螺杆泵机封渗漏原因分析与改进研究

吴新岭，朱志鹏，左晓军

螺杆泵结构简单，安装方便，工作效率高，压力脉动小，安全可靠，在诸多工况下都可以稳定长时间运行，以其独特的优势广泛应用于各个领域。螺杆泵在板带钢热轧生产线中更是被大量使用，特别是在轧机区域的液压站和润滑站上螺杆泵被用作重要的循环过滤设备和主要的动力源。

1 螺杆泵轴部的密封原理

螺杆泵一般是采用机械密封来实现轴部对油液介质的封闭，它是一种旋转设备的轴向密封装置，安装在螺杆轴与壳体的结合部位，用来实现对油液介质的密封作用。机械密封主要由动环和静环组件构成，动环和静环一般选用耐磨材质，动环与轴通过O-型圈实现对油液的密封，并且动环及O-型圈和泵轴一起转动。静环和泵体压盖保持静止不动，并通过O-型圈实现对油液的密封。动环的弹簧能够保证动环在轴向自由移动，又可补偿动静环工作面的磨损，在弹簧力的作用下动静环始终紧贴在一起，由此实现密封作用。

动静环间密封、动环与轴间密封、静环与压盖密封、压盖与泵体间密封等几处关键的密封部位。其中动静环之间密封，属于动密封，一般采用金属密封，并对其工作面的加工精度要求较高。其他部位的密封属于静密封，一般采用O-型圈、V-型圈等密封元件，此类密封件在除有良好的密封作用外性能，同时也起到缓冲吸震的作用。

常用机封一般分为：多个小弹簧型和单个大弹簧型，两者外观不一样，实质在工作原理上是很相似的，都属于非平衡型机封。以下为几种非平衡型机封特点：

（1）单弹簧分离式O 圈型：有单个大弹簧，补偿环O 圈在轴上滑动。

（2）多弹簧分离式O 圈型：机封中有多个弹簧，补偿环O 圈在轴上滑动。

（3）唇型密封型：密封唇口直接在泵轴上滑动。

（4）单弹簧胶套型：有单个大弹簧，并且装有胶套，胶套在轴上滑动及传动。

2 螺杆泵机封的渗漏原因分析

2.1 机封结构机理因素

2.1.1机封运行运转磨损

螺杆泵是轴向传输物料的容积式泵，运转时轴向力不断波动。在板带钢生产线螺杆泵传输介质多为液压油或齿轮油，介质润滑性好，渗透性也比较好。此类工况就出现会螺杆泵其机封密封在损耗不大情况下，甚至新密封时也会出现“渗油”现象。

以单个大弹簧型机封为例：这种机封是典型的非平衡-分离式机封，其优点：简单，价格较便宜，在很多场合都能用；缺点：在补偿O 圈不断作用下，轴表面会被磨出环形凹痕。当出现明显的凹痕时螺杆泵轴部的渗漏就很严重了，这种情况只能采取修轴或换轴的方法来进行处理。

但更多数时候是微观上的不平整，这同样也会形成泄漏通道；其更不好的情况是它显著降低了补偿环的追随性。泵内外存在压差，泄漏通道形成，环面间追随贴合状况不佳，介质渗透性强，这些情况的共同作用就产生了螺杆泵机封的渗油或漏油现象。

现场机封拆解各部件无明显损坏，甚至环面平晶检测也是合格的。这种情况的通常做法是换新机封。但轴表面的环形磨痕还存在，补偿O 圈还在那位置，螺杆泵的轴向压力波动还在，新的机封并没有根除渗漏的症结，只是通过新的补偿O 圈改善了渗漏状况，过一段时间补偿O 圈老化磨损，渗漏又恢复原状。

2.1.2金属腐蚀

（1）表面均匀腐蚀，机封金属环表面直接接触油液介质，油液在长期使用过程中会呈现弱酸性，而常规的黑金属材质耐腐蚀性能较差，动静环金属面浸泡在此类弱酸性油液中，金属表面就会缓慢的产生腐蚀，金属表面的均匀腐蚀并非匀速进行，随着金属表面的致密层被破坏，腐蚀速度就会加快。腐蚀过程以一种加速度模式进行，使腐蚀不断加剧。造成金属面特别是动静环工作断面的粗糙度下降，久而久之，密封性能也随之下降，表现在泵组运行上的现象就是轴封处开始泄漏、振动增加，噪音增大。

