螺桿泵機封滲漏原因分析與改進研究

吳新嶺，朱志鵬，左曉軍

螺桿泵結構簡單，安裝方便，工作效率高，壓力脈動小，安全可靠，在諸多工況下都可以穩定長時間運行，以其獨特的優勢廣泛應用于各個領域。螺桿泵在板帶鋼熱軋生產線中更是被大量使用，特別是在軋機區域的液壓站和潤滑站上螺桿泵被用作重要的循環過濾設備和主要的動力源。

1 螺桿泵軸部的密封原理

螺桿泵一般是采用機械密封來實現軸部對油液介質的封閉，它是一種旋轉設備的軸向密封裝置，安裝在螺桿軸與殼體的結合部位，用來實現對油液介質的密封作用。機械密封主要由動環和靜環組件構成，動環和靜環一般選用耐磨材質，動環與軸通過O-型圈實現對油液的密封，并且動環及O-型圈和泵軸一起轉動。靜環和泵體壓蓋保持靜止不動，并通過O-型圈實現對油液的密封。動環的彈簧能夠保證動環在軸向自由移動，又可補償動靜環工作面的磨損，在彈簧力的作用下動靜環始終緊貼在一起，由此實現密封作用。

動靜環間密封、動環與軸間密封、靜環與壓蓋密封、壓蓋與泵體間密封等幾處關鍵的密封部位。其中動靜環之間密封，屬于動密封，一般采用金屬密封，并對其工作面的加工精度要求較高。其他部位的密封屬于靜密封，一般采用O-型圈、V-型圈等密封元件，此類密封件在除有良好的密封作用外性能，同時也起到緩沖吸震的作用。

常用機封一般分為：多個小彈簧型和單個大彈簧型，兩者外觀不一樣，實質在工作原理上是很相似的，都屬于非平衡型機封。以下為幾種非平衡型機封特點：

（1）單彈簧分離式O 圈型：有單個大彈簧，補償環O 圈在軸上滑動。

（2）多彈簧分離式O 圈型：機封中有多個彈簧，補償環O 圈在軸上滑動。

（3）唇型密封型：密封唇口直接在泵軸上滑動。

（4）單彈簧膠套型：有單個大彈簧，并且裝有膠套，膠套在軸上滑動及傳動。

2 螺桿泵機封的滲漏原因分析

2.1 機封結構機理因素

2.1.1機封運行運轉磨損

螺桿泵是軸向傳輸物料的容積式泵，運轉時軸向力不斷波動。在板帶鋼生產線螺桿泵傳輸介質多為液壓油或齒輪油，介質潤滑性好，滲透性也比較好。此類工況就出現會螺桿泵其機封密封在損耗不大情況下，甚至新密封時也會出現“滲油”現象。

以單個大彈簧型機封為例：這種機封是典型的非平衡-分離式機封，其優點：簡單，價格較便宜，在很多場合都能用；缺點：在補償O 圈不斷作用下，軸表面會被磨出環形凹痕。當出現明顯的凹痕時螺桿泵軸部的滲漏就很嚴重了，這種情況只能采取修軸或換軸的方法來進行處理。

但更多數時候是微觀上的不平整，這同樣也會形成泄漏通道；其更不好的情況是它顯著降低了補償環的追隨性。泵內外存在壓差，泄漏通道形成，環面間追隨貼合狀況不佳，介質滲透性強，這些情況的共同作用就產生了螺桿泵機封的滲油或漏油現象。

現場機封拆解各部件無明顯損壞，甚至環面平晶檢測也是合格的。這種情況的通常做法是換新機封。但軸表面的環形磨痕還存在，補償O 圈還在那位置，螺桿泵的軸向壓力波動還在，新的機封并沒有根除滲漏的癥結，只是通過新的補償O 圈改善了滲漏狀況，過一段時間補償O 圈老化磨損，滲漏又恢復原狀。

2.1.2金屬腐蝕

（1）表面均勻腐蝕，機封金屬環表面直接接觸油液介質，油液在長期使用過程中會呈現弱酸性，而常規的黑金屬材質耐腐蝕性能較差，動靜環金屬面浸泡在此類弱酸性油液中，金屬表面就會緩慢的產生腐蝕，金屬表面的均勻腐蝕并非勻速進行，隨著金屬表面的致密層被破壞，腐蝕速度就會加快。腐蝕過程以一種加速度模式進行，使腐蝕不斷加劇。造成金屬面特別是動靜環工作斷面的粗糙度下降，久而久之，密封性能也隨之下降，表現在泵組運行上的現象就是軸封處開始泄漏、振動增加，噪音增大。

