1、前言

　　在船舶上,由于安裝空間等的限制,多數(shù)泵均采用立式結(jié)構(gòu),電機安裝在水泵的最上方,機械密封安裝在水泵的最上端,由于船舶的工作環(huán)境特殊,振動、搖擺、傾斜較大,海水介質(zhì)的腐蝕性、泥砂含量高,海生物吸附,間斷運行等,根據(jù)統(tǒng)計艦船用離心泵60%以上的故障是由于密封失效或損壞引起的,特別是船舶海水系統(tǒng)一些工作環(huán)境很惡劣的離心泵,密封故障幾乎成為影響其安全運行的唯一原因,本文針對造成機械密封失效的原因進行技術(shù)分析,介紹了機械密封的改進設(shè)計技術(shù),以及使用新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)對其改進后的試驗和實際使用結(jié)果。

2、船用立式離心泵機械密封存在問題分析

　　近年來,在船舶離心水泵上已開始大量使機械密封,但是從船用離心泵的使用效果看,還不甚理想,存在的主要問題有:

　　(1)密封可靠性差;

　　(2)使用壽命短(達不到標準要求) ;

　　(3)安裝技術(shù)要求較高,一次成功率不高;

　　(4)機械密封因彈簧被泥沙積垢、堵塞而失效;

　　(5)由于船用離心泵以立式居多,易出現(xiàn)泵剛啟動,密封端面由于干摩擦而導(dǎo)致機械密封失效的現(xiàn)象;

　　(6)離心泵的下端水軸承受泥沙及偏擺、振動及自身材料等影響,造成早期磨損、間隙增大,進一步加劇了泵的偏心和振動,從而導(dǎo)致機械密封失效。

2.1、機械密封失效原因分析

2.1.1　泵的原因分析

　　(1)由于船舶的空間等原因,設(shè)計時多采用立式離心泵,立式泵的結(jié)構(gòu),泵葉輪在最下端,而機械密封則安裝在泵過流部分的最上端,為了平衡軸向力葉輪多采用雙密封環(huán)結(jié)構(gòu),葉輪密封環(huán)和葉輪口環(huán)的間隙很小,一般單邊間隙小于1mm,因此,密封腔的介質(zhì)不易流動并且容易儲存氣體,如果氣體未能充分排除,則極易出現(xiàn)密封端面干摩擦的現(xiàn)象,如圖1 所示。

圖1　船用立式離心泵結(jié)構(gòu)

　　(2)一些較大的立式離心泵為了減少偏擺對泵的影響,大多增加下端水軸承支撐,但是由于軸承材料、結(jié)構(gòu)、輸送介質(zhì)等原因,水軸承早期磨損大,加劇了泵的振動、偏擺,也是造成密封早期失效的一個因素。

　　(3)在船舶上大多數(shù)離心泵是在出口閥敞開或全開的情況下直接啟動和運轉(zhuǎn),使泵從一開始就處在大流量點工作,在此工況下泵內(nèi)可能出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象或產(chǎn)生異常振動,使機械密封運轉(zhuǎn)條件惡化,導(dǎo)致密封失效。

2.1.2　機械密封的原因分析

　　(1)密封彈簧長期暴露在海水中,因積垢、泥沙堆積(尤其在東海) 、海生物吸附等造成彈簧被堵死失彈,失去補償作用;

　　(2)機械密封彈簧作用在動環(huán)上,通過推動動環(huán)進行補償,但是在這種結(jié)構(gòu)中,通過密封端面泄漏的海水腐蝕外側(cè)的軸套并造成泄漏的泥沙堆積,日積月累,將完全堵死動環(huán)橡膠圈,造成動環(huán)不能向前移動進行補償,導(dǎo)致密封失效;

　　(3)機械密封彈簧材料大多采用1Cr18Ni9Ti或者1Cr17Ni12Mo2Ti,這兩種材料都不耐氯離子腐蝕,大彈簧因腐蝕影響彈簧力,小彈簧因腐蝕造成彈簧斷裂,這在船用泵使用中已經(jīng)證實;

　　(4)密封面配對材料直接影響到機械密封的性能,在以往的船用離心泵用機械密封中摩擦副配對材料有硬質(zhì)合金對碳石墨、硬質(zhì)合金對青銅,鑒于海水中含有泥沙等顆粒性介質(zhì),這兩種配對材料都不耐顆粒磨損,現(xiàn)在摩擦副配對材料多數(shù)采用硬質(zhì)合金對硬質(zhì)合金,這種摩擦副配對在連續(xù)運轉(zhuǎn)的泵上使用較為理想,但是船用泵的工作特點是間歇運行,有時停機時間很長,硬質(zhì)合金對硬質(zhì)合金會出現(xiàn)相互親合咬死現(xiàn)象,這種情況一旦出現(xiàn),往往會造成密封面拉傷導(dǎo)致密封失效。

3、機械密封的改進設(shè)計技術(shù)

3.1、機械密封的改進設(shè)計

　　通過泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計、自鎖保護裝置,預(yù)防和解決密封摩擦副的干摩擦如圖2所示。

圖2　機械密封改進設(shè)計

3.1.1、機械密封腔的改進設(shè)計

　　將機械密封腔設(shè)計為開式腔,向下喇叭口型,保證密封摩擦副與輸送介質(zhì)接觸,一是冷卻密封摩擦副,二可以帶走液體中析出的氣體,或者阻止外界空氣進入泵腔內(nèi),三可以使介質(zhì)中的泥砂、顆粒下落,改善密封運轉(zhuǎn)條件。

3.1.2、排氣管和放泄閥的設(shè)置

　　在機械密封腔最上端設(shè)計一排氣管,與泵吸入口相通,泵運轉(zhuǎn)后通過壓力差帶走密封腔中殘留的氣體。在排氣管上配置一放泄閥,在泵啟動前打開閥放氣,直至液體排出后關(guān)閉。

3.1.3、安裝信號端子實現(xiàn)自動監(jiān)控

　　在密封摩擦副處安裝一信號端子,通過端子或通訊接口介入水泵控制系統(tǒng),密封摩擦副處有輸送介質(zhì)時通過端子信號輸出,接觸器閉合水泵啟動,如果沒有介質(zhì),端子沒有信號接觸器常開,水泵不能啟動,水泵控制和密封保護相互連鎖,可實現(xiàn)中央集中自動化控制和監(jiān)視。