關(guān)于漿液循環(huán)脫硫泵機械密封的方案選擇

1、大型脫硫循環(huán)泵用新型機械密封裝置的研究與應用一、國內(nèi)外大型脫硫循環(huán)泵用機械密封裝置的現(xiàn)狀分析近幾年來，國內(nèi)火力發(fā)電廠發(fā)展迅速，其中大型火力發(fā)電廠共有五百多家。國家產(chǎn)業(yè)政策對環(huán)保的要求越來越嚴格，特別是火電行業(yè)對脫硫系統(tǒng)實行在線檢測，減少SO2的排放，給脫硫泵及脫硫泵機械密封的研制提供了廣闊的市場，也給國內(nèi)機械密封生產(chǎn)企業(yè)帶來很好發(fā)展機遇。由于脫硫系統(tǒng)含固體顆粒濃度和含氯離子濃度較大，采用普通結(jié)構(gòu)的機械密封難以達到使用要求，目前國外機械密封廠家在脫硫泵上使用的機械密封主要為德國布格曼公司生產(chǎn)，由于脫硫介質(zhì)的腐蝕性和磨損沖刷等特殊工況條件，該公司機械密封采用SicSiC配對，其耐磨性和耐腐蝕性，以

2、及自潤滑能滿足使用要求，但SiC的耐沖擊和耐震動方面的性能很差，很容易脆裂而引起機械密封失效。國產(chǎn)脫硫泵機械密封結(jié)構(gòu)和材質(zhì)方面，仿制進口機械密封結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的較多，而對機械密封短期內(nèi)失效的深層次原因分析較少。我們通過科學技術(shù)部西南信息中心查新中心，按脫硫泵機械密封的相關(guān)主題詞及科學分類法，采用計算機檢索與手工檢索相結(jié)合的方式，查閱了國內(nèi)9種數(shù)據(jù)庫和檢索資源，經(jīng)反復檢索，有關(guān)脫硫泵機械密封的文獻報道很少，王乃華、魯天毅3報道了石灰石、石膏濕法煙氣脫硫金屬漿液循環(huán)泵國產(chǎn)化研究及實踐。介紹了襄樊五二五泵業(yè)有限公司成功開發(fā)煙氣脫硫金屬漿液循環(huán)泵的相關(guān)成果，包括泵的水力模型、結(jié)構(gòu)、機械密封、材料等，其中為

3、煙氣脫硫循環(huán)泵開發(fā)的專用密封采用無沖水結(jié)構(gòu)，摩擦付采用碳化鎢材料，并采用了較窄的環(huán)帶，針對煙氣脫硫漿液特性，選用平衡型機械密封以滿足壓力要求，采用靜環(huán)補償結(jié)構(gòu)以適應大軸徑線速度的工況；胡濱、駱建國2004年申請了脫硫循環(huán)泵集裝式機械密封件實用新型專利（申請?zhí)枺?00420020662）。一種脫硫泵集裝式機械密封件，它包括動環(huán)和靜環(huán)構(gòu)成的端面密封，所述的動環(huán)和與之固定的動環(huán)座所組成的動環(huán)體系固定設置在軸套的外端部，靜環(huán)以及抵壓于靜環(huán)內(nèi)端面的推環(huán)、彈簧以及彈簧座組成的靜環(huán)體系固定設置在壓蓋中心；魯志明2005年申請了脫硫循環(huán)泵的機械密封裝置實用新型專利（專利號：200520035840.8）。一種