（2）應力腐蝕破裂，金屬材料在靜應力和腐蝕的共同作用下產生的一種實效形式，機械密封端面極易出現局部性腐蝕、破壞。使得金屬環面產生帶狀裂紋，這些裂紋同樣使動靜環工作端面粗糙度下降，端面磨損加劇，機封泄漏量增加。

（3）油液汽蝕，由于受油液流動性能、泵進口腔體汽蝕性能以及泵的轉速等因素影響，在泵的低壓區油液中會有氣泡，氣泡附著在金屬元件表面，而且油液中的氣泡多為酸性氣體，具有一定的腐蝕性，使金屬表層脫落，形成細小的麻點和凹坑，另一方面動靜環結合面處得油液中的氣泡，會使接合面之間的油膜不連續，造成動靜環結合面的潤滑不良，加速磨損，機械密封老化損壞。

2.2 泵體自身因素

2.2.1泵軸的軸向竄動大

機械密封動靜環結合面要始終承受一個恒定的壓力，才保證密封效果的良好，它是通過動環彈簧作用的動靜環結合面，一般這個壓力的波動越小越好。這要求泵軸不能有太大的竄量，一般要保證在0.5mm 以內。但在實際使用過程中，負載變化壓力波動，往往使泵軸產生較大的竄量一般在1mm 以上，這將之間影響動靜環結合面的貼合的緊密程度，尤其是在泵啟停過程中，竄動量會更大。

2.2.2泵軸的撓度偏大

螺桿泵是一種靠螺桿嚙合輸送介質的工作特性，其泵軸的受力是不均勻的，特別在徑向力方面，受力復雜而且波動較大，這在單螺桿泵上表現尤為突出，此類工況勢必造成泵軸的撓曲變形增加，進而影響機械密封端面受力均勻性，造成結合面貼合不實。另外，由于泵組零部件的加工裝配精度因素同樣會使泵軸在機械密封安裝處的撓度較大，嚴重動靜環的密封效果。

2.3 現場安裝使用因素

螺桿泵一般是泵與電機通過聯軸器連接，泵和電機在安裝過程中的抄平找正至關重要，如果找正誤差過大，使得聯軸器的平行度差、電機與泵組軸線不同心，泵組運行起來振動就大.機械密封振動同樣增大，這些因素都加速了機封的磨損老化，最終致使機封處滲漏。另外，一個重要環節就是機封的安裝，在現場實際維修維護過程中的由于機封規格型號不符，清洗清理不徹底、位置錯等安裝不當原因造成泵組振動大，噪音大，機封滲漏損壞時有發生。部分泵組安裝完成后，運行初期泵組振動噪音或機封滲漏不明顯，運轉一段時間后此類異常現象加劇，諸如此類問題一般都與機封或泵組的安裝有關。

3 滲漏治理方法探究

根據現場實際運行的情況來看泵軸的表面性能和機封形式是螺桿泵軸端滲漏的主要因素，因此滲漏的治理需重點從泵軸的表面性能改善和泵用機封形式的改進兩方面著手進行。

3.1 泵軸表面性能的改善

目前針對螺桿泵螺桿及泵軸表面性能改善的工藝多為離子滲氮，離子滲氮技術具有處理速度快、性能良好及節能環保的優點，可提高零件表面耐磨、耐蝕性能，同時提高零件表面疲勞強度。通過表面納米化在泵軸表層獲得納米級細晶結構，金屬表面的活性和化學特征也隨之改變，金屬材料表層的晶界分布較多，原子的滲入和擴散更加容易，這些化學特征和表層晶粒結構顯著的提高了金屬表面滲入元素的擴散深度和質量分數。將表面納米化與離子滲氮技術結合起來，有利于提高螺桿泵泵軸的服役壽命和工作效率。

