工艺废热锅炉泵机械密封的改造与设计

王金祥,吴洋,李浩

摘要：本文主要根据工艺废热锅炉泵的使用情况，对其机械密封和填料密封进行了对比。然后针对设备出现的问题进行改造设计，再结合填料套和填料压盖的尺寸选择合适的填料，从而使其获得长周期运行无漏液的效果。

关键词：工艺废热锅炉泵；机械密封；填料密封

1 引言

在工艺废热锅炉泵中，由于运行时间长，造成了填料磨损严重、机械密封损坏等问题，在工业生产的过程中，有些企业需要对这种设备进行维修改造，而采用机械密封可以避免这种问题。工艺废热锅炉泵是一种用于工业生产中的循环用水设备，其主要采用机械密封的方式将泵的轴封和轴套连接起来。在该设备中，密封形式主要有机械密封和填料密封两种。所以本文针对该锅炉泵使用过程中出现的问题，提出了相应的改造方案以及改进措施。

2 工艺废热锅炉泵机械密封的缺陷及原因分析

第一，现场工艺废热锅炉的泵送水管过长，输送距离大，大约300米左右，泵轴就会出现大量的窜量。特别是在泵的起动期间，轴向窜量的增大。由于轴向力的影响，使吸气端密封表面的压力增大，使密封表面的磨损变大，最终导致密封件的失效。

第二，工艺废热锅炉泵为单壳节段多级离心泵。两个轴承间间距大，叶轮级数较多。当泵的总扬程要求是固定的时，各级叶轮的扬程较低，而且级数较多，会造成泵轴的偏移。机械密封表面的受力不均，也将直接造成机械密封性能下降，进而将直接导致漏液问题出现。

3 工艺废热锅炉泵机械密封的改造与设计

3.1 存在问题

某热电厂现有2个DG45-80X7工艺废热锅炉泵，其目的是将该设备中的高温脱氧液送入到该装置的余热锅炉。通过余热锅炉所生成的蒸气流入管网，另外一部分被送到其它用户作为减温水。由于设计、安装和选型存在一定的问题，导致了该装置的使用状态不佳。并且随着使用的时间越长，所产生的问题也将会越多。尤其是由于油泵的轴窜，造成了机械密封面的破坏、漏液、失效等问题，进而将直接影响到整个系统的安全、稳定和长周期运行质量效果。

3.2 填料密封的选择、设计

3.2.1 填料的选定

机械密封的填料主要由固体及液体介质填充，当环境温度较高时，由于填料内介质的膨胀，导致密封性能下降，因此对填料的材质有一定要求。由于机械密封中的流体具有不可压缩性、可流动性等特性。因此填料应具有较高的弹性及较小的内压降，同时还要保证接触压力能达到1 MPa，所以要求填料必须是刚性材料。根据《火力发电厂热力系统运行规程》中规定：对使用寿命在20年以上、弹性较好的填料环，应采用聚四氟乙烯作为弹性材料。对密封环表面应进行处理：（1）对有磨损和腐蚀部位表面进行处理；（2）为了保证轴端不出现卡死情况而对密封环采取固定措施；（3）为保证轴端无杂质影响而采用高压水冲洗轴端，防止因轴端残留杂质导致密封失效。

3.2.2 填料套的设计

在工艺废热锅炉泵停车检修期间，对泵轴颈、密封腔的轴颈、轴向及轴长进行测量，同时采集不同类型的机械密封的有关性能指标，而后初步设计出填料套的尺寸。而后还需要合理设计和计算填料的力矩，如下所示：