4、脫硫循環(huán)泵的機械密封裝置，包括泵軸、組裝與泵軸上的動環(huán)組件和靜環(huán)組件，所述動環(huán)組件包括內(nèi)軸套、通過緊縮圓盤安裝在內(nèi)軸套上的驅(qū)動座軸套、與驅(qū)動座軸套連接的動環(huán)、內(nèi)軸套O形密封圈、驅(qū)動座軸套0形密封圈、所述靜環(huán)組件包括靜環(huán)、置于靜環(huán)另一端的推環(huán)、彈簧、帶導流套的彈簧座，以及法蘭座和靜環(huán)O形密封圈等，其特征在于在所述的動環(huán)和靜環(huán)的摩擦環(huán)背面均設置有L形的橡膠墊。目前在機械密封的應用研究方面比較前沿的是：對普通機械密封的硬質(zhì)合金材料的密封端面采用激光打微孔技術(shù)4和端面比壓對液膜形成機理4進行了研究，對液膜的形成條件和延長機械密封的使用壽命、提高密封的可靠性作了探討和有益的嘗試。但在脫硫循環(huán)泵機械密封方

5、面未見相應報道，對起抗振的L形的橡膠墊的設計分析未見相應研究報道。二、國產(chǎn)大型脫硫循環(huán)泵對機械密封使用的影響國產(chǎn)的泵由于設計技術(shù)和制造工藝與進口泵比較有一定差距，加上脫硫泵的使用工況需要用工藝水對泵葉輪進行反沖洗等，國產(chǎn)脫硫循環(huán)泵，運行效果就很不理想。其原因是：國產(chǎn)脫硫循環(huán)泵密封腔體處始終存在著“窩氣”、“抽空”、“氣蝕”等現(xiàn)象，這就造成機械密封的動、靜摩擦副時常處于干摩擦狀態(tài)，易造成摩擦副的溫度急劇上升。整體SiC-整體SiC的摩擦副結(jié)構(gòu)雖然耐腐蝕性能優(yōu)越，硬度比較高，但脆性特別大，特別在急冷和沖擊情況下，SiC存在著“冷脆”及“炸裂”現(xiàn)象，造成摩擦副突然斷裂，導致機械密封整體失效。另外，由

6、于“氣蝕”、“抽空”、“窩氣”等現(xiàn)象出現(xiàn)，泵的震動、軸向竄動等現(xiàn)象也加劇，國產(chǎn)脫硫循環(huán)泵的這種具體工況，進口機械密封不能很好適應，經(jīng)常出現(xiàn)摩擦副斷裂，造成機械密封失效。傳統(tǒng)的HR型進口機械密封（德國博格曼型），動、靜環(huán)采用整體SiC-整體SiC的摩擦副配對形式，這種配對形式的機械密封用于進口的脫硫循環(huán)泵，其運行狀況良好,這是進口機械密封用于國產(chǎn)脫硫循環(huán)泵存在的普遍問題，而發(fā)生這種問題的機率在80%以上。國內(nèi)機械密封廠家曾采用多種結(jié)構(gòu)型式的機械密封4加以探索，但機械密封因干摩擦和摩擦環(huán)斷裂失效、以及機械密封抗沖擊能力差，其使用周期短等原因使機械密封失效的比例較高?；谏鲜龈鞣矫娴脑?，通過建立機

7、械密封抗沖擊的結(jié)構(gòu)設計，優(yōu)化新型機械密封的結(jié)構(gòu)、采用新的密封材料達到以下目標：（1）降低機械密封的泄漏率，提高其安全可靠性；（2）以適應國產(chǎn)脫硫循環(huán)泵運行工況為目的，增強機械密封的整體強度、提高傳動機構(gòu)的可靠性、增強機械密封的抗干摩擦性能、提高抗沖擊、抗震動的能力；（3）延長密封裝置的使用壽命，替代機械密封進口。三、主要研究內(nèi)容“大型脫硫循環(huán)泵用新型機械密封裝置”,是專為火電廠脫硫泵設計的機械密封裝置，用于替代國外進口產(chǎn)品。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計、材料選擇和制造工藝方面應有技術(shù)創(chuàng)新，具有受壓力高（0-1.5Mpa）、承受溫度高（W130C）、泄漏量少（W3ml/h）、使用周期長（8000小時）、性價比