3.1.1泵軸表面處理過程

螺桿泵的泵軸（主動螺桿）材料一般選用40Cr，泵軸工件進行熱處理，先加熱到860℃淬火，再進行緩冷，到550℃左右時回火處理，最后進行空冷。最終得到回火索氏體，其洛氏硬度為28HRC 左右。熱處理完成后，進行超聲沖擊納米化的表面性能改善加工。處理后表面粗糙度接近Ra0.4，表層晶粒接近納米級，表層微缺陷減少，提高了材質的耐磨和耐腐蝕性能、硬度也有了一定的提高。最后做離子滲氮處理。

3.1.2滲氮層深度分析

超聲沖擊納米化處理的工件，離子滲氮層深度明顯加深，擴散層擴散深度增加。這是由于在工件的表層細晶組織中分布著諸多的位錯和孿晶，這種晶界結構有助于金屬氮化物形成。且工件表面化學活性的提高，氮原子的聚集和吸附更加容易，所以經過超聲沖擊納米化處理后的泵軸工件離子滲氮層會變深。

離子滲氮和超聲沖擊納米化-離子滲氮兩個處理過程的元素類別及主元含量占比基本一致。經過表面納米化加工的工件，再進行離子滲氮處理其N 元素含量顯著提高，接近1.4%。表面納米化處理對于金屬材料具有化學催滲效應。同單純的離子滲氮相比，超聲沖擊納米化-離子滲氮得到的氮化層更為致密，表面性能更優良。

3.1.3滲氮層硬度分析

單獨離子滲氮層硬度一般為590HV，表面納米化加工后離子滲氮層硬度提高到660HV，比40Cr 材料硬度有了明顯的增加。表面納米化處理的另外一個明顯優點是隨著滲氮層加深，硬度下降較為緩慢而且均勻。超聲沖擊納米化-離子滲氮得到的離子滲氮層深度、硬度和性能緩慢程度更為良好。

3.1.4表面性能改善的效果

超聲沖擊納米化提高了螺桿泵泵軸離子滲氮層的深度，擴散層深度明顯增加，該處理工藝更有利于氮元素的滲入和擴散，形成更為均勻、致密的細晶組織。離子滲氮提高了鐵氮化合物的含量，抑制了Cr 的析出，增強了泵軸的抗點蝕性能。同時提高了離子滲氮層的表層顯微硬度，獲得了硬度分布更為合理的表層結構，這種硬度分布有助于螺桿軸力學性能和耐磨性提升。

3.2 泵用機封的改進

軸表面性能的改善會使機封的使用壽命會有一定的提高，滲漏現象出現的得到一些改善，但對于長時間運轉的螺桿泵來說滲油還是會出現。如果再出現了滲油，就只能考慮修軸、換軸或其它手段。

3.2.1 泵用機封形式的改進

使用單彈簧膠套型軸封，其膠套抱緊軸與軸間密封，并傳動給動環，從這個角度來看膠套應該緊些；彈簧推動動環，膠套在軸上滑動補償，從這個角度來看膠套又應該松些；膠套與軸間，以及動靜環面間都可能成為滲漏的途徑。

使用平衡型機封，其補償O 圈不在軸（軸套）表面，這是一種典型的分離式機封，其優點：O 圈滑移由軸表面轉移到機封上，O 圈不磨軸了，這樣就能降低摩擦副損耗。缺點：機封軸套的材質通常是不銹鋼一般比普通軸表面耐磨，但使用一段時間后，機封的軸套表面還是會磨損后，滲油的情況又悄然而至。不同的是，這次可以通過更換機封解決，泵軸狀態良好，一般沒有磨損。

3.2.2優化解決方法

平衡型機械密封，在新設備、新機封時建立初始密封，一般是沒什么問題的，使用壽命較普通機封也有了一定的提高；但使用相當長一段時間后，軸套表面的磨損或者機封內部補償面的磨損，同樣造成補償能力下降甚至形成泄漏通道，滲油現象還是會出現。所以應保持補償順暢和動靜環的良好追隨性。

因此嘗試使用優化平衡型機封，其彈簧不接觸介質，O 圈不磨損軸；O 圈裝在特殊硬質合金的環套上。

環套的材質多為碳化硅或碳化鎢，其硬度極高，硬度值可達HRA88/90，利用金剛石砂輪配合專用的研磨液對其補償環面進行磨削、研磨和拋光加工。碳化硅或碳化鎢補償環面經過上述精細加工可以遠遠超過普通黑金屬補償環面機加工能達到的粗糙度水平，以使補償更順暢，大幅提高環面間的追隨性。