（1）压紧力：从压下量计算，要求压紧力大于填料内孔壁上的最大压紧力，即为设计要求压紧力。

（2）旋转时的摩擦力矩：在设计过程中考虑到密封端面旋转速度与压紧力之间的关系，旋转方向应与端面法向相反。

（3）压缩弹簧力矩：根据密封端面的径向位移和径向速度、端面压力对密封性能所产生的影响，在设计过程中对轴向压缩弹簧力矩进行计算，并取平均值作为轴向压缩弹簧力矩值。

（4）弹簧压紧力：根据密封端面径向位移、径向压紧力公式得出填料压紧后弹簧所受的轴向拉力，根据端盖径向加速度公式得出密封件所受到的端盖所施加的反作用力。

3.2.3 填料压盖的设计

在工艺废热锅炉泵的机械密封中，通常需要根据不同的介质选择不同型号、不同材质和压盖的材质。

由于工艺废热锅炉泵中含有多种介质，所以通常情况下，需要根据介质特性以及压盖材质进行选择，在确定使用何种型号与材料之后再选择填料压盖的材质。

当被密封的介质为气体时，需要选用石棉橡胶填料；若是被密封的介质为液体时，则需要选择石墨/聚四氟乙烯树脂或聚酯/聚烯烃树脂。

根据工艺废热锅炉泵中实际情况进行分析，如果采用石墨填料密封，那么就能够满足工艺条件的要求。

若采用聚酯压盖，那么则可以满足工艺条件的要求。

3.2.4 填料规格型号的选择

填料的选择，是根据工艺参数确定，一般情况下可以采用等直径、等长度和斜角梯形三种形式。等径填料在实际应用中，通常应用于轴功率较大，转速较高，以及易产生振动和磨损的场合。等径填料的优点是：（1）其线膨胀系数与轴相似，与轴的尺寸误差较小；（2）对轴的振动、温度变化、以及安装精度不敏感；3)填料可以承受较大压力。斜角填料有以下几种形式：（1）斜角弹簧压盖式；（2）斜角钢形弹簧压盖式。在实际应用中根据介质参数确定。

4 改造实施

将设备中的液压油抽出来，用液压机进行加工。首先，需要将该设备的密封面从原密封系统当中拆卸出来。然后，将需要进行更换的密封元件从原位置拆卸下来。最后，在原液压油缸底部焊接上密封橡胶垫片，并在上面进行密封安装。同时，再对机械密封面进行喷涂润滑脂处理。根据工艺废热锅炉泵机械密封所具有的工作原理和特点，结合设计思路，最终确定了该装置的改造方案：先对废热锅炉泵中机械密封的端面进行喷涂润滑脂处理；再结合液压机加工出液压密封件；然后在密封件上面进行涂敷保护油，并将其安装于泵的外转子上作为泵本体当中的一个重要部分。

为了能够满足泵本体和齿轮箱之间相对较高的工作压力要求，同时考虑到设备整体的经济性问题，在原有油泵系统上增加了一个油泵电机来作为辅助动力输入。这样一来就能够确保在不影响整个泵体系统运行性能效果的基础上，提升该装置的整体效率。

注意事项：①在拆卸过程中要小心地对泵的轴心进行防护，防止对泵的轴造成损伤；②盘根处的封口不能过密，必须要有适当的松紧，才能判断出密封垫有没有被塞住；③在试泵时，要按漏油情况及时加注。在泵起动时，灌装的填料会因转动的摩擦力而被排出，形成空隙，从而导致渗漏。这时，应该在填充填料的过程中加注密封垫，直至其不存在渗漏问题。

5 工艺废热锅炉泵机械密封的改造与设计效果

（1）2台工艺废热锅炉泵机械密封自2021年1月改造完成，运行效果明显，具体改造后运行3个月无漏液现象，在经过设计、加工之后的机械密封投入使用，各项指标合格，运行周期延长，达到了预期效果。

（2）改造后的泵，在倒泵时，由于取消了倒泵的运行操作，所以在倒泵过程中不会出现由于泵的高压端机械密封泄漏而导致系统介质压力下降；或者介质压力下降后而导致系统无法正常运行的现象。因此，避免了倒泵过程中因泵停、运行时因系统介质压力下降而导致工艺废热锅炉泵无法正常运行。

（3）延长了泵的密封使用寿命，维修频率和成本下降。密封结构材料为Cr17Ni4Al，具有良好的抗腐蚀能力。经4年多的使用，密封圈无泄漏、无磨损，有效延长密封使用寿命。

（4）改进后的工艺废热锅炉泵在不需要停机、运行时，运行噪声明显减小（由85 dB/声功率降至53 dB/声功率）。另外，通过计算可以得出，改进后的工艺废热锅炉泵静压损失由改进前的3×10-3 Pa/s降低至1×10-3 Pa/s。改造后工艺废热锅炉泵运行时的噪音大大降低，极大的改善了员工的工作环境。

参考文献

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