火电厂凝结水泵机械密封失效研究

毕旺杰 史利强 华电莱州发电有限公司

水泵作为一种介质输送或增压的设备，种类众多，多用于输送水系统、排水系统、供水系统、工业用水、水处理系统、区域或建筑的制冷/供暖系统、消防和灌溉等领域，并在其中承担着重要作用。轴封部件作为水泵设备的重要结构，可以防止空气被吸入泵腔，同时保证介质不向外泄漏。轴封类型有填料密封、机械密封和动力密封等，其中，机械密封具有低功耗、使用寿命长、低泄漏的特点，应用较多。

一、水泵机械密封介绍

机械密封是一种旋转机械的轴封装置，又称端面密封，由至少一对垂直于旋转轴线的端面，在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用以及辅助密封的配合下，保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。机械密封一般分为4 个部分：①动环和静环组成的密封端面，也称为摩擦副；②有弹性元件组成的缓冲补偿机构，其作用是使密封端面紧密贴合；③辅助密封，包括动环和静环辅助密封；④使动环随轴旋转的传动机构。机械密封结构一般由弹簧座、弹簧、动环、静环、静环座和其中所有用于密封的O 形圈等组成。其中弹簧座通过螺钉等紧固作用与轴相对静止，静环座由一个防转销保持固定。由于机械密封特殊的工作条件和重要作用，一般由辅助设施提供冷却介质，对机械密封，特别是动环和静环端面，进行润滑冷却和冲洗，延长机械密封使用寿命。当泵轴旋转时，带动动环等部件一起转动，静环保持静止。由于弹力和介质压力的作用，使动环与静环紧密接触，这样动环与静环相接触的密封面，可以阻止介质泄漏。由于动环与静环紧密贴合，使密封端面交界处形成一个微小间隙，当介质通过此处时，形成一层液体薄膜，产生一定阻力，阻止介质泄漏，同时对密封面起到润滑作用，使密封效果长久。机械密封一般有4 个密封点（泄漏点）：动环与静环之间的动密封；动环与轴或轴套之间形成的相对静密封；静环与静环座之间，以及压盖与设备之间的静密封。

当泵轴旋转时，带动动环等部件一起转动，静环保持静止。由于弹力和介质压力的作用，使动环与静环紧密接触，这样动环与静环相接触的密封面，可以阻止介质泄漏。由于动环与静环紧密贴合，使密封端面交界处形成一个微小间隙，当介质通过此处时，形成一层液体薄膜，产生一定阻力，阻止介质泄漏，同时对密封面起到润滑作用，使密封效果长久。机械密封一般有4 个密封点（泄漏点）：动环与静环之间的动密封；动环与轴或轴套之间形成的相对静密封；静环与静环座之间，以及压盖与设备之间的静密封。

二、密封结构失效原因分析

（一）密封元件选择不合理

水泵密封元件的使用寿命受到很多因素的影响，其中最主要的影响因素就是密封件选择的合理性，在水泵设计和维护的过程中，密封结构的失效也多是由于密封元件选择不合理导致的，其主要表现在以下几个方面。一是密封件的耐磨性不足，由于水泵中的液体存在较大的运动速度，若液体中还有较多的杂质或添加物，会很容易因为磨粒的存在造成严重的磨损问题，此时若密封元件的材料耐磨性不足，则会出现早期磨损而产生泄漏问题；二是密封元件的耐腐蚀性不足，水泵在酸碱环境中使用时，若水泵中的密封元件抗腐蚀能力不足，可能因为酸碱腐蚀问题使元件的弹性减弱或出现开裂等问题；三是密封元件的耐高温性能不足，水泵在高温液体的环境中使用，也可能因为密封元件选择不合理而导致密封元件过早老化，使密封元件的可靠性大幅降低。

（二）密封结构的设计不合理

在水泵结构设计过程中，其内部的结构设计往往对于机械密封结构的使用寿命存在较大的影响，密封结构设计不合理造成的密封失效问题主要表现在以下几个方面。一是压紧密封面的压紧面积不足，当压紧面积不足时，与压紧面配套使用的密封垫片往往面积也较小，在长期使用的过程中寿命不易保证；二是由于在机械设计的过程中，金属部件之间的较小空隙会使液体流动时出现冲击力剧增现象，若小间隙或孔状结构位于密封元件附近，密封元件会长期受到大于设计值的液体冲刷力作用而产生失效问题；三是水泵传动轴运转过程的挠度过大，造成密封元件在密封过程中的受力不均匀，长此以往密封元件的局部功能出现失效，易出现泄漏问题。

