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厂用水泵机械密封磨损分析及改进

2025-03-27 56 上传者：管理员

摘要：某核电厂用水泵的机械密封采用含泥沙海水进行润滑、冷却，存在摩擦副异常磨损、补偿弹簧卡涩而导致厂用水泵不可用的问题。鉴于此，结合机械密封磨损机理，分析出造成机械密封磨损的根本原因，并针对该原因给出将螺旋密封和迷宫密封运用到机械密封中的解决方案，同时对机械密封冲洗方式进行优化，为后续厂用水泵机械密封的改造及选型提供了参考。

关键词：
含沙海水
密封冲洗
机械密封
核电厂系统
螺旋密封
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厂用水系统作为核电厂系统的重要组成部分,其主要功能是向设备冷却水系统的热交换器提供冷却水以支持设备冷却水系统的纵深防御功能｡某核电厂用水泵为国内制造厂设计､制造的多级､立式､液下长轴泵,采用自冲洗的机械密封来实现轴向密封,防止海水泄漏至泵房｡此核电所在海域的海水中含有大量泥沙,采用海水自冲洗的方案将加剧机械密封的磨损,致使机械密封过早失效｡

本文以2号机厂用水泵01B机械密封失效致使厂用水泵不可用为例,分析了机械密封异常磨损的原因并给出了改进建议,为今后处理此问题提供参考｡

1、厂用水泵机械密封结构及冲洗方案介绍

厂用水泵机械密封为单端面非平衡型内装式机械密封,主要由摩擦副､缓冲补偿机构､辅助密封圈､传动机构等结构组成,如图1所示｡

该泵设计冲洗方案为:

1)APIPLAN32+13:PLAN32为外冲洗,PLAN13为反冲洗,两者相结合,当外接水压力大于泵本体介质压力时,进水管路止回阀通,外接水对密封进行冲洗｡

2)APIPLAN14:PLAN14为正向冲洗+反冲洗,当外接水压力小于泵本体介质压力时,进水管路止回阀关闭,此时泵体介质内的海水对密封进行冲洗｡

2、厂用水泵机械密封磨损分析

2号机厂用水泵01B机械密封磨损的原因主要为动静环磨损和补偿机构失效｡

图1机械密封结构图

2.1动静环磨损分析

厂用水泵机械密封外冲洗的水源来自生产水分配系统,设计文件显示生产水分配系统的出口压力为0.7MPa,机械密封冲洗水压力要求为0.5~0.55MPa｡按照上述设计,机械密封在正常情况下,完全可以用工业水来冲洗,但是两者之间布置了较长的管道和阀门,同时具有较多的用户,会造成较大的局部压力损失,实际也是如此,当厂用水泵运转以后,泵的出口压力(0.5~0.55MPa)将会高于冲洗水压力,致使机械密封冲洗管路上的止回阀关闭,海水自动冲洗机械密封｡虽然机械密封采用的是碳化硅对碳化硅的硬对硬摩擦副密封,具有一定的耐磨性,但此核电所在海域泥沙含量为3830~7396mg/L,且泥沙颗粒大小不均,长时间运行必然会导致动静环的磨损加剧｡

同时,带有泥沙颗粒的冲洗海水压力为0.5~0.55MPa,过大的冲洗速度会使海水中的泥沙对静环和动环造成冲刷磨损｡

2.2补偿机构失效分析

由标准JB/T1472—2023《泵用机械密封》可知,该厂用水泵机械密封正常泄漏量为5mL/h｡根据该海域水质分析报告,海水中含有大量的Cl-､Na+等可溶解物质,含量大致为25g/L,同时还有大量的泥沙等小型固体悬浮颗粒｡由此可知,在机械密封正常泄漏量Q1=5mL/h,介质只有氯化物,ρ=25g/L的理想情况下,机械密封一个月的泄漏量Q=Q1×24×30=3600mL;由于氯化物具有一定的结晶性,则机械密封一个月的泄漏量将会产生质量为m的结晶盐:m=Q×ρ=36001000×25=90g｡

结晶的盐会聚集在传动座上,同时海水中含有大量的泥沙,一旦泵停运,水分就会逐渐减少,最终导致结晶盐与泥沙卡涩动环O型圈与弹簧,使整个补偿机构动作缓慢甚至不动作,同时也会造成动静环之间碰撞,导致机械密封损坏失效｡

3、厂用水泵机械密封磨损改进建议

根据以上分析,机械密封磨损的直接原因为含沙海水冲洗机械密封,其根本原因在于:外接冲洗水压力小于机械密封腔压力,从而导致海水进入自冲洗机械密封｡因此,需要以增大外接冲洗水压力为主要方式来改善机械密封的磨损｡

本文主要从直接增大外接冲洗水压力和间接增大外接冲洗水压力两方面进行分析｡

3.1直接增大外接冲洗水压力(源头改造)

根据现场实际情况,直接增大外接冲洗水压力主要从生产水分配系统源头(即生产水泵组)进行实施｡

厂用水泵机械密封冲洗水水源来自生产水分配系统,生产水分配系统的动力主要来自生产水泵,生产水泵设计流量100m3/h,扬程70m｡理想情况下,泵的出口压力能满足厂用水机械密封冲洗水的要求,但预处理水厂与循泵房之间管道较长､支路较多､阀门较多等众多因素导致生产水至厂用水泵机械密封处的压力小于0.55MPa｡

