天津市陈塘热电有限公司 郭 辉

机械密封凭借着使用年限长、安全可靠、泄露渗透量少等优点，在工业、电力行业以及核电行业等领域中应用广泛，尤其是泵、压缩机、反应釜等设备应用较多。水泵机械密封效果好，能够保障水泵的良好运行，但由于影响因素较多，如若不能对故障进行及时判断，可能会阻碍水泵的运行工况。

1 水泵机械密封情况及故障分析

1.1 机械密封的原理

机械密封是在辅助作用下，垂直于轴线的两个端面通过相对滑动，从而对液体泄漏情况进行有效阻止的机械装置。其主要是通过弹性构件与密封介质相互作用产生的压力，在旋转的动环和静环的端面形成压紧力，使得端面之间紧紧贴合，从而使得端面间具有流体动力压和静压力的液体膜，进而达成密封性目的。在弹簧构件的辅助力作用下，可自动对轻微磨损进行补偿修复，延长其使用年限。根据不同的密封方式可分为不同的形式，如内装式、外装式、平衡式、非平衡式、单面密封、多面密封、普通式、非接触式、旋转式、静止式等（图1）。

图1 机械密封结构示意图

1.2 水泵机械密封情况

高压水泵机械密封为单面多弹簧式，其轴径为110mm，机械密封面线速度设定为30m/s，参考机械密封标准API682，采用的是弹性元件密封，其材质选用的是硬质合金；水泵机械密封冲洗方案参考PLAN32，净化水冲洗外部，压力为0.3MPa。根据既往检修数据显示，该高压水泵机械密封的平均使用寿命为800h；动、静环磨损是导致密封性失效的主要原因，密封环端面常伴有高温灼烧（图2）和机械磨损（图3）迹象，端面出现环状沟纹或径向龟裂纹[1]。通过初步检修分析，水泵机械密封的副端面存在干磨现象，润滑效果不理想。经过现场再次核查，外冲洗水水温不超过30℃，基本密封运行要求达标，可判断故障原因在于机械密封本身。通过对水泵机械密封故障进行详细的检查，发现存在以下问题：

图2 密封面灼烧

图3 机械密封磨损

过度磨损异常。通过检修水泵发现，在工作状态下高压水泵机械密封存在过度磨损的情况，尤其是动环和静环的磨损非常严重，同时设备在磨损过程中还存在构件破损的情况，导致机械密封的磨损程度进一步加重。高强度压力是高压水泵正常运行的工作原理，在除焦系统中对温度的要求较高，常常需要在高温条件下完成，在高压力、高温影响下，导致密封面不得不面临双重损耗，进一步缩短了水泵机械密封的寿命[2]。同时，水泵机械密封较长时间未更换，其润滑效果和密封性都大打折扣，已无法达到最理想的状态，这也是导致故障发生的一个客观性因素。

水垢堆积较多。在水力除焦系统中水是非常重要的组成部分，其由各种元素组成，其中所含的一些大分子物质无法被有效分解，因此在水泵运行时无法被分解的大分子物质就停留在密封表面，长此以往就形成水垢。理论上只要有水的参与就必然会形成水垢，但只要定时进行清理对设备的使用寿命影响并不大。但通过观察发现，该高压水泵密封面残留了大量水垢，超过一般性水流过后产生的量。深入调查发现，主要是因为高压水泵在运行时，在高温的侵蚀下水流密度分布出现不均衡现象，集中于某一个方向，因此就使得这一方向出现大量的水垢，进而影响设备的正常运行，使得机械密封磨损面积增加[3]。

节流较小。水泵机械密封在高温作用下导致水流覆盖面受到影响，从而使得某一个方向水垢较多，在长期消耗过程中，受大量水垢的影响水流通道发生堵塞，这是导致节流小的一个重要因素[4]。与此同时，密封压盖冲洗孔与密封腔体内节流衬套的流通面积进行对比，前者远小于后者，压盖冲洗孔面积过小而无法实现节流的目的。

缺乏全面的冷却。在检修过程中发现高压水泵设备型号比较老旧，性能较低。当前要求定期对水泵型号进行更新，并非是确保高压水泵能满足日常生产需求，更重要的是新型水泵的功能更加全面，能避免一些传统水泵的缺陷和不足。而该水泵型号老旧，机械密封冲洗还是传统的顶部进水方式，设备冷却耗时长，无法进行局部冷却，加大了水泵机械密封故障的发生率。

