船用立式离心泵机械密封改进设计

船用立式离心泵机械密封改进设计前言在船舶上,由于安装空间等的限制,多数泵均采用立式结构,电机安装在水泵的最上方,机械密封安装在水泵的最上端,由于船舶的工作环境特殊,振动、摇摆、倾斜较大,海水介质的腐蚀性、泥砂含量高,海生物吸附,间断运行等,根据统计舰船用离心泵60%以上的故障是由于密封失效或损坏引起的,特别是船舶海水系统一些工作环境很恶劣的离心泵,密封故障几乎成为影响其安全运行的唯一原因,本文针对造成机械密封失效的原因进行技术分析,介绍了机械密封的改进设计技术,以及使用新结构、新技术对其改进后的试验和实际使用结果。2、船用立式离心泵机械密封存在问题分析近年来,在船舶离心水泵上已开始大量使机械密封,但是从船用离心泵的使用效果看,还不甚理想,存在的主要问题有:(1)密封可靠性差;(2)使用寿命短(达不到标准要求);(3)安装技术要求较高,一次成功率不高;(4)机械密封因弹簧被泥沙积垢、堵塞而失效;(5)由于船用离心泵以立式居多,易出现泵刚启动,密封端面由于干摩擦而导致机械密封失效的现象;(6)离心泵的下端水轴承受泥沙及偏摆、振动及自身材料等影响,造成早期磨损、间隙增大,进一步加剧了泵的偏心和振动,从而导致机械密封失效。2.1、机械密封失效原因分析2.1.1泵的原因分析(1)由于船舶的空间等原因,设计时多采用立式离心泵,立式泵的结构,泵叶轮在最下端,而机械密封则安装在泵过流部分的最上端,为了平衡轴向力叶轮多采用双密封环结构,叶轮密封环和叶轮口环的间隙很小,一般单边间隙小于1mm,因此,密封腔的介质不易流动并且容易储存气体,如果气体未能充分排除,则极易出现密封端面干摩擦的现象,如图1所示。图1船用立式离心泵结构(2)一些较大的立式离心泵为了减少偏摆对泵的影响,大多增加下端水轴承支撑,但是由于轴承材料、结构、输送介质等原因,水轴承早期磨损大,加剧了泵的振动、偏摆,也是造成密封早期失效的一个因素。(3)在船舶上大多数离心泵是在出口阀敞开或全开的情况下直接启动和运转,使泵从一开始就处在大流量点工作,在此工况下泵内可能出现汽蚀现象或产生异常振动,使机械密封运转条件恶化,导致密封失效。2.1.2机械密封的原因分析(1)密封弹簧长期暴露在海水中,因积垢、泥沙堆积(尤其在东海)、海生物吸附等造成弹簧被堵死失弹,失去补偿作用;(2)机械密封弹簧作用在动环上,通过推动动环进行补偿,但是在这种结构中,通过密封端面泄漏的海水腐蚀外侧的轴套并造成泄漏的泥沙堆积,日积月累,将完全堵死动环橡胶圈,造成动环不能向前移动进行补偿,导致密封失效;(3)机械密封弹簧材料大多采用1Cr18Ni9Ti或者1Cr17Ni12Mo2Ti,这两种材料都不耐氯离子腐蚀,大弹簧因腐蚀影响弹簧力,小弹簧因腐蚀造成弹簧断裂,这在船用泵使用中已经证实;(4)密封面配对材料直接影响到机械密封的性能,在以往的船用离心泵用机械密封中摩擦副配对材料有硬质合金对碳石墨、硬质合金对青铜,鉴于海水中含有泥沙等颗粒性介质,这两种配对材料都不耐颗粒磨损,现在摩擦副配对材料多数采用硬质合金对硬质合金,这种摩擦副配对在连续运转的泵上使用较为理想,但是船用泵的工作特点是间歇运行,有时停机时间很长,硬质合金对硬质合金会出现相互亲合咬死现象,这种情况一旦出现,往往会造成密封面拉伤导致密封失效。3、机械密封的改进设计技术3.1、机械密封的改进设计通过泵的结构设计、自锁保护装置,预防和解决密封摩擦副的干摩擦如图2所示。图2机械密封改进设计3.1.1、机械密封腔的改进设计将机械密封腔设计为开式腔,向下喇叭口型,保证密封摩擦副与输送介质接触,一是冷却密封摩擦副,二可以带走液体中析出的气体,或者阻止外界空气进入泵腔内,三可以使介质中的泥砂、颗粒下落,改善密封运转条件。3.1.2、排气管和放泄阀的设置在机械密封腔最上端设计一排气管,与泵吸入口相通,泵运转后通过压力差带走密封腔中残留的气体。在排气管上配置一放泄阀,在泵启动前打开阀放气,直至液体排出后关闭。3.1.3、安装信号端子实现自动监控在密封摩擦副处安装一信号端子,通过端子或通讯接口介入水泵控制系统,密封摩擦副处有输送介质时通过端子信号输出,接触器闭合水泵启动,如果没有介质,端子没有信号接触器常开,水泵不能启动,水泵控制和密封保护相互连锁,可实现中央集中自动化控制和监视。3.2、机械密封的结构改进(新型集装式机械密封)3.2.1、散装式机械密封的结构缺点在船舶离心泵常用的散装式机械密封,密封静环安装在密封腔体的法兰上,动环包括弹簧等部件安装在轴上,随轴转动并起补偿作用,由于结构的限制,机械密封动静环接触端面的接触面基本在密封腔体的最上端如图3所示。在此处,最易形成气阻,如果在泵运行前,未能进行彻底的排气,将造成密封端面因缺水而形成“干摩擦”,这也是船用离心泵密封早期失效的常见原因之一。图3散装式机械密封3.2.2、新型集装式机械密封的结构改进设计新型集装式机械密封对机械密封的结构进行了彻底的改进。首先,将原来的散装式结构通过轴套和法兰将机械密封的所有零件完全集装为一个整体,同时将弹簧等零件安装在法兰上,这种结构的优点在于密封接触端面下移,离开气阻区如图4所示,且安装方便不需要调整,提高了机械密封的安装可靠性。另外,新型集装式机械密封在结构上采取弹簧保护措施,使弹簧不与海水接触,确保弹簧不会因泥沙沉积、结垢堵塞导致失去补偿能力。同时,摩擦副材料采用镍基硬质合金对碳化硅,辅助密封圈改用氟橡胶。图4新型集装式机械密封4、新型结构的泵及集装式机械密封试验为检验结构改进后的泵及机械密封的实际应用情况,选择部分型号的泵进行试验室试验和在舟山试验站实际运行试验。4.1、试验室试验试验介质:常温、人工海水;运行方式:连续运行100h,转速2950r/min。试验结果表明密封效果良好,如表1所示。表1新型集装式机械密封试验室结果4.2、模拟实际运行试验试验介质:常温,东海海水;试验工况:舟山试验站模拟实船工况;运行方式:间断运行3个月,累计运行时间600h,转速2950r/min。试验结果显示密封效果良好,如表2所示。表2新型集装式机械密封舟山试验结果5、结语(1)通过试验室和舟山试验站的运行试验,水泵的防止机械密封“干摩擦”的自动保护装置行之有效,在密封腔体缺水的状态下,制止了泵的启动运行,有效的保护了机械密封;(2)从试验的结果看,新型集装式机械密封的密封性能良好,安装简单可靠;(3)这种新结构的泵和机械密封已在国内新造舰船上大量使用,经实际应用考核,有效地提高了泵的运行可靠性和其密封性能及使用寿命。