摘 要：本文通过对冷冻水循环泵机械密封泄露原因进行分析，找到了机封端面线速度、机封端面比压、辅助冲洗系统等可能导致机封泄露的影响因素，并最终确定机封端面比压过大是导致冷冻水循环泵机封泄露的根本原因。据此选择集装、平衡式的机封代替原有散装、非平衡式的机封，彻底解决了冷冻水循环泵机封泄露这一问题。

前言

机械密封是一种防止介质从两相邻端面间泄露以及防止外部粉尘、杂质侵入设备内部的组件。它是流体设备和动力设备的重要组成部分，对设备的稳定运行起到至关重要的作用，是设备防泄露、节能降耗、控制环境污染的基础元件。随着科技的发展，机械密封被广泛应用到汽车、船舶、炼化等相关领域。

制冷站冷水循环机组自投产运行以来，不断出现循环泵机械密封泄露故障，不仅造成了作业区备材采购费用的升高，而且严重影响机组的稳定运行。本文通过对冷冻水循环泵大量机械密封失效实例进行分析，找出了机械密封失效的根本原因，并提出改进措施。

1 结构简介

1.1冷冻水循环泵

冷冻水循环泵为单级、单吸、卧式离心泵，主要组成部分为泵壳、叶轮、机封、轴承。工作原理如下：泵轴和叶轮在电机的带动下高速旋转，水在离心力的作用下被抛向叶轮外缘，随后进入蜗形泵壳出口流道，最后被压入到出口管道中。

1.2冷冻水循环泵机械密封

冷冻水循环泵机械密封由动环、静环、密封圈、压紧弹簧组成。动环随泵轴同步旋转，它通过密封腔内的介质压力与静环紧密的贴合在一起，并在两端面之间产生适当的比压和一层薄薄的油膜，起到密封的作用[1]。泵在停止状态下，动静环间通过压紧弹簧的压力保持贴合状态，保证介质不泄露，并防止杂质进入密封端面。同时，压紧弹簧对泵的振动也能起到缓冲的作用。动环与轴套间的间隙、静环与压盖间的间隙全部通过密封圈密封。

2 故障原因分析

2.1泵体振动大

泵体振动过大会给机封造成以下几种损害：机封两端面间隙过大，不能形成密封油膜，导致介质大量泄露；密封端面容易进入杂质，加剧端面的磨损，缩短机封的使用寿命；由于振动导致动环与轴套间密封圈疲劳磨损，失去密封效果。

2.2弹簧压缩量

机械密封的弹性元件主要起到补偿、缓冲的作用。弹性压力过大，则机封两端面间的润滑油膜厚度变小，密封端面产生大量热量，加剧机封的磨损；弹簧压力过小，则机封两端面间不易形成润滑油膜，起不到密封的作用。因此，要根据工况正确选择弹簧的材质，确保弹簧的弹性和高温稳定性。

2.3设计缺陷

机械密封自身设计存在着缺陷，如端面比压过大、端面线速度过大等都可以加剧机封端面的磨损，导致机封的失效。

3 原因确认

对冷冻水循环泵的各运行参数进行测量，转子径向跳动值为0.05mm，同心度轴向0.06mm，径向0.08mm，振动恒值0.05mm，从以上数据可以排除泵体振动对机封的影响。同时，经点检人员确认，维检人员每次安装机封时都保持弹簧压缩量在总压缩量的60%左右，符合安装规范，排除弹簧压缩量对机封的影响。通过查找循环泵运行曲线看出，泵介质温度常压下7度左右，泵入口压力在0.3MPA左右，排除泵抽空或汽蚀的可能。通过以上排除，导致机封损坏的原因可能是自身设计缺陷。

3.1密封端面线速度过大导致机封磨损加剧

分体式机械密封M74N/110的线速度计算公式为：V=，n为水泵转速，r/min；D为机封外径，mm；d为机封内径，mm；M74型机械密封的密封副端面线速度V<20m/s[2]。经过计算，V=0.31m/s，在此类型机封密封副端面线速度要求范围内。

3.2密封端面比压过大，导致摩擦副间液膜蒸发，加剧机封的磨损。

冷冻水循环泵参数：流量200 m3/h，扬程50m，转速2900 r/min，泵入口压力0.15 MPa，泵出口压力0.3 MPa。

M74N/110型机械密封参数：密封端面外径130 mm，密封端面内径120 mm，滑移距离121 mm，模压系数0.5，弹簧比压0.0137 MPa。

密封端面有效作用面积Ae=π（D2-dh2）；密封端面名义作用面积A=π（D2-d2）。其中，dh为滑移距离，则Ae=17.73cm2，

A=19.62 cm2，载荷系数K2==0.9。

密封处于干摩擦状态下的端面载荷Pg=Psp+[K2P2+（1-K2）P1]，其中Psp为弹簧比压，P2泵出口压力，P1为泵入口压力，则Pg=0.29MPa。

密封处于混合摩擦状态下的端面载荷Pc=，其中γ为模压系数，则Pc=0.19MPa。

M74N/110型机械密封端面比压P≤0.2MPa，此机封已接近该类型机封的工作上限，长期在此工况下运行，机封摩擦副端面无法形成稳定的油膜，机封易过快磨损失效。

4 改进措施

从冷冻水循环泵使用说明书中可以看出：泵在理论状态下的进出口压力与实际工况下的进出口压力存在偏差，而机封是根据泵在理论工况下运行进行的选型，与实际工况不匹配。

通过对比M74N/110型机封的安装尺寸、密封方式，选择集装式、平衡型的CARTEX-SE/110机封代替原有分体式、非平衡型的机封

4.1安装尺寸、密封特性对比

4.1.1安装尺寸对比

M74N/110型机封安装轴径110h8，径向所需空间140mm；CARTEX-SE/110型機封安装轴径110h6，径向所需空间135mm。从以上数据可以看出，CARTEX-SE/110型机封密封圈位置更精确，结构更紧凑。

4.1.2密封特性对比

CARTEX-SE/110型机封的承载能力为0.25 MPa，远大于M74N/110型机封的承载能力，且同样工况下功率损耗更低。

4.2CARTEX-SE/110型机封校核

4.2.1线速度校核

通过计算，CARTEX-SE/110型机封的端面线速度为V=0.45m/s，CARTEX-SE型机封的端面线速度为V<16 m/s，在此类型机封密封副端面线速度要求范围内。

4.2.2端面比压校核

通过计算，CARTEX-SE/110型机封在混合摩擦状态下的端面比压Pc=0.19MPa，CARTEX-SE型机封的端面比压Pc<0.25MPa，CARTEX-SE/110型机封端面比压在该类型机封所要求的比压范围内。

5 总结

冷冻水循环泵自改型后未发生机封泄露故障，机械密封改型取得了良好效果。

冷冻水循环泵机封频繁泄露并非机封质量问题所引起的，而是由于选型错误所造成的。在今后工作中，一定要以现场运行数据为依托进行选型，避免该类问题重复出现。

作者简介：

张志伟，1987.03.07，男，河北承德，研究生，信息化与管理创新，单位：首钢京唐钢铁联合有限责任公司冷轧作业部。