臥式自吸離心泵機械密封失效分析和解決措施

徐鐵+林志強

摘 要：針對某某型艇配套的臥式自吸離心泵多臺次出現的機械密封失效、漏水的故障現象進行原因分析，認為該機械密封的失效與其使用的工作環境密切相關，進而通過改進機械密封的安裝結構排除了故障，并指出對自吸離心泵軸封腔的結構設計應充分考慮其環境條件的因素。

關鍵詞：臥式自吸離心泵 機械密封 故障分析 解決措施

1.前言

若干艘某某型艇配套的臥式自吸離心泵作淡水泵使用。在投入使用后頻頻發生機械密封失效而導致漏水的故障，影響了正常使用。

筆者在艇上該泵的使用現場對其機械密封的故障現象，以及該型泵在現場的安裝使用情況進行反復觀察、了解，分析了該型泵機械密封失效的根本原因是由于該泵的運行環境條件所造成。最后通過對機械密封的重新選型和改進其安裝腔室結構，使之適應該泵運行環境條件而徹底排除了故障。

2.自吸離心泵的軸封結構及故障原因分析

2.1自吸離心泵的軸封結構形式及其運行的環境條件

如圖1所示，該型艇的淡水泵為臥式自吸離心泵。正與普通的臥式自吸離心泵一樣，它是由泵體、葉輪、泵蓋、泵軸、機械密封等零部件組成。

本型泵的軸封結構形式為單端面機械密封，并安裝在與泵腔（高壓區）相互連通的密封腔室內。

眾所周知，機械密封的密封效果主要依靠動環與靜環組成的摩擦副。在其使用前一定要加足清水，以免造成干摩擦，使摩擦副密封面磨損、破裂和燒結。由于本型臥式自吸離心泵的密封腔與泵腔（高壓區）相互連通的，而自吸離心泵在首次啟動前也必須往泵腔內注滿水，由于自吸離心泵的自吸時間一般不會超過150秒，因此泵腔內所儲存的水能有效保證泵自吸過程中對機械密封的冷卻和潤滑。泵自吸過程完成后進入正常工作狀態，此時泵抽送的水會源源不斷通過泵腔，也能保證機械密封摩擦副長期得到有效的冷卻和潤滑。所以自吸泵的密封腔不管是泵在自吸過程還是在正常運轉過程，密封腔內始終儲存有足夠的液體，從而保證機械密封的靜環與動環組成的密封面摩擦副能夠得到這些液體的潤滑與冷卻，防止機械密封的密封面干磨燒損及橡膠密封件因過熱而炭化失效。

2.2機械密封的故障原因分析

筆者在艇上對出現機械密封失效故障的泵進行拆解檢查，發現機械密封的橡膠密封件已有明顯燒焦炭化的痕跡，動環與靜環的密封面也有燒傷變色的痕跡。從故障現象分析表明，機械密封的失效是因為缺水運行造成動環與靜環干磨燒損所致。

該泵的使用是為了保持該艇的配重平衡而設置，當艇的首部隨貨物的消耗出現裝載過輕時，須將儲存于艇的尾部淡水艙中的淡水抽送到艇的首部進行壓載。尾部淡水艙的儲水量只有2.5m3，而裝配的自吸離心泵的額定流量為8m3/h。因此在約20分鐘的時間內該泵就能把淡水艙的水全部抽完。若在每次抽完水后及時停泵即不會出現機械密封因為缺水運行導致動環與靜環干磨燒損的故障。但是由于該泵的電器控制裝置沒有設置自動監視斷水停機的功能，操作者也不可能每次都在現場監視淡水艙的水是否被抽完。因此，由于淡水艙的水被抽完后沒有及時停泵，泵仍不停地空轉，甚至連儲存在泵腔內僅有的用于下一次啟動時自吸引水必須的液體也全部被排出泵外。機械密封最終因缺水運行導致動環與靜環干磨燒損、橡膠密封件燒焦炭化的故障。