（2）应力腐蚀破裂，金属材料在静应力和腐蚀的共同作用下产生的一种实效形式，机械密封端面极易出现局部性腐蚀、破坏。使得金属环面产生带状裂纹，这些裂纹同样使动静环工作端面粗糙度下降，端面磨损加剧，机封泄漏量增加。

（3）油液汽蚀，由于受油液流动性能、泵进口腔体汽蚀性能以及泵的转速等因素影响，在泵的低压区油液中会有气泡，气泡附着在金属元件表面，而且油液中的气泡多为酸性气体，具有一定的腐蚀性，使金属表层脱落，形成细小的麻点和凹坑，另一方面动静环结合面处得油液中的气泡，会使接合面之间的油膜不连续，造成动静环结合面的润滑不良，加速磨损，机械密封老化损坏。

2.2 泵体自身因素

2.2.1泵轴的轴向窜动大

机械密封动静环结合面要始终承受一个恒定的压力，才保证密封效果的良好，它是通过动环弹簧作用的动静环结合面，一般这个压力的波动越小越好。这要求泵轴不能有太大的窜量，一般要保证在0.5mm 以内。但在实际使用过程中，负载变化压力波动，往往使泵轴产生较大的窜量一般在1mm 以上，这将之间影响动静环结合面的贴合的紧密程度，尤其是在泵启停过程中，窜动量会更大。

2.2.2泵轴的挠度偏大

螺杆泵是一种靠螺杆啮合输送介质的工作特性，其泵轴的受力是不均匀的，特别在径向力方面，受力复杂而且波动较大，这在单螺杆泵上表现尤为突出，此类工况势必造成泵轴的挠曲变形增加，进而影响机械密封端面受力均匀性，造成结合面贴合不实。另外，由于泵组零部件的加工装配精度因素同样会使泵轴在机械密封安装处的挠度较大，严重动静环的密封效果。

2.3 现场安装使用因素

螺杆泵一般是泵与电机通过联轴器连接，泵和电机在安装过程中的抄平找正至关重要，如果找正误差过大，使得联轴器的平行度差、电机与泵组轴线不同心，泵组运行起来振动就大.机械密封振动同样增大，这些因素都加速了机封的磨损老化，最终致使机封处渗漏。另外，一个重要环节就是机封的安装，在现场实际维修维护过程中的由于机封规格型号不符，清洗清理不彻底、位置错等安装不当原因造成泵组振动大，噪音大，机封渗漏损坏时有发生。部分泵组安装完成后，运行初期泵组振动噪音或机封渗漏不明显，运转一段时间后此类异常现象加剧，诸如此类问题一般都与机封或泵组的安装有关。

3 渗漏治理方法探究

根据现场实际运行的情况来看泵轴的表面性能和机封形式是螺杆泵轴端渗漏的主要因素，因此渗漏的治理需重点从泵轴的表面性能改善和泵用机封形式的改进两方面着手进行。

3.1 泵轴表面性能的改善

目前针对螺杆泵螺杆及泵轴表面性能改善的工艺多为离子渗氮，离子渗氮技术具有处理速度快、性能良好及节能环保的优点，可提高零件表面耐磨、耐蚀性能，同时提高零件表面疲劳强度。通过表面纳米化在泵轴表层获得纳米级细晶结构，金属表面的活性和化学特征也随之改变，金属材料表层的晶界分布较多，原子的渗入和扩散更加容易，这些化学特征和表层晶粒结构显著的提高了金属表面渗入元素的扩散深度和质量分数。将表面纳米化与离子渗氮技术结合起来，有利于提高螺杆泵泵轴的服役寿命和工作效率。

