軸流泵試壓壓力的一種計算方法及應用實例

谷海明，余 波，潘繼斐

（云南磷化集團?？诹讟I有限公司，云南昆明 650113）

云南磷化集團海口磷業有限公司（簡稱公司）有5臺臥式軸流泵，用于凈化濕法磷酸提濃，均采用雙端面機械密封結構，設備能否長周期運行，對濃縮生產影響很大。為確保檢修質量，公司要求每臺軸流泵檢修完后都要對泵體進行打壓試漏，以檢驗機械密封效果。試壓方法為：將軸流泵進、出口用盲板密封，往泵體內注滿水，用加壓泵緩慢增壓，控制泵體內壓力略低于機械密封設計壓力，保壓20 ～30 min，如泵體內壓力無明顯變化，表明機械密封可靠，軸流泵檢修合格，如壓力降低，則需要逐步排查泄壓原因，直至壓力穩定，檢修才算合格。

1 存在的問題

軸流泵在試壓過程中，壓力過高，會損害機械密封，壓力過低，又起不到檢修試漏的效果。試壓壓力一般由設備廠家提供，正常情況下均應遵從廠家要求。但公司實際應用中發現，設備廠家出于保護機械密封的角度，提供的試壓壓力比較保守，雖然泵在剛檢修完試壓時發現機械密封沒有滲漏（表明檢修成功），但這樣的設備用在生產中，往往壽命較短，運行2 ～4 個月后機封就會開始滲漏、滴漏、機封水帶酸，然后慢慢擴大，需要停車處理，影響濃縮生產。通過多次解體檢修發現，機械密封拆開后，內部動、靜環和O 型圈等元件基本完好，因此不是滲漏的原因，機械密封彈簧預緊壓力設計不足和設備運行中介質壓力波動可能是引起滲漏的最大原因。介質壓力波動可以通過優化操作、穩定控制閃蒸室液位來調節，但機械密封彈簧預緊壓力是否存在設計不足就需要公司設備技術人員自行判斷，這時候就需要一種行之有效的可參考計算方法。

2 提出方法

根據雙端面機械密封設計原理，當介質壓力≤機封彈簧預緊壓力+密封水壓力時，機械密封無泄漏，密封有效；當介質壓力＞機封彈簧預緊壓力+密封水壓力時，機械密封發生泄漏，密封失效。在泵體試壓過程中由于用試壓壓力代替介質壓力，密封水壓力為零，此時雙端面機械密封可承受的最大試壓壓力即為機封彈簧預緊壓力，因此，計算雙端面機械密封可承受最大試壓壓力即計算機封內彈簧預緊壓力。根據圓柱螺旋彈簧的常用設計方法，理論上單個彈簧預緊力可由式（1）計算［1］：

式中：F—— 預緊力；G—— 材料切變模量；d—— 彈簧直徑；D—— 彈簧中徑；n——彈簧圈數；f——彈簧變形量。

則預緊壓力：p=F/S，S為動靜環密封面接觸面積。由于大型機械密封為了保證密封面受力均勻，內部彈簧一般由多個組成，則此時雙端面機械密封可承受最大靜壓按下式計算：

用公式（2）計算靜載最大值，對于彈簧材料已知、材質切變模量可查的彈簧沒有問題，但是對于實際工作中有一些較特殊材質，如材質未知、切變模量難查的彈簧，則公式（2）實用性受限，此時可通過實驗法，將式（2）簡化為式（3）進行計算。

K可通過實驗方法測得，用推拉力計測量彈簧力與形變的關系，計算彈性系數。為保證測量值準確，彈簧壓縮量需控制在彈簧自由長度的20%以內。

3 應用實例

公司采用軸流泵的生產廠家要求泵體試壓壓力不能超過0.2 MPa，到底該雙端面機封可承受多大靜壓，可以選擇上面的公式（2）或公式（3）進行計算。經詢問廠家，機封彈簧材質為哈氏合金，但具體是哪一系列沒有明確告訴，因彈簧切變模量無法查閱，所以這里就只能選用公式（3）通過實驗方法進行計算。該泵機械密封經解體測繪有如下數據：N= 20；S= π（0.182- 0.172）m2= 0.011 m2；f=d動-d靜=0.104 m-0.096 m=0.08 m（d動——自由狀態下兩動環密封面距離；d靜——自由狀態下兩靜環密封面距離）；彈性系數K使用推拉力計測量、計算，約為30.25 N/mm。將上面數據帶入式（3）計算得該泵機械密封設計可承受最大靜壓為0.22 MPa，廠家要求試壓不能超過0.2 MPa 是保守可靠的，且與泵體現場試壓實際情況基本相符：當泵體試壓壓力超過0.23 MPa以后，可以明顯看到在機械密封進、出水口位置發生滴漏，試壓壓力降至0.21 MPa左右，壓力穩定，滴漏消除。

泵體試壓壓力沒有問題，但是機械密封使用壽命不長，根據機械密封解體情況來看，綜合判斷就是機械密封彈簧預緊壓力設計不足，滿足不了現場介質密封所需的壓力。后經與廠家技術人員溝通交流以及現場測繪循環系統高差后，雙方共同決定對機械密封結構進行微改造，將機械密封彈簧預緊壓力提升至0.25 MPa，試壓壓力按0.24 MPa控制，此改造自2017 年實施后，軸流泵運行周期由之前的2 ～4個月一舉延長至8 ～14個月，且設備在運行過程中，無任何泄漏，改造效果非常明顯。

4 結語

泵體打壓試漏是軸流泵檢修的必要程序，掌握準確的試壓壓力非常關鍵，當設備技術人員對設備試壓壓力不明確或存在疑惑時，就可以采用上述方法，進行計算，從而做到準確控制試壓壓力。當發現機械密封彈簧預緊壓力設計不足時，也可以針對性的采取措施進行調整，確保機械密封不會發生滲漏，以此來延長設備運行周期，降低對生產的影響。