以上情況說明，出現機械密封失效而漏水的原因似乎就是使用不當造成的。但從更深層次去分析原因的話，筆者認為其基本原因應是該艇的設計者在設計時未考慮到泵斷水后可能出現的故障問題，從而在設計上未采取任何斷水保護措施。

3.自吸離心泵的軸封結構結構改進

3.1解決機械密封故障的方案選擇

綜述原因，提出了解決問題的如下3個方案。

方案1：在自吸離心泵的電器啟動箱的控制回路上，增加時間繼電器。使泵啟動后時間繼電器開始計時，并在時間繼電器的設定時間內自動停泵。

方案2：在自吸離心泵的出水管道上安裝一個水流感應器或水壓感應器，當泵出現斷流或沒有出水壓力時，該感應器能向泵的啟動箱發出停泵信號，從而將泵關停。

方案3：將自吸離心泵的軸封結構進行改進，使機械密封能在泵斷流的情況下仍能可靠地工作。

方案1和方案2因涉及電器啟動箱的改進，布置電線、電纜，還涉及電線、電纜的穿艙水密等問題。最后經使用方同意，采用方案3。

3.2軸封結構改進方案的實施改進時應充分考慮以下幾點原則：（1）應保證自吸離心泵的性能參數指標不變。

（2）應保證自吸離心泵的外形及安裝尺寸不變。

（3）應以最少的零部件改動，達到最理想的效果。

（4）為達到自吸離心泵在斷流且泵腔內沒有儲水的情況下機械密封仍然有水冷卻與潤滑的效果。機械密封腔應與泵腔分隔，使機械密封安裝在能夠儲存水的獨立的密封腔內。

如圖2所示，為改進后的密封結構圖。把原來的單端面機械密封改為滿足相同軸徑安裝要求的雙端面機械密封；把原來的泵蓋改為互相嵌裝在一起隔離板和密封蓋，其徑向和軸向定位仍采用原泵的位置和尺寸；在密封蓋上部安裝一個注水螺塞。

密封腔結構改進后，雙端面機械密封處于一個封閉的密封腔內。由于密封腔儲存的水不會受到泵腔內葉輪的影響，因此相對而言密封腔內的水在較長一段內是不會消耗的。從而確保自吸離心泵在斷流及泵腔內無水的情況下，密封腔內仍有水對雙端面機械密封進行冷卻和潤滑，保證雙端面機械密封不會發生干磨燒壞。改進前后的機械密封腔結構對比如圖3。

3.3軸封結構改進后的試驗效果和使用效果

試驗1：軸封結構改進后的臥式自吸離心泵裝在試驗臺上。泵進出口均不接入管路（使泵斷流），按正常條件泵腔和密封腔均注滿水。啟動泵連續運轉5個多小時，每隔30分鐘測量機械密封腔溫度，實測最高溫度在48℃（當時環境溫度為31℃），試驗過程中未出現機械密封泄漏現象。試驗完后拆卸檢查，原泵腔內充滿的水已被葉輪飛濺或蒸發后僅剩下3ml，密封腔內儲存的水未見減少，機械密封的動環、靜環未見有燒損痕跡，橡膠密封件完好。

試驗2：軸封結構改進后的臥式自吸離心泵裝在試驗臺上。泵進出口均不接入管路（使泵斷流），泵腔內無水，密封腔注滿水。啟動泵連續運轉9個多小時，每隔30分鐘測量機械密封腔溫度，實測最高溫度在48℃（當時環境溫度為31℃），試驗過程中未出現機械密封泄漏現象。試驗完后拆卸檢查，原泵腔內充滿的水已被葉輪飛濺或蒸發后僅剩下3ml，密封腔內儲存的水未見減少，機械密封的動環、靜環未見有燒損痕跡，橡膠密封件完好。

4.結論

在艦船用水泵的故障中，機械密封的故障占相當高的比例，其原因較多。其中也有因整個水泵管路系統設計、水泵選型或水泵設計時，未充分考慮水泵可能出現斷流致使機械密封干磨運行而失效的因素。此文可為相關從業人員起拋磚引玉的作用。

參考文獻：

[1]吳仁榮.船用離心泵.國防工業出版社，1991年10月.