8、優(yōu)、適用范圍廣等特點，綜合性能的技術(shù)應處于國內(nèi)領先水平。1、大型脫硫循環(huán)泵用機械密封的工作條件介質(zhì)：石灰石、石膏漿液，固體含量30%40%（質(zhì)量百分比）；溫度W60C-70C；壓力：W0.8MPa；PH值48；氯離子含量W0.03%。2、大型脫硫循環(huán)泵用機械密封裝置的工作原理根據(jù)機械密封原理：兩個相互貼合的密封表面，是靠彈簧和密封介質(zhì)壓力在接觸端面上產(chǎn)生適當?shù)膲壕o力，使這兩個接觸面緊密貼合，端面間維持一層極薄的液膜，從而達到密封的目的。機械密封端面通過研磨拋光，仍存在一定的粗糙度，在低壓、靜止時，這些端面之間的界面對液體能有效密封；軸旋轉(zhuǎn)時，端面處于相對滑動運動，經(jīng)過磨合，端面在最高粗糙面下分

9、開為極其小的間隙。運動時借助介質(zhì)本身潤滑，機械密封端面形成極薄滑膜而達到密封效果，并延長密封件壽命。3、研究內(nèi)容近年來，隨著密封技術(shù)、密封用材料和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，適應各種使用工況條件的機械密封得到廣泛應用。特別對于高濃度、腐蝕強的漿料泵和脫硫泵，以前由于普通機械密封無法滿足使用要求而采用填料密封，而填料密封與機械密封相比有使用維護費用高、能耗高、易泄漏對使用環(huán)境惡化等缺點，密封專家們從密封機理、機械密封結(jié)構(gòu)、機械密封材料和泵運行過程中對機械密封的影響等多個方面進行了研究，但針對脫硫循環(huán)泵“氣蝕”、“抽空”、“窩氣”等現(xiàn)象和泵的震動、軸向竄動以及各個泵廠泵的結(jié)構(gòu)不同等具體問題對機械密封的影

10、響分析的不夠，因此從機械密封的結(jié)構(gòu)設計上系統(tǒng)考慮得不夠，造成機械密封的使用不能滿足要求。我們針對國內(nèi)主要的幾大漿料泵、脫硫泵廠家泵的結(jié)構(gòu)進行分析，綜合起來有以下幾方面使脫硫泵機械密封容易失效。（1）、泵的震動、軸向竄動使機械密封摩擦付磨損、斷裂而失效。泵振動的原因很多，有泵和電機不同心，軸承故障，轉(zhuǎn)子不平衡等，對機械密封而言，由于密封的追隨性較差，泵的振動加劇了動靜環(huán)的分離，瞬間的分離在液膜壓力的作用下使密封面開啟，增大泄漏量，并且使固體顆粒進入密封面導致密封面破壞。當泵振動較大時會導致密封環(huán)斷裂。并且，機械密封的傳動機構(gòu)會因較大的振動而松脫。因此，從軸承箱的表面測到的最大振幅不得超過0.06

11、mm.4（2）、脫硫循環(huán)泵因結(jié)構(gòu)和使用原因產(chǎn)生“氣蝕”、“抽空”、“窩氣”等現(xiàn)象。其對機械密封的直接危害就是：使密封端面摩擦環(huán)易發(fā)生干摩擦產(chǎn)生“干燒”現(xiàn)象。（3）、機械密封傳動力矩的結(jié)構(gòu)設計不合理，導致機械密封的傳力機構(gòu)與泵軸的相對運動使機械密封失效。針對以上問題，本課題研究工作有以下幾個方面：（1）、脫硫泵機械密封的結(jié)構(gòu)設計與論證；（2）、設計和建立機械密封性能試驗裝置和檢測裝置。（3）.解決泵啟動時振動和沖擊力造成機械密封損壞的問題。同時采用L形的橡膠墊的設計解決傳統(tǒng)鑲嵌工藝密封面存在變形的問題；（4）、解決密封端面間摩擦，易發(fā)生“干燒”現(xiàn)象的問題；（5）、解決在振動、沖擊的情況下，軸與軸

