1、前言

在船舶上,由于安裝空間等的限制,多數泵均采用立式結構,電機安裝在水泵的最上方,機械密封安裝在水泵的最上端,由于船舶的工作環境特殊,振動、搖擺、傾斜較大,海水介質的腐蝕性、泥砂含量高,海生物吸附,間斷運行等,根據統計艦船用離心泵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一些工作環境很惡劣的離心泵,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分析,介紹了機械密封的改進設計技術,以及使用新結構、新技術對其改進后的試驗和實際使用結果。

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,易出現泵剛啟動,密封端面由于干摩擦而導致機械密封失效的現象;

(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,設計時多采用立式離心泵,立式泵的結構,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結構,葉輪密封環和葉輪口環的間隙很小,一般單邊間隙小于1mm,因此,密封腔的介質不易流動并且容易儲存氣體,如果氣體未能充分排除,則極易出現密封端面干摩擦的現象,

(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、結構、輸送介質等原因,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)在船舶上大多數離心泵是在出口閥敞開或全開的情況下直接啟動和運轉,使泵從一開始就處在大流量點工作,在此工況下泵內可能出現汽蝕現象或產生異常振動,使機械密封運轉條件惡化,導致密封失效。

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上,通過推動動環進行補償,但是在這種結構中,通過密封端面泄漏的海水腐蝕外側的軸套并造成泄漏的泥沙堆積,日積月累,將完全堵死動環橡膠圈,造成動環不能向前移動進行補償,導致密封失效;

(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合金對碳石墨、硬質合金對青銅,鑒于海水中含有泥沙等顆粒性介質,這兩種配對材料都不耐顆粒磨損,現在摩擦副配對材料多數采用硬質合金對硬質合金,這種摩擦副配對在連續運轉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,硬質合金對硬質合金會出現相互親合咬死現象,這種情況一旦出現,往往會造成密封面拉傷導致密封失效。

3、機械密封的改進設計技術

3.1、機械密封的改進設計

通過泵的結構設計、自鎖保護裝置,預防和解決密封摩擦副的干摩擦如圖2所示。

3.1.1、機械密封腔的改進設計

將機械密封腔設計為開式腔,向下喇叭口型,保證密封摩擦副與輸送介質接觸,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,三可以使介質中的泥砂、顆粒下落,改善密封運轉條件。

3.1.2、排氣管和放泄閥的設置

在機械密封腔最上端設計一排氣管,與泵吸入口相通,泵運轉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,直至液體排出后關閉。

3.1.3、安裝信號端子實現自動監控

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,密封摩擦副處有輸送介質時通過端子信號輸出,接觸器閉合水泵啟動,如果沒有介質,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,可實現中央集中自動化控制和監視。