3.1.1泵轴表面处理过程

螺杆泵的泵轴（主动螺杆）材料一般选用40Cr，泵轴工件进行热处理，先加热到860℃淬火，再进行缓冷，到550℃左右时回火处理，最后进行空冷。最终得到回火索氏体，其洛氏硬度为28HRC 左右。热处理完成后，进行超声冲击纳米化的表面性能改善加工。处理后表面粗糙度接近Ra0.4，表层晶粒接近纳米级，表层微缺陷减少，提高了材质的耐磨和耐腐蚀性能、硬度也有了一定的提高。最后做离子渗氮处理。

3.1.2渗氮层深度分析

超声冲击纳米化处理的工件，离子渗氮层深度明显加深，扩散层扩散深度增加。这是由于在工件的表层细晶组织中分布着诸多的位错和孪晶，这种晶界结构有助于金属氮化物形成。且工件表面化学活性的提高，氮原子的聚集和吸附更加容易，所以经过超声冲击纳米化处理后的泵轴工件离子渗氮层会变深。

离子渗氮和超声冲击纳米化-离子渗氮两个处理过程的元素类别及主元含量占比基本一致。经过表面纳米化加工的工件，再进行离子渗氮处理其N 元素含量显著提高，接近1.4%。表面纳米化处理对于金属材料具有化学催渗效应。同单纯的离子渗氮相比，超声冲击纳米化-离子渗氮得到的氮化层更为致密，表面性能更优良。

3.1.3渗氮层硬度分析

单独离子渗氮层硬度一般为590HV，表面纳米化加工后离子渗氮层硬度提高到660HV，比40Cr 材料硬度有了明显的增加。表面纳米化处理的另外一个明显优点是随着渗氮层加深，硬度下降较为缓慢而且均匀。超声冲击纳米化-离子渗氮得到的离子渗氮层深度、硬度和性能缓慢程度更为良好。

3.1.4表面性能改善的效果

超声冲击纳米化提高了螺杆泵泵轴离子渗氮层的深度，扩散层深度明显增加，该处理工艺更有利于氮元素的渗入和扩散，形成更为均匀、致密的细晶组织。离子渗氮提高了铁氮化合物的含量，抑制了Cr 的析出，增强了泵轴的抗点蚀性能。同时提高了离子渗氮层的表层显微硬度，获得了硬度分布更为合理的表层结构，这种硬度分布有助于螺杆轴力学性能和耐磨性提升。

3.2 泵用机封的改进

轴表面性能的改善会使机封的使用寿命会有一定的提高，渗漏现象出现的得到一些改善，但对于长时间运转的螺杆泵来说渗油还是会出现。如果再出现了渗油，就只能考虑修轴、换轴或其它手段。

3.2.1 泵用机封形式的改进

使用单弹簧胶套型轴封，其胶套抱紧轴与轴间密封，并传动给动环，从这个角度来看胶套应该紧些；弹簧推动动环，胶套在轴上滑动补偿，从这个角度来看胶套又应该松些；胶套与轴间，以及动静环面间都可能成为渗漏的途径。

使用平衡型机封，其补偿O 圈不在轴（轴套）表面，这是一种典型的分离式机封，其优点：O 圈滑移由轴表面转移到机封上，O 圈不磨轴了，这样就能降低摩擦副损耗。缺点：机封轴套的材质通常是不锈钢一般比普通轴表面耐磨，但使用一段时间后，机封的轴套表面还是会磨损后，渗油的情况又悄然而至。不同的是，这次可以通过更换机封解决，泵轴状态良好，一般没有磨损。

3.2.2优化解决方法

平衡型机械密封，在新设备、新机封时建立初始密封，一般是没什么问题的，使用寿命较普通机封也有了一定的提高；但使用相当长一段时间后，轴套表面的磨损或者机封内部补偿面的磨损，同样造成补偿能力下降甚至形成泄漏通道，渗油现象还是会出现。所以应保持补偿顺畅和动静环的良好追随性。

因此尝试使用优化平衡型机封，其弹簧不接触介质，O 圈不磨损轴；O 圈装在特殊硬质合金的环套上。

环套的材质多为碳化硅或碳化钨，其硬度极高，硬度值可达HRA88/90，利用金刚石砂轮配合专用的研磨液对其补偿环面进行磨削、研磨和抛光加工。碳化硅或碳化钨补偿环面经过上述精细加工可以远远超过普通黑金属补偿环面机加工能达到的粗糙度水平，以使补偿更顺畅，大幅提高环面间的追随性。

