轴流泵试压压力的一种计算方法及应用实例

谷海明，余 波，潘继斐

（云南磷化集团海口磷业有限公司，云南昆明 650113）

云南磷化集团海口磷业有限公司（简称公司）有5台卧式轴流泵，用于净化湿法磷酸提浓，均采用双端面机械密封结构，设备能否长周期运行，对浓缩生产影响很大。为确保检修质量，公司要求每台轴流泵检修完后都要对泵体进行打压试漏，以检验机械密封效果。试压方法为：将轴流泵进、出口用盲板密封，往泵体内注满水，用加压泵缓慢增压，控制泵体内压力略低于机械密封设计压力，保压20 ～30 min，如泵体内压力无明显变化，表明机械密封可靠，轴流泵检修合格，如压力降低，则需要逐步排查泄压原因，直至压力稳定，检修才算合格。

1 存在的问题

轴流泵在试压过程中，压力过高，会损害机械密封，压力过低，又起不到检修试漏的效果。试压压力一般由设备厂家提供，正常情况下均应遵从厂家要求。但公司实际应用中发现，设备厂家出于保护机械密封的角度，提供的试压压力比较保守，虽然泵在刚检修完试压时发现机械密封没有渗漏（表明检修成功），但这样的设备用在生产中，往往寿命较短，运行2 ～4 个月后机封就会开始渗漏、滴漏、机封水带酸，然后慢慢扩大，需要停车处理，影响浓缩生产。通过多次解体检修发现，机械密封拆开后，内部动、静环和O 型圈等元件基本完好，因此不是渗漏的原因，机械密封弹簧预紧压力设计不足和设备运行中介质压力波动可能是引起渗漏的最大原因。介质压力波动可以通过优化操作、稳定控制闪蒸室液位来调节，但机械密封弹簧预紧压力是否存在设计不足就需要公司设备技术人员自行判断，这时候就需要一种行之有效的可参考计算方法。

2 提出方法

根据双端面机械密封设计原理，当介质压力≤机封弹簧预紧压力+密封水压力时，机械密封无泄漏，密封有效；当介质压力＞机封弹簧预紧压力+密封水压力时，机械密封发生泄漏，密封失效。在泵体试压过程中由于用试压压力代替介质压力，密封水压力为零，此时双端面机械密封可承受的最大试压压力即为机封弹簧预紧压力，因此，计算双端面机械密封可承受最大试压压力即计算机封内弹簧预紧压力。根据圆柱螺旋弹簧的常用设计方法，理论上单个弹簧预紧力可由式（1）计算［1］：

式中：F—— 预紧力；G—— 材料切变模量；d—— 弹簧直径；D—— 弹簧中径；n——弹簧圈数；f——弹簧变形量。

则预紧压力：p=F/S，S为动静环密封面接触面积。由于大型机械密封为了保证密封面受力均匀，内部弹簧一般由多个组成，则此时双端面机械密封可承受最大静压按下式计算：

用公式（2）计算静载最大值，对于弹簧材料已知、材质切变模量可查的弹簧没有问题，但是对于实际工作中有一些较特殊材质，如材质未知、切变模量难查的弹簧，则公式（2）实用性受限，此时可通过实验法，将式（2）简化为式（3）进行计算。

K可通过实验方法测得，用推拉力计测量弹簧力与形变的关系，计算弹性系数。为保证测量值准确，弹簧压缩量需控制在弹簧自由长度的20%以内。

3 应用实例

公司采用轴流泵的生产厂家要求泵体试压压力不能超过0.2 MPa，到底该双端面机封可承受多大静压，可以选择上面的公式（2）或公式（3）进行计算。经询问厂家，机封弹簧材质为哈氏合金，但具体是哪一系列没有明确告诉，因弹簧切变模量无法查阅，所以这里就只能选用公式（3）通过实验方法进行计算。该泵机械密封经解体测绘有如下数据：N= 20；S= π（0.182- 0.172）m2= 0.011 m2；f=d动-d静=0.104 m-0.096 m=0.08 m（d动——自由状态下两动环密封面距离；d静——自由状态下两静环密封面距离）；弹性系数K使用推拉力计测量、计算，约为30.25 N/mm。将上面数据带入式（3）计算得该泵机械密封设计可承受最大静压为0.22 MPa，厂家要求试压不能超过0.2 MPa 是保守可靠的，且与泵体现场试压实际情况基本相符：当泵体试压压力超过0.23 MPa以后，可以明显看到在机械密封进、出水口位置发生滴漏，试压压力降至0.21 MPa左右，压力稳定，滴漏消除。

泵体试压压力没有问题，但是机械密封使用寿命不长，根据机械密封解体情况来看，综合判断就是机械密封弹簧预紧压力设计不足，满足不了现场介质密封所需的压力。后经与厂家技术人员沟通交流以及现场测绘循环系统高差后，双方共同决定对机械密封结构进行微改造，将机械密封弹簧预紧压力提升至0.25 MPa，试压压力按0.24 MPa控制，此改造自2017 年实施后，轴流泵运行周期由之前的2 ～4个月一举延长至8 ～14个月，且设备在运行过程中，无任何泄漏，改造效果非常明显。

4 结语

泵体打压试漏是轴流泵检修的必要程序，掌握准确的试压压力非常关键，当设备技术人员对设备试压压力不明确或存在疑惑时，就可以采用上述方法，进行计算，从而做到准确控制试压压力。当发现机械密封弹簧预紧压力设计不足时，也可以针对性的采取措施进行调整，确保机械密封不会发生渗漏，以此来延长设备运行周期，降低对生产的影响。