因生产水分配系统至厂用水泵机械密封处没有压力表,故厂用水泵机械密封处的压力具体数值无法得知,但生产水分配系统至循泵导轴承密封水处设置有压力表,压力值为0.35~0.4MPa,两者距离较近,且共用绝大部分管道和阀门,此数值近似等于厂用水泵机械密封处的压力,故预处理水厂至厂用水泵机械密封冲洗口处的最大压力损失为:

需要提高生产水泵的出口压力P来满足厂用水泵机械密封冲洗水压力要求,考虑到出口压力高的同时,压力损失ΔP也会变大,因此可采用95m扬程的离心泵来满足要求｡

3.2间接增大外接冲洗水压力(机械密封改造)

根据现场实际情况,间接增大外接冲洗水压力主要从机械密封改造方面进行实施｡

厂用水泵机械密封的冲洗,一路为自冲洗,另一路为反冲洗,形成自冲洗､反冲洗的重要原因在于厂用水泵出口压力大于机械密封冲洗水压力｡因此,需要一种外接冲洗水进入到机械密封腔室后,机械密封能够实现对冲洗水加压的机构,最终使机械密封腔室出口处压力大于泵出口压力｡

目前市场上带有螺旋结构的机械密封,其冲洗水一般为介质内循环,因此螺旋结构的参数要求不高,只需略微增压即可增加流体流动,从而实现密封面的冷却[1]｡根据以上分析及调研,可以在机械密封下方增加螺旋密封来实现对冲洗水加压,如图2所示｡

图2带有螺旋结构和迷宫结构的机械密封

螺旋密封又称为“粘性密封”,是一种利用流体动压反输的非接触密封装置｡当轴上螺旋槽(可以简单理解为泵的叶轮)浸没在流体介质中时,该轴与流体介质构成固体螺杆与“流体螺母(流体齿条)”的啮合,当固体螺杆旋转时,螺杆与流体螺母之间呈相对运动,流体螺母被连续不断地驱往所希望的一侧,从而实现密封功能｡其主要参数主要包括密封半径间隙､密封直径､密封长､转动速度､螺纹头数､螺旋结构截面形状､螺旋方向等,通过优化参数之间的关系(具体参数如表1所示),可以使压差达到0.17MPa,从而使0.4MPa的冲洗水通过螺旋结构泵送效应增压至0.57MPa,大于泵出口压力(0.5~0.55MPa)｡

4、方案对比

针对厂用水泵机械密封异常磨损给出两种建议方案:

1)直接增大外接冲洗水压力(源头改造)方案:此方案需要对现有的生产水泵进行改造,根据上文分析,需要增大叶轮直径从而增大扬程,由于泵体本身尺寸一定,单独增大叶轮将会造成磨损,因此需要整体更换泵与电机,同时整个泵座的基础需要重新调整｡

表1螺旋密封设计参数

2)间接增大外接冲洗水压力(机械密封改造)方案:此方案主要是将螺旋密封应用在机械密封中,但通过调研,目前市场上带有螺旋密封的机械密封所输送的介质均为内循环,其泵送压力有限,因此本文根据我厂实际情况对螺旋密封的结构进行设计,使之满足要求｡

两种方案均可实现“外接冲洗水压力大于机械密封密封腔压力”的目标｡但根据表2机械密封异常磨损方案对比,从改造的范围及影响来看,建议优先选择间接增大外接冲洗水压力(机械密封改造)方案｡

表2机械密封异常磨损方案对比

5、结论

本文对厂用水泵机械密封异常磨损问题进行了分析,并对比了直接增大外接冲洗水压力(源头改造)和间接增大外接冲洗水压力(机械密封改造)两种处理措施,得出如下结论:

1)根据该核电厂用水泵采用含沙海水润滑冷却机械密封的实际情况,同时结合该海域水质分析报告,得出泥沙磨损机械密封摩擦副和结晶盐累积卡涩补偿弹簧是造成机械密封异常磨损的直接原因,通过此直接原因可分析出机械密封异常磨损的根本原因在于:外接冲洗水压力小于机械密封密封腔压力｡

2)直接增大外接冲洗水压力(源头改造)方案和间接增大外接冲洗水压力(机械密封改造)方案均可实现工业水润滑､冷却机械密封,但从改造的范围及影响来看,建议优先选择间接增大外接冲洗水压力(机械密封改造)方案｡机械密封改造具体可从螺旋密封设计､迷宫密封设计､机械密封弹簧布置改进､机械密封冲洗方式改进等四个方面来实施｡

3)通过对厂用水泵机械密封的改造,可有效避免海水润滑､冷却机械密封,更大程度保证了机械密封在正常运行工况和异常运行工况下的可靠性,同时也为后续AP1000堆型核电机组厂用水泵机械密封的设计及选用提供了参考｡

参考文献:

[1]王慧.泵送环及其在机械密封中的应用[J].化工设备与管道,2009(增刊2):67-70.

文章来源:耿加森.厂用水泵机械密封磨损分析及改进[J].机电信息,2025,(06):71-73+77.