的控制回路上，增加时间继电器。使泵启动后时间继电器开始计时，并在时间继电器的设定时间内自动停泵。

方案2：在自吸离心泵的出水管道上安装一个水流感应器或水压感应器，当泵出现断流或没有出水压力时，该感应器能向泵的启动箱发出停泵信号，从而将泵关停。

方案3：将自吸离心泵的轴封结构进行改进，使机械密封能在泵断流的情况下仍能可靠地工作。

方案1和方案2因涉及电器启动箱的改进，布置电线、电缆，还涉及电线、电缆的穿舱水密等问题。最后经使用方同意，采用方案3。

3.2轴封结构改进方案的实施改进时应充分考虑以下几点原则：（1）应保证自吸离心泵的性能参数指标不变。

（2）应保证自吸离心泵的外形及安装尺寸不变。

（3）应以最少的零部件改动，达到最理想的效果。

（4）为达到自吸离心泵在断流且泵腔内没有储水的情况下机械密封仍然有水冷却与润滑的效果。机械密封腔应与泵腔分隔，使机械密封安装在能够储存水的独立的密封腔内。

如图2所示，为改进后的密封结构图。把原来的单端面机械密封改为满足相同轴径安装要求的双端面机械密封；把原来的泵盖改为互相嵌装在一起隔离板和密封盖，其径向和轴向定位仍采用原泵的位置和尺寸；在密封盖上部安装一个注水螺塞。

密封腔结构改进后，双端面机械密封处于一个封闭的密封腔内。由于密封腔储存的水不会受到泵腔内叶轮的影响，因此相对而言密封腔内的水在较长一段内是不会消耗的。从而确保自吸离心泵在断流及泵腔内无水的情况下，密封腔内仍有水对双端面机械密封进行冷却和润滑，保证双端面机械密封不会发生干磨烧坏。改进前后的机械密封腔结构对比如图3。

3.3轴封结构改进后的试验效果和使用效果

试验1：轴封结构改进后的卧式自吸离心泵装在试验台上。泵进出口均不接入管路（使泵断流），按正常条件泵腔和密封腔均注满水。启动泵连续运转5个多小时，每隔30分钟测量机械密封腔温度，实测最高温度在48℃（当时环境温度为31℃），试验过程中未出现机械密封泄漏现象。试验完后拆卸检查，原泵腔内充满的水已被叶轮飞溅或蒸发后仅剩下3ml，密封腔内储存的水未见减少，机械密封的动环、静环未见有烧损痕迹，橡胶密封件完好。

试验2：轴封结构改进后的卧式自吸离心泵装在试验台上。泵进出口均不接入管路（使泵断流），泵腔内无水，密封腔注满水。启动泵连续运转9个多小时，每隔30分钟测量机械密封腔温度，实测最高温度在48℃（当时环境温度为31℃），试验过程中未出现机械密封泄漏现象。试验完后拆卸检查，原泵腔内充满的水已被叶轮飞溅或蒸发后仅剩下3ml，密封腔内储存的水未见减少，机械密封的动环、静环未见有烧损痕迹，橡胶密封件完好。

4.结论

在舰船用水泵的故障中，机械密封的故障占相当高的比例，其原因较多。其中也有因整个水泵管路系统设计、水泵选型或水泵设计时，未充分考虑水泵可能出现断流致使机械密封干磨运行而失效的因素。此文可为相关从业人员起抛砖引玉的作用。

参考文献：

[1]吴仁荣.船用离心泵.国防工业出版社，1991年10月.