污水泵橡胶波纹管密封失效分析及解决方案探究

刘广栋， 刘勇进， 曹春荣

（青岛航保机电设备有限公司， 山东 青岛 266114）

引言

引进的某型进口柴油机带污水泵使用环境恶劣，泵振动大、转速变化大、输送介质构成复杂（污水）、介质含杂质多（泥沙等），密封工作空间狭小、没有冷却冲洗条件；系统对机械密封工作安全性、可靠性及寿命要求较高。这些因素提升了机械密封设计生产难度。

1 密封动环结构性能分析

原机封动环结构为橡胶波纹管密封，使用单个大弹簧。此类机封是市场上比较常见的密封，设计精巧，结构紧凑，通过密封环、弹簧，依靠胶圈与金属支架之间的摩擦力传递扭矩。橡胶波纹管机封特点：橡胶波纹管本身建立平衡直径，使机封处于平衡工作状态；机封设计紧凑，占用空间小；结构简单、性价比较高；动环与轴、静环与泵腔之间的密封点可以等效为垫片，密封效果安全、可靠，整体机封泄漏点主要是密封环工作面。基于以上特点，橡胶波纹管市场占有率较高，广泛应用于输送清水和有颗粒的废水、污水等各种泵组中。

某型进口柴油机橡胶波纹管密封结构如图1 所示。1~7 为机械密封结构组件，8~10 为泵体组件。密封工作状态下，各部件功能如下：

图1 橡胶波纹管式机械密封

橡胶波纹管提供机封与轴之间静密封，传递轴与动环之间部分扭矩，橡胶波纹管材质为氟橡胶。

动环与静环组对形成机械密封的径向密封组件，静环材质SSiC，动环材质RBSiC。

L 型胶圈布置在泵体和静环之间，胶圈设计为过盈配合，过盈量控制在12%~13%，固定静环、形成密封静环与泵腔之间静密封，兼具平衡机械密封工作时静环上扭矩作用，材质氟橡胶。

大弹簧提供机封密封环闭合压力、传递部分扭矩，弹簧材质为316 不锈钢。

弹簧座为弹簧安装基座；上弹簧座与泵轴配对，使橡胶波纹管型胶圈在此处形成过盈配合，达到固定橡胶波纹管作用；动环与下弹簧座通过橡胶波纹管固定、传动扭矩，此处橡胶波纹管的过盈量需要控制在12%~13%。

密封环配合形成密封组件；与橡胶波纹管之间密封、通过摩擦力传递扭矩。

2 密封泄漏主要原因分析

1）弹簧使用单一大弹簧，具有旋转方向限制，在泵轴转向与弹簧旋向不匹配情况下，弹簧性能下降，导致机械密封性能下降，乃至失效。

2）橡胶波纹管高温环境下失效。橡胶波纹管在机封泵腔没有冲洗、杂质多等恶劣工况下，如果采用一般的材质（丁腈、氟橡胶等），比较容易产生加速老化，导致强度等性能下降、失效，乃至破裂。

3）橡胶波纹管因传递扭矩过大失效。原机封结构依靠橡胶波纹管自身强度来将泵轴扭矩传递至动环。在机封使用一段时间后，动环与静环之间因杂质残留、密封面磨合吸和等原因，动环、静环启动扭矩逐步增大。在机封启动扭矩增加的同时，橡胶波纹管因工作时间增加、高温环境、介质复杂等原因，总体性能下降，因此运行风险逐步增加。

4）静环与动环质量不稳定导致密封泄漏。机械密封动环与静环工作面要求较高，特别在高温、介质复杂、振动大情况下，对密封环的机械性能有较高要求。密封环材质、形位公差、工作面表面粗糙度等对密封性能产生较大影响。

3 改进措施

改进型密封结构如图2 所示。

图2 改进型机械密封

1）补偿弹簧改型。原设计单一大弹簧兼具为机封提供轴向闭合压力以及传递部分扭矩功能，弹簧工作状态、性能受泵转向影响。

新设计方案：将大弹簧更换为波形弹簧。波形弹簧只为密封提供轴向密封环闭合弹力，不传递扭矩，工作性能不受泵旋向影响；波形弹簧具有结构紧凑、轴向工作距离短特点，适应小机封空间狭小应用场合。

2）动环传动方式优化。原设计动环传动由橡胶波纹管及大弹簧完成，在泵轴频繁启动、变转速情况下，橡胶波纹管在高温、介质成分复杂条件下传递扭矩，使用寿命存在不可控风险。

新设计方案：动环与泵轴之间扭矩传递通过金属结构代替原波纹管来实现，具有高效、安全优点。动环与动环座之间通过卡槽传动，动环座与轴之间通过2个Ф5 mm 传动销传动。

3）动环与泵轴之间密封由Ο 型密封圈代替橡胶波纹管。密封圈采用耐高温的全氟醚材质，适应恶劣环境能力增强。此处Ο 型密封圈只承担密封功能，并且随着动环在波形弹簧作用下进行轴向滑移，辅助动环完成机械密封轴向补偿功能。

为适应机封无冲洗、密封环摩擦热量无法排出、泵腔介质温度存在过高的实际情况，Ο 型密封圈选用耐高温的全氟醚材质。全氟醚胶圈价格相对于丁腈橡胶、氟橡胶比较昂贵，机封成本上升。

4）密封环材质改型。原设计密封环组对为动环RBSIC，静环SSIC。此方案优点为成本低、可适应复杂介质条件，但碳化硅陶瓷材质较脆、易碎，抗冲击性能弱。

新设计方案将密封环改型为高精度金属碳化钨密封环（YWN8），可适应复杂介质条件，同时抗冲击能力较碳化硅有较大增加，生产成本上升。

5）机封动环座设置4 个M4 顶丝孔，便于机封拆卸。

4 试验验证

密封设计、生产后进行了100 h 定型考核，外观无泄漏、系统压力正常。试验完毕拆检，密封各部件未见异常。

密封安装到柴油机带泵设备上进行实地应用与考核（50 台），随设备运行1 年未见异常[1-2]。

5 结语

机封改型后，静环与L 型胶圈结构基本不变，动环与轴密封方式改变，动环传递扭矩方式改变，弹簧型式改变，各部件材质升级。

改型后机封因结构较原结构复杂，金属件增加，各部件材质升级，机封密封性增强，但生产成本增加。

某型进口柴油机机带泵的橡胶波纹管密封改型、国产化设计，解决了进口波纹管密封价格高、海外采购渠道单一、通关手续复杂、采购难度大的问题，以及原配机封寿命短、橡胶波纹管容易破损的问题。