12、套容易出現(xiàn)松動的現(xiàn)象，造成傳動不可靠的技術(shù)問題；（6）、解決泵啟動時的干摩擦，導致機械密封損壞的問題。三、主要研究方法1、普通結(jié)構(gòu)大型脫硫循環(huán)泵機械密封的失效及分析普通結(jié)構(gòu)大型脫硫循環(huán)泵機械密封失效的原因很多，概括起來有以下幾方面：（1）、腐蝕失效：由于脫硫循環(huán)泵使用的工作狀況是：介質(zhì)：石灰石、石膏漿液，固體含量30%-40%（質(zhì)量百分比）；溫度60C-70C；壓力：W0.8MPa；PH值48；氯離子含量W0.030.04%。工作介質(zhì)中氯離子對機械密封材料的侵蝕作用，機械密封件會發(fā)生表面腐蝕，嚴重時也可發(fā)生腐蝕穿透，并且異種金屬在介質(zhì)中往往引起電化學腐蝕，使鑲環(huán)松動。（2）、熱裂、老化失效：如

13、果密封面處于干摩擦，冷卻水突然中斷，雜質(zhì)進入密封面，抽空，窩氣等，會導致環(huán)表面出現(xiàn)徑向裂紋，從而使摩擦環(huán)急劇磨損，密封面泄漏迅速增加。如果摩擦熱產(chǎn)生的溫度超過橡膠件的許用溫度而繼續(xù)使用，則橡膠件迅速老化、龜裂、變硬失彈而使機械密封失效。凡因熱損引起失效，關(guān)鍵在于盡量降低摩擦熱，改善散熱，使密封面不發(fā)生溫度巨變。（3）、磨損失效：摩擦副若用材耐磨性差、摩擦系數(shù)大，端面比壓（包括彈簧比壓）過大，密封面進入固體顆粒，彈簧間隙被堵死等均會使密封面磨損過快而引起密封失效。（4）、泵的震動和軸向竄動引起密封失效：由于大型脫硫循環(huán)泵不時出現(xiàn)“氣蝕、抽空、窩氣”等現(xiàn)象，或者因使用過程中軸承等的磨損、損壞引起泵

14、的震動和軸向竄動加劇，造成摩擦副突然斷裂。導致機械密封整體失效。（5）、安裝、運轉(zhuǎn)等引起的機械密封失效：由于安裝不良，機械密封加水或靜壓試驗時會發(fā)生泄漏。安裝不良有下述諸方面：a）、動、靜環(huán)接觸表面不平，安裝時碰傷損壞；b）、動、靜環(huán)密封圈尺寸有誤或未壓緊；c）、動、靜環(huán)表面有異物；d）、緊定螺釘未擰緊，彈簧座后退；e）、軸套密封圈未裝或壓緊力不夠。運轉(zhuǎn)過程中引起密封失效的原因有：a）、泵強烈振動、抽空破壞了摩擦副；b）、彈簧斷裂;c）、防轉(zhuǎn)銷、傳動銷脫落或斷裂引起密封失去作用；d）、輔助裝置有故障使動、靜環(huán)冷熱驟變導致密封面變形或產(chǎn)生裂紋；e）、由于溫度變化，摩擦副周圍介質(zhì)發(fā)生冷凝、結(jié)晶影響

15、密封；f）、運轉(zhuǎn)中如泵葉輪軸向竄動量超過標準、轉(zhuǎn)軸發(fā)生周期性振動及工藝操作不穩(wěn)定，密封腔內(nèi)壓力經(jīng)常變化均會導致密封失效。大型脫硫循環(huán)泵機械密封失效的影響因素見圖3.磨損安裝不良制造密封圈熱腐蝕裂、老化振動大型脫硫泵機械密封失效過大操作、維護不當圖32、機械密封材料的選擇根據(jù)脫硫循環(huán)泵的使用工作狀況，由于介質(zhì)中含有C1+,并且呈酸性，因此，脫硫泵機械密封的機體材質(zhì)需選316L或雙相不銹鋼，輔助密封圈選用F-26橡膠密封圈，密封面摩擦副材質(zhì)的選用有SiC和（耐腐蝕用）硬質(zhì)合金，表1是SiC和（耐腐蝕用）硬質(zhì)合金材料的物理機械性能和耐腐蝕性等參數(shù)的對照表：表13、機械密封結(jié)構(gòu)設計新型機械密封裝置結(jié)構(gòu)