O 圈在碳化硅或碳化钨环面上滑移，补偿O 圈不会对其形成磨痕；O 圈装在环套精加工面上，其滑动更顺畅，工作面更持续耐磨。此结构的机封以其良好的动环跟随性、环面更高的耐磨性，大大的提高了机封密封性能和在线运行时间。

3.2.3螺杆泵机封渗漏治理案例

现场治理案例一

用户/设备：2250 热轧/精轧稀油润滑系统工作泵。

泵型：HSNH1300-46W1。

原机封：JC 58U-60（分离式.非平衡）密封装于轴承内侧。原机封问题：渗油，检查机封部件无明显损坏。

处理方案/效果：因该泵属于外置轴承螺杆泵，其轴承座与机封静环座是一体的，不便改成集装式机封。为便于安装，选用一种U8T 型优化平衡机封，其装配尺寸设计与原机封相同，安装后运行平稳、密封良好、无泄漏，渗油问题得以解决。

现场治理案例二：

用户/设备：1580 热轧/液压系统循环油泵。曾用机封：JC 58U-35（分离式.非平衡）。原机封问题：磨轴、机封密封老化后泄漏。处理方案/效果：将原来的58U 型分离式改成集装式平衡型机封，安装不受限制，处理后密封良好、渗油问题大为改观。

现场治理案例三：

用户/设备：1580 热轧/油膜轴承润滑系统工作油泵。

泵轴规格：50（55）。

曾用密封：分离式弹簧型机封。

原机封问题：机封渗漏失效。

处理方案/效果：将分离式改成集装式318T 型平衡机封，安装形式不受限制，安装后使用良好，无泄漏、解决了渗油问题。

3.3 机械密封安装方法的规范优化

（1）螺杆泵机械密封安装前，应检查确认机械密封型号及规格是否正确，是否与泵的型号及要求一致；机械密封静环尾部防转槽端与防转销顶部应保持1mm ～2mm 的轴向间隙，以免缓冲失效；

（2）动、静环端面用专用清洗剂清洗干净，其余金属件用煤油清洗并用洁净的压缩空气吹干，仔细检查务必保证动、静环密封面没有任何损伤。装配前，动静环O-型密封圈上涂一层干净的润滑脂，动、静环端面不涂油。在安装密封的轴，腔体及压盖等与辅助密封圈接触处均匀涂油。

（3）在螺杆泵转子与泵体的相对位置固定之后，确定机械密封的安装位置，根据密封的安装尺寸及静环在压盖中的位置，测算出密封在轴或轴套上的定位尺寸。

（4）安装机封动环，动环安装后须保证能其在轴上灵活移动；将组装好的静环部分和动环部分组装好；把密封端盖装在密封体内，并将螺丝拧紧。

（5）试车。机封安装完成后，手动盘车，螺杆泵轴与机械密封配合转动，注意观察转矩的变化，以及有无异常声响等。然后打开管路阀门，泵密封腔内通入油液，全部排出密封腔的空气，使密封腔中全部充满油液，并观察密封有无泄漏情况。确认无误后进行试运转。

4 结语

泵轴表面纳米化与离子渗氮处理技术，对于泵轴表面性能的改善有着显著的效果，特别是提高了泵轴表面的硬度，增强了耐磨性，在螺杆泵的制造环节有着积极的推广意义，但在现场螺杆泵的维修维护环节有一定的局限性。而在机封改进方面，优化平衡型机封在螺杆泵上的应用，使得螺杆泵渗漏治理取得良好的效果，轴封渗漏状况得到明显改观，螺杆泵的使用寿命延长60%以上。另外，机械密封安装方法的规范优化对于泵组的稳定运行及机封渗漏的改善同样有着积极的作用。诸如此类改改进措施在提高泵组使用寿命的同时，也节省了备件成本，减少了现场维护的工作量，更重要的是改善了现场设备工况，避免了渗漏油液对站室环境的污染，减轻了废旧油液的后续回收处理压力。