某船用泵機(jī)械密封裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

王高一 吳新躍

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢430033）

0 引言

船舶的冷卻系統(tǒng)、艙底壓載系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、輔助鍋爐給水系統(tǒng)、日用水系統(tǒng)等都需要水泵來輸送常溫海水或淡水。某船消防系統(tǒng)采用型號(hào)為8CLGⅢ－25的單吸蝸殼式葉片泵，其進(jìn)口壓力允許值為3 MPa，流量為100～972 m3／h，揚(yáng)程為10～85 m，主要零件的材質(zhì)為硅黃銅，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該泵原先采用平衡式單端面分立單元機(jī)械密封，在長(zhǎng)期的使用中出現(xiàn)了很多問題，如泄漏量大、密封效果不佳、維修頻繁、壽命短等，這就嚴(yán)重影響了船舶航行的進(jìn)程，帶來很大的維修成本。鑒于此，本文提出一種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，并使用合理的材料，以保證密封裝置在我國(guó)海域中可靠運(yùn)行，并有足夠長(zhǎng)的使用壽命。

1 原有機(jī)械密封裝置存在的問題

目前使用的機(jī)械密封為平衡式單端面分立單元機(jī)械密封，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 原有機(jī)械密封裝置結(jié)構(gòu)圖

通過實(shí)際應(yīng)用，并加以分析，認(rèn)為該密封裝置存在如下不足之處：

（1）主密封副選材不合理，無(wú)法適應(yīng)我國(guó)海水含沙的工作環(huán)境。當(dāng)前船舶使用的機(jī)械密封裝置使用硬質(zhì)合金對(duì)碳石墨（即軟硬配對(duì)）作為主摩擦副，其優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，摩擦損耗較小，實(shí)踐表明這樣的主密封副配對(duì)在我國(guó)海域的使用并不理想。我國(guó)海域尤其是在東海一帶泥沙、雜質(zhì)的含量很大，這樣的海水無(wú)疑對(duì)質(zhì)地較軟的石墨會(huì)產(chǎn)生破壞性作用，一旦泥沙或硬質(zhì)顆粒進(jìn)入密封端面，便極易造成密封面的過度磨損失效，從而引發(fā)泄漏。另外，由于硬質(zhì)合金成本較高，運(yùn)行中讓材質(zhì)較軟、價(jià)格較便宜的碳精環(huán)被磨損，當(dāng)碳精環(huán)磨損量超標(biāo)密封失效后，更換碳精環(huán)。這樣做是為了節(jié)約成本和增加經(jīng)濟(jì)效益，不太注重使用壽命的長(zhǎng)短。

（2）軸套與軸是過盈配合，動(dòng)環(huán)由鎖緊螺母與軸套采用螺紋連接M92×1.5進(jìn)行軸向固定，并用銷與軸套周向固定。電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，軸套通過銷帶動(dòng)動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)，螺紋處于旋緊狀態(tài)，動(dòng)環(huán)在軸向和周向均與軸套固定，隨軸旋轉(zhuǎn)，與靜環(huán)緊靠，實(shí)現(xiàn)密封效果。當(dāng)電機(jī)的相序接錯(cuò)導(dǎo)致泵軸反轉(zhuǎn)時(shí)，鎖緊螺母由于沒有周向力矩帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，螺紋連接就會(huì)松脫，這樣動(dòng)環(huán)在軸向失去固定，從而導(dǎo)致其與靜環(huán)不能緊靠在一起，密封端面貼緊力變小，密封失效，這就阻礙了設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也給設(shè)備的維修帶來極大不便。

（3）密封圈的選材不當(dāng)。目前使用的輔助密封圈的材料是丁腈橡膠，其在高溫、腐蝕性環(huán)境中，易老化、龜裂、變硬失彈；如果安裝不當(dāng)，還會(huì)出現(xiàn)過度變形。這些都會(huì)導(dǎo)致輔助密封效果變差。

（4）密封彈簧長(zhǎng)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(bǔ)償作用。

（5）分立式結(jié)構(gòu)的密封裝置安裝不方便，還會(huì)造成人為安裝誤差。傳統(tǒng)的分立式密封裝置在安裝過程中其彈簧預(yù)壓縮量、動(dòng)靜環(huán)端面與軸線垂直度等關(guān)鍵指標(biāo)取決于工人的技術(shù)水平，所以不可避免地會(huì)出現(xiàn)人為的安裝質(zhì)量問題。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)原有機(jī)械密封存在的問題，參考較為先進(jìn)的變工況集裝式免維護(hù)機(jī)械密封技術(shù)，對(duì)現(xiàn)行使用的機(jī)械密封裝置進(jìn)行了以下改進(jìn)設(shè)計(jì)：

（1）在密封裝置和泵體連接的部位安裝減壓套。此減壓套外表面是具有凹槽的迷宮結(jié)構(gòu)，如圖2所示。利用“迷宮密封”的工作原理，介質(zhì)經(jīng)過該結(jié)構(gòu)初步減壓，可將要密封的介質(zhì)壓力降低一半，這樣就減小了密封裝置的工作壓力，進(jìn)而提高了密封裝置的使用壽命。由于密封裝置在運(yùn)行中，減壓套會(huì)與泵體發(fā)生摩擦，而鑄造硅黃銅常用于摩擦條件下工作的零件，所以減壓套的材料采用鑄造硅黃銅。減壓套磨損量超標(biāo)失效后可換新。