16、，如圖3,主要零部件包括泵軸、組裝在泵軸上的動環(huán)組件和靜環(huán)組件。動環(huán)組件包括內(nèi)軸套、通過緊縮圓盤安裝在內(nèi)軸套上的驅(qū)動座軸套、與驅(qū)動座軸套連接的動環(huán)、內(nèi)軸套0形密封圈、驅(qū)動座軸套0形密封圈；靜環(huán)組件包括靜環(huán)、置于靜環(huán)另一端的推環(huán)、彈簧、帶導流套的彈簧座，以及法蘭座和靜環(huán)0形密封圈等，主要特征在于在所述的動環(huán)和靜環(huán)的摩擦環(huán)背面均設置有L形的橡膠緩沖墊，如圖4。裝置實物如圖5所示。圖3機械密封結(jié)構(gòu)示意圖圖4局部放大圖4、主要技術(shù)特點4.1橡膠L墊鑲嵌YWN12抗沖擊設計傳統(tǒng)的HR型（博格曼型）動、靜環(huán)，采用整體SiC-整體SiC的摩擦副配對形式，有優(yōu)良的耐磨性，低的摩擦系數(shù)，高硬度和耐腐蝕性能，使它

17、成為國內(nèi)外機械密封廠家首選的材料,這種配對形式在國外的脫硫循環(huán)泵上運行狀況良好，使用壽命大都能維持一年以上，這得益于國外的脫硫循環(huán)泵在葉輪曲線設計及工藝上有獨到之處，密封腔體的氣蝕現(xiàn)象及抽空現(xiàn)象比較少或者說根本就沒有，這就使機械密封能在漿液潤滑的情況下運行，機械密封的壽命就得到了保障。但國產(chǎn)脫硫循環(huán)泵在剛開始啟動時，由于處于大流量、低揚程狀態(tài)，泵的密封腔體容易出現(xiàn)負壓現(xiàn)象，即通常所說的“氣蝕”現(xiàn)象，會引起震動、沖擊。再加上脫硫循環(huán)泵是采用聯(lián)動起動，容易形成“氣錘”現(xiàn)象，會加劇對機械密封的沖擊作用；隨著泵的震動，軸向竄動也會加劇，在這兩大因素作用下，極短時間內(nèi)容易出現(xiàn)機械密封的動、靜環(huán)脆裂現(xiàn)象（

18、斷裂），使機械密封在泵啟動時失效。針對上述問題，要采取的技術(shù)措施：一是提高密封裝置的整體強度，使其在泵啟動時具有較強的抗沖擊和抗振動能力；二是減緩泵啟動時的震動和沖擊力。本設計在脫硫循環(huán)泵機械密封上采用橡膠L墊鑲嵌YWN12（新型Ni基硬質(zhì)合金，專門耐腐蝕），應用新型Ni基硬質(zhì)合金進行鑲嵌，并采用YWN12+YWN12的摩擦副形式，解決機械密封既耐腐蝕又要耐磨損的問題。提高了動、靜摩擦副的強度，增強泵啟動時密封裝置的抗沖擊和抗振動能力。圖5裝置實物圖4.2最小彈簧力，防“干燒”設計脫硫循環(huán)泵在剛開始啟動時，泵的密封腔體容易出現(xiàn)負壓現(xiàn)象，如果按常用機械密封要求設計彈簧比壓，使用過程中，因為泵的軸

