反冲洗水泵机械密封泄漏原因分析与对策

夏 超，李 成，梁 阳，明飞翔

(辽宁红沿河核电有限公司，辽宁 大连 116319)

0 引言

冷源系统的功能是过滤核电机组所需的全部海水[1]。某冷源系统反冲洗水泵共有16台，预防性全面解体检修周期为两年。自2013年9月至2020年12月，在一台泵的两次预防性检修周期之内，反冲洗水泵机械密封共出现故障22次。冷源系统反冲洗水泵的多次故障严重影响了冷源系统的稳定运行。如果多台反冲洗水泵同时故障将导致冷源系统失效，严重影响机组的经济效益与安全运行。

因此，分析机械密封频繁泄漏故障的原因，制定有效的方案及措施提升设备的安全可靠性，成为亟待解决的重要问题。

1 机械密封频繁泄漏原因分析

1.1 机械密封泄漏的直接原因

机械密封主要是在动环、静环两个部分的支撑下，对设备内外压力进行平衡的过程[2]。机械密封由图1中的1静环、2动环、3弹簧、4弹簧座、5紧定螺钉、6动环辅助密封圈、7防转销、8静环辅助密封圈和9压盖等元件组成。机械密封是依靠弹簧对动静环端面密封的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧，达到密封的一种轴向端面密封装置，所以又被称为端面密封[3]。

图1 机械密封结构图

机械密封输送的介质可能泄漏的途径有图1中的A、B、C、D四个通道。

A通道：是动环与静环的端面彼此贴合作相对滑动的动密封，它是机械密封装置中的主密封，也是决定机械密封性能和寿命的关键。

B通道：是动环与轴之间的密封，当端面摩擦磨损后，它仅仅能追随补偿环沿轴向作微量的移动，实际上仍然是一个相对静密封。

C、D通道：分别是静环与压盖、压盖与机封函体之间的密封，二者均为静密封。静密封元件最常用的有O形橡胶圈或聚四氟乙烯垫片，作为补偿环的动环或静环辅助密封，也采用兼备弹性元件功能的橡胶或聚四氟乙烯材料。

解体检查发生泄漏故障的机械密封。发现部分故障的机械密封的动环及静环表面存在细砂颗粒(如图2、图3)，动静环密封面存在磨损情况。分析此种情况机械密封泄漏故障的主要原因为：反冲洗水泵正常运行期间，含有细砂杂质的海水进入机械密封动静环端面，细砂杂质进入摩擦副端面起研磨剂的作用，加速了密封面的磨损。当密封面磨损到一定程度时，输送海水就从A通道泄漏，机械密封失效。

图2 动环端面表面杂质 图3 静环表面杂质

除此之外，绝大部分故障的机械密封存在如下缺陷情况：解体检查发现机械密封的动环辅助密封圈、弹簧、轴套以及补偿环处有大量的泥沙。补偿环追随性差，徒手无法按动(如图4、图5)。分析此种情况机械密封泄漏的主要原因为：由于大量泥沙的堆积阻碍了弹簧和辅助密封圈的运动，从而导致补偿环的追随性和浮动性下降；同时，由于机械密封动环的内径和轴套之间的间隙较小，介质中的泥沙杂质不能及时排出，导致杂质堆积、阻塞，阻碍了辅助密封圈的运动[4]。此时输送的海水就从B通道泄漏，从而导致机械密封失效。

图4 机械密封拆解状态 图5 补偿环

1.2 机械密封泄漏的促成因素

该冷源系统反冲洗水泵机械密封所使用的冲洗方案为API PLAN01。机械密封的冲洗是一种控制温度、延长机械密封寿命的最有效措施。冲洗的目的在于带走热量，降低密封腔温度，防止液膜气化，改善润滑条件，防止干运转、杂质沉积和气囊形成[5]。所以机械密封冲洗系统具有控制温度及压力、改善润滑、控制腐蚀及磨蚀、除杂防垢、防止污染等作用[6]。

但是原机械密封的冲洗方案并没有起到控制磨蚀及除杂防垢的作用。根据美国石油学会的API610《石油、石化和天然气工业用离心泵》和API682《用于离心泵和回转泵的泵-轴封系统》中对工业用泵的密封冲洗系统的规定[7-8]。API PLAN01方案只推荐用于清洁液体，且不适用于立式泵。而此反冲洗水泵为立式泵，且输送的介质为含沙较多的海水。所以这种机械密封的冲洗方案并不适用于这种介质环境。机械密封冲洗方案选择不当是机械密封频繁泄漏的促成因素。

根据以上情况分析导致冷源系统反冲洗水泵机械密封频繁泄漏的根本原因为：1)泵取水介质中含砂量大，杂质较多；2)机械密封设计的冲洗方案API PLAN01选择不当，不适用于此种介质输送的密封。

2 机械密封频繁泄漏问题解决对策

根据上文分析的根本原因，在含沙海水介质的条件无法改变的前提下，我们制定解决方案的方向为：1)消除进入机械密封内介质中的杂质；2)选用耐磨材料的机械密封或填料密封，降低含杂质的介质对密封的影响；3)隔离含杂质的介质，使杂质无法附着在动环组件与轴套上。

下面就这三个方向分别制定解决方案。

2.1 消除进入机械密封内介质中的杂质

由于冷源反冲洗水泵输送的是含沙较多的海水。为了能够减轻或去除机械密封内海水中的颗粒性杂质，需选择除杂防垢能力较强的机械密封冲洗方案。而常用的冲洗方案中PLAN12、PLAN31、PLAN32均具有一定的去除颗粒的作用。PLAN12设置的过滤器可以起到过滤杂质的作用，但是考虑到不适用于立式泵，因此排除此方案；PLAN31通过设置旋液分离器对颗粒等杂质进行分离去除；PLAN32为引入外界洁净的介质冲洗，从而避免输送介质中的颗粒杂质对机械密封的影响。