（三）维修保养操作不合理

很多情况下，水泵在维修和保养的过程中，往往达不到出厂时的技术条件和装配质量，很容易导致水泵机械密封结构失效。例如，在维修过程中拆卸不当会造成密封弹性件的损坏、替换密封件时材质选择不当造成更换的元件快速损坏等问题。还可能存在更换动环、静环等元件时，密封件安装受力不均匀，造成局部位置密封状态不好而出现泄漏。在对水泵壳体、端盖、传动轴安装时，也可能出现螺栓紧固受力不均、轴承压盖安装不到位、轴与轴承安装不合理等问题，都可能造成机械密封结构的早期损坏而失效。

三、处理措施

（一）压力产生的泄露真空状态运行下造成的泄露

当水泵启动或停机时，受泵进口被堵塞、抽送介质混入气体等情况的影响，导致密封腔内发生负压情况，此时在负压作用下密封腔内密封端面将发生干摩擦，从而导致机械密封失效。可以说过量摩擦是导致密封失效的重要因素之一。针对这种情况处理方案是：机械密封可选用双端面，以起到改善润滑条件的作用，进而使得机械密封的密封性得到提升。此外还应严格控制好耐磨材料，可选择耐干磨、机械强度高、耐高温、变形能力强的材料。高温和高压造成的泄露。当所设计弹簧的比压或总比压过大，或是当密封腔内压力值超过3MPa 时，会导致端面的比压较大，此时在端面间就无法形成具有流体动力压和静压力的液体膜，导致端面发生干磨损或半干磨损，从而产生大量热量，在摩擦作用下瞬间烧毁摩擦副，令水泵机械密封端面因高温而产生严重变形，密封失效出现渗漏。同时，当弹簧的比压过大时该构件易出现疲劳，自身调节能力丧失，过早失去弹性，当比压过小时又无法起到应有的密封效果。针对高温和高压造成的密封故障解决方案为：在水泵机械密封安装时，必须严格参照规定数值设定弹簧压缩量，通常误差不超过±2.00mm，压缩量过大和过小都可能引发故障。在密封安装前，需合理布设弹簧的旋转方向，比如静环端面，其轴向呈顺时针运动，弹簧应旋转右旋弹簧，若呈逆时针运动则应选左旋转弹簧。在高压环境下，为确保机械密封端面更加合理，尽量避免变形情况发生，可选用陶瓷等耐压强度较高的材料，也可选用硬质合金，同时要加强冷却处理，做好润滑措施，选择与之相适应的传动方式。

（二）周期性渗漏转子周期性振动

当定子与上下端盖未对中或叶轮与主轴不平衡时将会引发转子周期性振动，对轴承产生磨损，使得密封失效而出现泄漏。可参照维修标准进行检修即可。泵转子轴向窜动量过大，密封于轴公差带之间过盈量较大，结合较松，轴上动环无法灵活移动。其主要原因是水泵翻转后，因动静环被磨损，移位补偿不到位而导致上述情况发生。解决方案是：在安装水泵机械密封时，应按照要求确保轴向窜动量不超过0.1mm，径向跳动度低于0.06mm，将轴最大挠度控制在0.05mm内。保证辅助密封与轴之间的过盈量适中。确保水泵机械密封性能良好的基础上，安装动环时使其能够在轴上灵活移动。由于润滑油不足，导致密封端面长期处于干摩擦状态，导致端面拉毛现象发生。其解决方案：检查油室腔中润滑油量，确保其高度必须高于动静环密封面。在安装时可在密封端面浇灌适量的润滑油，以保证其润滑效果。同时应针对不同的密封材质选择对应的润滑油，以免导致O 型圈被润滑油浸泡后出现膨胀，导致自身老化速度加快，使得密封失效。

四、结束语

水泵机械密封应用中最常见的故障是失效，且在水泵运行的每一个运行阶段都可能发生。而导致机械密封失效引发渗漏的原因有很多，泄露方式也存在多样性。一旦出现泄露将会使得水泵机械密封的使用年限降低，并对设备整体运行情况产生影响。对此必须要重视泄露情况，根据其发生的原因选择相应的应对措施。