O 圈在碳化硅或碳化鎢環面上滑移，補償O 圈不會對其形成磨痕；O 圈裝在環套精加工面上，其滑動更順暢，工作面更持續耐磨。此結構的機封以其良好的動環跟隨性、環面更高的耐磨性，大大的提高了機封密封性能和在線運行時間。

3.2.3螺桿泵機封滲漏治理案例

現場治理案例一

用戶/設備：2250 熱軋/精軋稀油潤滑系統工作泵。

泵型：HSNH1300-46W1。

原機封：JC 58U-60（分離式.非平衡）密封裝于軸承內側。原機封問題：滲油，檢查機封部件無明顯損壞。

處理方案/效果：因該泵屬于外置軸承螺桿泵，其軸承座與機封靜環座是一體的，不便改成集裝式機封。為便于安裝，選用一種U8T 型優化平衡機封，其裝配尺寸設計與原機封相同，安裝后運行平穩、密封良好、無泄漏，滲油問題得以解決。

現場治理案例二：

用戶/設備：1580 熱軋/液壓系統循環油泵。曾用機封：JC 58U-35（分離式.非平衡）。原機封問題：磨軸、機封密封老化后泄漏。處理方案/效果：將原來的58U 型分離式改成集裝式平衡型機封，安裝不受限制，處理后密封良好、滲油問題大為改觀。

現場治理案例三：

用戶/設備：1580 熱軋/油膜軸承潤滑系統工作油泵。

泵軸規格：50（55）。

曾用密封：分離式彈簧型機封。

原機封問題：機封滲漏失效。

處理方案/效果：將分離式改成集裝式318T 型平衡機封，安裝形式不受限制，安裝后使用良好，無泄漏、解決了滲油問題。

3.3 機械密封安裝方法的規范優化

（1）螺桿泵機械密封安裝前，應檢查確認機械密封型號及規格是否正確，是否與泵的型號及要求一致；機械密封靜環尾部防轉槽端與防轉銷頂部應保持1mm ～2mm 的軸向間隙，以免緩沖失效；

（2）動、靜環端面用專用清洗劑清洗干凈，其余金屬件用煤油清洗并用潔凈的壓縮空氣吹干，仔細檢查務必保證動、靜環密封面沒有任何損傷。裝配前，動靜環O-型密封圈上涂一層干凈的潤滑脂，動、靜環端面不涂油。在安裝密封的軸，腔體及壓蓋等與輔助密封圈接觸處均勻涂油。

（3）在螺桿泵轉子與泵體的相對位置固定之后，確定機械密封的安裝位置，根據密封的安裝尺寸及靜環在壓蓋中的位置，測算出密封在軸或軸套上的定位尺寸。

（4）安裝機封動環，動環安裝后須保證能其在軸上靈活移動；將組裝好的靜環部分和動環部分組裝好；把密封端蓋裝在密封體內，并將螺絲擰緊。

（5）試車。機封安裝完成后，手動盤車，螺桿泵軸與機械密封配合轉動，注意觀察轉矩的變化，以及有無異常聲響等。然后打開管路閥門，泵密封腔內通入油液，全部排出密封腔的空氣，使密封腔中全部充滿油液，并觀察密封有無泄漏情況。確認無誤后進行試運轉。

4 結語

泵軸表面納米化與離子滲氮處理技術，對于泵軸表面性能的改善有著顯著的效果，特別是提高了泵軸表面的硬度，增強了耐磨性，在螺桿泵的制造環節有著積極的推廣意義，但在現場螺桿泵的維修維護環節有一定的局限性。而在機封改進方面，優化平衡型機封在螺桿泵上的應用，使得螺桿泵滲漏治理取得良好的效果，軸封滲漏狀況得到明顯改觀，螺桿泵的使用壽命延長60%以上。另外，機械密封安裝方法的規范優化對于泵組的穩定運行及機封滲漏的改善同樣有著積極的作用。諸如此類改改進措施在提高泵組使用壽命的同時，也節省了備件成本，減少了現場維護的工作量，更重要的是改善了現場設備工況，避免了滲漏油液對站室環境的污染，減輕了廢舊油液的后續回收處理壓力。