下面就PLAN31、PLAN32方案的优缺点进行讨论。

1)采用PLAN31，原理如图6：由出口引冲洗水，中间增加悬液分离器，分离出的杂质排至泵入口。

优点：保证机械密封冲洗水清洁度。同时，大量的机械密封冲洗水可保证机封内杂质及时清除。

缺点：泵出口设置冲洗水接口的位置至机械密封的距离较短，增加悬液分离器空间不足；引入悬液分离器增加设备故障点；悬液分离器对现场介质的清洁能力无法确认，有待验证。

2)采用PLAN32，原理如图7：采用干净的外接冲洗水可直接对密封面进行冷却、冲洗。

图7 PLAN32原理

优点：可解决由于机械密封处排气不足无冷却介质的问题，同时对机械密封处的杂质进行冲洗；外接冲洗水还可以改善端面的润滑性能。

缺点：接外来冲洗水的消耗量大，需合理计算用量；冲洗水接口位置需合理设计，不可直接冲刷机械密封的密封面，导致密封面损坏。

2.2 降低介质杂质对密封的影响

由于介质中的杂质颗粒物对机械密封的动静环密封面造成磨损，可考虑以下措施改进：1)选择耐磨的摩擦副材料，常见的耐磨材料主要有氮化物和碳化硅；2)可以通过增加挡砂环或者在叶轮后盖板处增加副叶片，降低颗粒物对密封件的磨损[9]。上述方案可以在一定程度上延长密封面的寿命，防止密封面被颗粒物磨损从而导致介质从A通道泄漏。但是，这两种方案都无法解决补偿环跟随性下降的问题。

填料密封俗称盘根密封，是通过预紧或介质压力的自紧作用使填料与转动件部件之间产生压紧力的动密封装置。

填料密封能起到密封作用的原理主要是轴承效应和迷宫效应。轴承效应是指填料被填料压盖压缩后，填料中浸渍的润滑剂被挤出，在接触面之间形成油膜。由于接触状态并不是特别均匀，接触部位便出现“边界润滑”状态，使填料和轴形成类似于滑动轴承的关系，这样填料和轴就不会因为过度摩擦而出现磨损；迷宫效应则是指，由于轴的表面微观状态下存在许多非常小的凹坑，填料和轴只能达到部分贴合而无法完全贴合，在填料和轴之间存在着许多极为微小的间隙，这些间隙就形成了迷宫带，介质在其中被多次节流，从而达到密封的效果[10]。

根据填料密封的原理及现场含沙海水介质的情况，可将轴封形式改造成填料密封。

优点：在满足冷源系统鼓形滤网冲洗效果的情况下，对反冲洗水泵的轴封泄漏量没有过于严格的要求；填料密封的使用要求较低，可以在不解体泵体的情况下进行盘根更换工作；盘根的材料化学稳定性好。不易被介质所腐蚀、泡胀，也不污染介质，填料本身不腐蚀密封面；填料密封相较于机械密封制造简单，价格低廉。

缺点：改造较多；填料密封也需要外来冲洗水，需考虑冲洗水用量；盘根易松脱，需要经常紧固盘根压盖保证密封效果。

2.3 隔离含杂质的介质

可以将机械密封补偿环弹簧与含沙水脱离开。避免杂质阻碍弹簧、销和辅助密封圈的运动。可以将原机械密封换型为弹簧隐藏式机械密封。新旧机械密封弹簧位置如图8、图9。

图8 原型机封图

图9 新型机封图

新的机械密封形式可避免补偿环与海水接触，避免沙子进入弹簧、销和辅助密封圈进而导致补偿环的追随性和浮动性下降。

优点：改造较少；正常工况下可以保证机封弹簧脱离海水。

缺点：未能治本，启停阶段含沙海水有可能进入动静环之间导致密封面磨损，无法完全避免杂质损坏机封；飞溅的海水附着在弹簧及辅助密封圈上，长时间累积的海水结晶后也会造成补偿环追随性下降。

2.4 方案总结

综合上述几种方案的优缺点分析，对解决冷源系统反冲水泵频繁漏水问题的方案进行整理，推荐优先级由上至下，如表1。

表1 机械密封泄漏问题解决方案

由于机械密封换型为弹簧隐藏式机械密封的方案改造工作量小，现场决定选取一台反冲洗水泵实施此种方案。但是实践中，在设备运行15个月后再次出现机械密封泄漏故障，并未达到两年检修周期内无故障的要求。对故障机械密封解体检查，发现辅助密封圈卡涩，弹簧的弹力不足，补偿环内有少量介质结晶，随动性差。介质从B通道泄漏，密封失效。

实践证明在缺少冲洗水清洁的情况下，无论是介质自带的杂质，还是介质凝结的结晶，都会造成机械密封弹簧卡涩，补偿环追随性下降，密封失效。

机械密封换型为弹簧隐藏式机械密封的方案在实践中效果不太理想，更合适的机械密封选型升级方案有待与机械密封的制造厂家进一步探讨。

3 结束语

水泵机械密封故障相关问题长期存在，需要不断的在实践中探索，通过对机械密封换型、机械密封冲洗方案优化及设备密封形式改造等措施的执行，不断优化现场设备的运行状态，保障设备的稳定运行。