离心泵机械密封结构失效原因与维修改造可行性建议

祁刚

摘 要：各种离心泵故障中，机械密封泄漏所占的比例较大。分析了引起机械密封失效的各种因素，阐述了机械密封失效的原因，并针对失效原因提出了消除措施和改进措施，从而提高改造效果。

关键词：离心泵;密封失效;消除

1.前言

从1885年英国第一个端密封专利的问世到2000年非接触式机械密封的问世，机械密封在泵端密封中的应用越来越广泛。与传统填料密封相比，机械密封具有密封性能好、寿命长、耐压高、降低能耗和环境污染等优点。

机械密封的基本结构和原理

1.1机械密封的基本结构

机械密封又称端面密封，是指至少一对垂直于旋转轴线的端面。在流体压力和补偿机构和辅助密封件的弹力（或磁力）的作用下，它们保持彼此靠近并相对滑动以防止流体泄漏。

1.2机械密封的辅助设施

机械密封辅助设施是许多部件的统称，其作用是改善机械密封的工作环境，提高密封效果。包括一系列的相关旋转和非旋转零部件和机械密封冲洗管道等。在实际应用中，根据具体情况选择合适的设施。在所有的辅助设施中，最重要的是冲洗设施。对于冲洗液的过滤和分离，通常使用过滤器和水力旋流器。

1.3机械密封失效的机理

安装静态试漏。机械密封安装调试完毕后，必须进行静态试验，通过观察泄漏情况来分析泄漏原因。如果泄漏量很小，多是动或静环密封的问题;当泄漏量较大时，说明动静环摩擦副之间存在问题。在初步观察泄漏和判断泄漏位置的基础上，通过手动盘车来进行观察。如果泄漏量无明显变化，则为静环和动环密封有问题;如果曲轴转动时泄漏量变化明显，则可以断定是动静环摩擦副有问题;如果泄漏介质沿轴向喷射，则多为动环密封问题。如果泄漏介质喷洒或从水冷孔泄漏，则静环密封大多无效。此外，也可能同时存在多个泄漏通道，但一般有主次之分，通常维修人员都会关注到主要的泄漏通道，而忽略不太明显的泄漏通道。此时就需要仔细观察，熟悉结构，做出正确判断，找出所有的泄漏通道。

2.运行过程中的泄漏分析

导致连续密封泄漏的原因有很多，主要集中表现在密封端面，如端面变形不均匀、端面有裂纹等。端面比压过大、摩擦热引起的热变形、安装时零件受力不均等等情况都会造成连续密封泄漏的发生;工作介质中的颗粒物在运行时进入系统缝隙中，擦伤动、静环密封端面;动环或静环密封圈与轴的垂直误差过大;辅助密封问题，如辅助密封在安装过程中被压坏或划伤等，弹簧偏心、比压过小或弹簧失效等等情况都会造成连续密封泄漏的发生;防转销末端不支撑防转槽;轴振动过大;泵叶轮轴向运动超标、工艺运行不稳定、密封腔内压力变化频繁等，都会造成密封周期性泄漏情况的发生;密封圈处轴套表面有轴向槽、凹坑或腐蚀。突然泄漏主要是由几个因素造成的。例如，设备振动剧烈，摩擦副被泵出损坏;防转销脱落或传动销断裂;安装错误或不符合要求。重新运行泄漏也是机械密封失效的常见形式。机械密封结构在停止使用一段时间后重启也十分可能会漏水。这主要是由于摩擦副附近介质凝固结晶、摩擦副上结垢、堵塞和失去弹性造成的。根据研究分析得出的数据显示，操作不规范是导致机械密封失效的主要因素，约占42%。为了尽量减少机械密封失效的发生，必须严格按照操作规程进行安装、检查、维护和清洗。养成良好的操作习惯，保证机械密封的正常运行。

3.消除机械密封失效的措施

3.1消除安装调试的振动源

泵、电机、底座、现场管道等辅助设备在现场安装时应严格检查;应严格检查现场生产、操作、维护和调整;应提高泵的抗汽蚀性能水平，以满足现场安装的汽蚀性能要求。在泵产品的制造和装配过程中，必须严格按照标准和操作规程，尽量减少装配过程中的人为因素对于装配精度的影响，因为装配精度将对泵的使用寿命产生非常大的影响;现场试验装置的要求应与泵的汽蚀性能等级相匹配;现场安装和调整工况应为泵创造有利条件;在泵产品的设计过程中，要充分分析振动源，消除振动源。