圖2 減壓套

（2）根據(jù)機(jī)泵的實(shí)際運(yùn)行情況及安裝位置，通過撥叉結(jié)構(gòu)將減壓套和動(dòng)環(huán)鎖緊螺母連接起來，再用螺釘將減壓套軸向固定，這樣就可以避免因電機(jī)反轉(zhuǎn)造成鎖緊螺母松脫，從結(jié)構(gòu)上改變機(jī)械密封只能正轉(zhuǎn)不能反轉(zhuǎn)的弊端，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)密封正反轉(zhuǎn)通用。撥叉結(jié)構(gòu)的實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 撥叉結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

（3）動(dòng)、靜環(huán)材料改為均采用硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金具有極高的硬度和強(qiáng)度、良好的耐磨性及抗顆粒沖刷性，因此適用于重負(fù)荷或含有顆粒、固體及結(jié)晶介質(zhì)的場(chǎng)合。機(jī)械密封用的硬質(zhì)合金主要是碳化物（WC），常用的為 WC－Co類。WC－Co是由硬度極高的難熔鎢碳化物加Co（或其他鐵族金屬）作為黏結(jié)劑用粉末冶金方法壓制燒結(jié)而成的［1］。考慮到該新型機(jī)械密封裝置的使用條件為我國(guó)海域多雜質(zhì)的海水，且其有一定的腐蝕性；同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)效益，選用牌號(hào)為YG6的硬質(zhì)合金作為摩擦副材料。

（4）密封圈的材料選用全氟醚橡膠。作為機(jī)械密封輔助密封件，全氟醚橡膠可以耐高溫以及許多有毒有害和強(qiáng)腐蝕的油品，如醚類、酮類、苯環(huán)類溶劑、強(qiáng)氧化劑、強(qiáng)酸強(qiáng)堿等，全氟醚橡膠的耐熱穩(wěn)定性能超越了一般氟橡膠，可以在300℃的高溫下長(zhǎng)期使用。API682—2004規(guī)定，除非另有指定，O形圈應(yīng)采用氟橡膠（FPM），如果氟橡膠（FPM）受到工作溫度和化學(xué)兼容性的限制，而不能使用，則O形圈應(yīng)使用全氟醚橡膠（FFKM）材料。全氟醚橡膠是用于高溫條件下抵抗化學(xué)腐蝕的O形圈通常采用的材料［2］。綜合考慮新型機(jī)械密封裝置的使用工況和API標(biāo)準(zhǔn)，選用全氟醚橡膠作為密封圈的材料。

（5）在機(jī)封端蓋和靜環(huán)座之間安裝密封圈，用其將彈簧與海水隔離開，避免海水對(duì)補(bǔ)償彈簧的腐蝕，也避免因泥沙的沉積使補(bǔ)償彈簧失彈而失去補(bǔ)償作用。

（6）采用全集裝免維護(hù)設(shè)計(jì)，安裝前準(zhǔn)確測(cè)量彈簧比壓，加裝限位器，檢查配合尺寸，檢查密封端面與軸的垂直度和偏心度。密封組件總成裝配完畢后，將應(yīng)急密封的填料調(diào)整螺母和填料壓蓋松開，壓入相應(yīng)規(guī)格的填料；安裝時(shí)直接將組件總成套入泵殼，并用螺栓將密封裝置壓蓋與泵殼基座連接，緊固即可。安裝方便，無(wú)人為安裝誤差，安裝質(zhì)量可靠，并且可以節(jié)約大量安裝時(shí)間。

改造后的機(jī)械密封為全集成單端面平衡型靜環(huán)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，其總裝配圖如圖4所示。

3 密封裝置改造后的效果

改造后的機(jī)械密封裝置經(jīng)性能試驗(yàn)和長(zhǎng)期實(shí)際應(yīng)用，均滿足在我國(guó)海域中使用的要求。改造后的機(jī)械密封裝置有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）由于采用了全集成免維護(hù)結(jié)構(gòu)，這使得密封裝置沒有人為安裝誤差，而且節(jié)約安裝時(shí)間，大大提高了安裝的質(zhì)量和效率。另外，免維護(hù)設(shè)計(jì)也大大節(jié)省了維修成本。

（2）改造后的密封裝置無(wú)論是技術(shù)、質(zhì)量、使用效果，還是規(guī)格尺寸，均能完全替代原裝機(jī)械密封，而且，個(gè)別部件比原裝機(jī)封部件性能更優(yōu)。

（3）大幅度延長(zhǎng)了使用壽命。新的密封裝置規(guī)定兩年換新一次，在此期間使用均未出現(xiàn)任何泄漏，密封效果可靠，保證船舶的長(zhǎng)期有效運(yùn)行。

圖4 總裝配圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)船用泵原有機(jī)械密封裝置的改造，新型機(jī)械密封裝置克服了原有裝置的不足，密封效果良好，安裝維修方便，使用壽命大大延長(zhǎng)，達(dá)到了改造的目的。

［1］顧永權(quán).機(jī)械密封實(shí)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］朱立新，王汝美.實(shí)用機(jī)械密封技術(shù)問答［M］.3版.北京：中國(guó)石化出版社，2014.