冷却不均匀。通过分析可知，机械密封面在高温作用下磨损程度将增加，同时还会降低水泵的运行效率。因此在机械设备维修管理中要重点关注冷却降温这一内容。高压水泵机械密封采用的是最为常见的弹性元件密封，在运行过程中该装置无法达到预期的流体分布效果，无法达到均匀冷却的效果[5]。而这也客观印证了该水泵机械密封在运行状态下受热不均匀，从而导致机械密封失效，发生泄漏故障。

1.3 故障分析

水泵受各种因素的影响，导致水泵在运行过程中发生机械密封渗漏，主要原因在于：动环、静环密封面在介质杂质颗粒的摩擦下发生磨损，动环因颗粒磨损情况如图；通过对新旧动环进行对比（图5）可看出，受磨损后密封环周围将出现凹凸不平的缺损，从而导致其密封性失效，进而出现渗漏；由于操作不恰当、技术水平有限，在动环安装时出现不当，从而损坏部件（图6）；在高温高压等恶劣环境的影响，机械密封部件受损；水泵长时间处于空转状态，导致动静环磨损过度。

图4 颗粒磨损后的动环

图5 新旧动环比较

图6 动环密封面损坏

2 水泵机械密封技术故障的处理措施

2.1 压力产生的泄露

真空状态运行下造成的泄露。当水泵启动或停机时，受泵进口被堵塞、抽送介质混入气体等情况的影响，导致密封腔内发生负压情况，此时在负压作用下密封腔内密封端面将发生干摩擦，从而导致机械密封失效。可以说过量摩擦是导致密封失效的重要因素之一。针对这种情况处理方案是：机械密封可选用双端面，以起到改善润滑条件的作用，进而使得机械密封的密封性得到提升[6]。此外还应严格控制好耐磨材料，可选择耐干磨、机械强度高、耐高温、变形能力强的材料。

高温和高压造成的泄露。当所设计弹簧的比压或总比压过大、或是当密封腔内压力值超过3MPa时，会导致端面的比压较大，此时在端面间就无法形成具有流体动力压和静压力的液体膜，导致端面发生干磨损或半干磨损，从而产生大量热量，在摩擦作用下瞬间烧毁摩擦副，令水泵机械密封端面因高温而产生严重变形，密封失效出现渗漏。同时，当弹簧的比压过大时该构件易出现疲劳，自身调节能力丧失，过早失去弹性，当比压过小时又无法起到应有的密封效果。

针对高温和高压造成的密封故障解决方案为：在水泵机械密封安装时，必须严格参照规定数值设定弹簧压缩量，通常误差不超过±2.00mm，压缩量过大和过小都可能引发故障[7]。在密封安装前，需合理布设弹簧的旋转方向，比如静环端面，其轴向呈顺时针运动，弹簧应旋转右旋弹簧，若呈逆时针运动则应选左旋转弹簧。在高压环境下，为确保机械密封端面更加合理，尽量避免变形情况发生，可选用陶瓷等耐压强度较高的材料，也可选用硬质合金，同时要加强冷却处理，做好润滑措施，选择与之相适应的传动方式。

2.2 周期性渗漏

转子周期性振动。当定子与上下端盖未对中或叶轮与主轴不平衡时将会引发转子周期性振动，对轴承产生磨损，使得密封失效而出现泄漏。可参照维修标准进行检修即可。

泵转子轴向窜动量过大，密封于轴公差带之间过盈量较大，结合较松，轴上动环无法灵活移动。其主要原因是水泵翻转后，因动静环被磨损，移位补偿不到位而导致上述情况发生。解决方案是：在安装水泵机械密封时，应按照要求确保轴向窜动量不超过0.1mm，径向跳动度低于0.06mm，将轴最大挠度控制在0.05mm 内[8]。保证辅助密封与轴之间的过盈量适中。确保水泵机械密封性能良好的基础上，安装动环时使其能够在轴上灵活移动。

由于润滑油不足，导致密封端面长期处于干摩擦状态，导致端面拉毛现象发生。其解决方案：检查油室腔中润滑油量，确保其高度必须高于动静环密封面。在安装时可在密封端面浇灌适量的润滑油，以保证其润滑效果。同时应针对不同的密封材质选择对应的润滑油，以免导致O 型圈被润滑油浸泡后出现膨胀，导致自身老化速度加快，使得密封失效。

3 结语

泄露是水泵机械密封应用中最常见的故障，且在水泵运行的每一个运行阶段都可能发生。而导致机械密封失效引发渗漏的原因有很多，泄露方式也存在多样性。一旦出现泄露将会使得水泵机械密封的使用年限降低，并对设备整体运行情况产生影响。对此必须要重视泄露情况，根据其发生的原因选择相应的应对措施。