3.2重选机械密封结构

针对输送泵密封在使用过程中过早失效，车间管理人员应该与厂家技术人员进行充分的沟通，经现场检查和局部尺寸测量后，确定可采用集装式机械密封代替原厂。与普通双端面机械密封相比，集装式机械密封具有以下优点： 1、密封件在出厂前由厂家全部组装好，并进行动、静压试验，确保备件合格并且不会在工厂发生泵启动时泄漏的问题。2、安装过程中，维修人员无需调整尺寸，只需拧紧密封箱上的四个螺栓，降低了对工人技术水平的要求，减少了人为安装误差，从而大大降低了因维修人员装配技术水平差异对泵的性能和使用寿命产生的影响。3、弹簧的压缩量由制造商在出厂前根据实际工况计算。定位机构用于保证弹簧的压缩量，使密封件能在设计条件下运行，可以提高密封件的使用寿命。4、结构紧凑，体积小，便于运输，减少了运输过程中密封件损坏的可能性。

在开始测试之前，保持密封腔内充满液体。利用蒸汽加热密封腔，使介质熔化。对于采用泵外油封系统的机械密封，应先启动油封系统。热油泵停机后，不能立即停止油封腔和端封内的冷却水。端封油温降至80度以下时应停止冷却水，以免损坏密封件。如果泵启动后有轻微泄漏，应观察一段时间。如果连续运行4小时后泄漏量仍未减少，则应停泵检查。泵的工作压力应稳定，压力波动不超过101kPa。泵在运行过程中，应避免抽空，以免密封面干摩擦，损坏密封;应经常检查密封情况。运行时，当泄漏超标时，重油不超过5滴/分钟，轻油不超过9滴/分钟。若1-2天内无改善趋势，应停泵检查密封装置。

输送泵维修过程中，机械密封的现场安装由维修人员完成，容易出现以下问题：（1）安装过程中，机械密封受压受人为因素影响，如维修人员的安装经验和操作技能等都会对机械密封效果产生影响。（2）动、静环密封与轴套配合不好，容易对机械密封的效果产生影响，造成泄漏现象的发生。（3）现场安装条件有限，容易造成泵启动时颗粒杂质进入动、静环密封端面，对机械密封断面造成磨损，加大断面间隙，造成泄漏现象的发生。（4）制造商难以在出厂前做到压力试验覆盖率100%。即使对机械密封结构进行了压力测试，也不能保证现场安装后密封不会泄漏，因为运输途中的颠簸震动可能会对机械密封结构的稳定性、强度等产生影响。另外，输送泵是间歇运行，频繁启停也很容易引起泵抽真空或气蚀等异常现象。这些问题很可能导致密封件泄漏和过早失效。

3.3机械密封参数的确定

确定机械密封结构类型后，根据介质确定材料等重要参数。考虑到胶体材料中含有少量硬质杂质颗粒，动环仍采用硬度高、磨损系数低的硬质合金，静环采用无压烧结碳化硅代替原碳石墨。這两种材料组成的摩擦副非常适用于含有颗粒的环境，并具有性价比高、使用寿命长的特点。密封圈采用耐高温氟橡胶，垫片采用聚四氟乙烯，金属采用304不锈钢。考虑到泵的高速运转和端面比压的稳定性的双方压力，仍采用多弹簧结构，平衡系数和端面比压机械密封根据现场工况重新计算。 并选择合理的值来确定弹簧的参数，由此可以对机械密封的参数做出一个比较优化的解决方案。

结束语：在处理离心泵机械密封泄漏时，必须结合系统工况特点，仔细观察密封元件的损坏形式和痕迹，不断探索和总结机械密封失效的原因。并且形成可快速追溯的记录。随着材料和制造技术的进步，机械密封的可靠性有了很大的提高。如果机械密封结构能够选择得当，安装准确，保养得当，机械密封可以长期稳定运行。

参考文献：

[1] 孙永杰， 温炳清， 刘凤. 离心泵机械密封结构分析及改进[J]. 设备管理与维修， 2013， 000（012）：60-61.

[2] 柴春林. 离心泵机械密封泄漏现象分析[J]. 润滑与密封， 2009， 34（001）：104-105.

（中国石油管道局工程有限公司维抢修分公司，河北 廊坊 065001）