19、向移動，使彈簧力偏大，導致摩擦副處發(fā)熱也大,產(chǎn)生“干燒”現(xiàn)象，影響密封的正常使用。從理論上講，機械密封的設計應使端面載荷最?。◤亩悄p最?。虼嗽O計者應選擇平衡半徑d。使閉合力與被密封壓力無關(guān)，且僅依賴于一小的彈簧力，這就要求面積比K=A1/A和彈簧力Fs都應盡可能小。最小的實際彈簧力由兩個因素支配，其一是副密封阻力（0形圈）；其二是端面反壓系數(shù)。彈簧力必須克服副密封（O形圈高阻力）的最大阻力，否則界面將開啟，導致過大的泄漏，也就是說補償環(huán)追隨性能不好。通過對某脫硫循環(huán)泵機械密封0形圈阻力、腔體溫度、壓力、端面摩擦狀態(tài)等進行綜合計算分析，主要考慮0形圈阻力和端面反壓系數(shù)，并考慮到介質(zhì)沉積物

20、在補償環(huán)和軸上“掛起”，在停機冷卻（或啟動加熱）期間存在大的軸位移時，密封副摩擦力可能高的情況下，保證密封具有最基本的追隨性能，同時減少彈簧比壓。最小彈簧力必須克服密封的摩擦阻力和液膜的反壓系數(shù)，確保端面不要出現(xiàn)開啟現(xiàn)象，即端面的載荷力在任何運行工況下都為正值，以確保密封摩擦副在正壓和負壓時都保持良好的貼合狀態(tài)。采用最小彈簧力，關(guān)鍵技術(shù)在于確定脫硫循環(huán)泵實際運行工況及摩擦副的狀況。脫硫循環(huán)泵工況通常為密封腔體壓力在0.3MPa以下，離子濃度為40000PPm-60000PPm,溫度為3050C,轉(zhuǎn)速為790r/min,含固體顆粒CaCO和CaSO；在這種工況下運行時，摩擦副處于34混合摩擦狀態(tài)

21、，液膜相為固液混合相，液膜的反壓系數(shù)為r=0.3P。經(jīng)過反復的研究與實踐，m最終確定彈簧比壓處于0.10.12MPa范圍內(nèi)，而傳統(tǒng)HR型密封彈簧比壓是處于0.150.20MPa范圍內(nèi)，即比傳統(tǒng)的機械密封減少彈簧比壓約30%。4.3抗振動、沖擊，防松動設計密封裝置的緊縮園盤軸套與軸的配合，國內(nèi)外同類機械密封都是靠內(nèi)孔應力變形配合。在泵運行流質(zhì)穩(wěn)定的狀態(tài)下，機械密封不會產(chǎn)生軸向移動，但是，在泵啟動或運行流質(zhì)不穩(wěn)定時，由于泵的振動力、沖擊力的影響，緊縮園盤容易出現(xiàn)松動的現(xiàn)象，導致構(gòu)件損環(huán)。脫硫循環(huán)泵輸送的流質(zhì)不穩(wěn)定，產(chǎn)生的振動力、沖擊力也大。如何解決園盤軸套與軸的配合，以承受泵的較大振動力、沖擊力，

22、防止緊縮園盤容易出現(xiàn)松動的現(xiàn)象，成為本設計的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的基環(huán)316L不銹鋼鑲嵌YWN12技術(shù)靠的是過盈配合，配合公差一般是H8/V7,采用軸套組合的工藝，這種工藝存在缺陷是由于過盈配合鑲嵌處不可避免存在應力集中，導致密封面的變形，雖經(jīng)時效處理，上述癥狀有可能減輕，但大軸徑的應力變形仍無法避免。本裝置采用在緊縮園盤軸套上開R小槽，通過R小槽增強軸套抗振動和沖擊的能力，減小軸套壁厚，降低變形壓力，使軸套在緊縮園盤的作用下，通過應力變形緊緊的抱在軸上，防止了因振動、沖擊出現(xiàn)松動現(xiàn)象。4.4節(jié)流環(huán)裝置，防干摩擦設計機械密封主要是根據(jù)流體膜潤滑-由流體膜承載保持密封和潤滑的成膜理論進行設計。以該理論設計的機械密封，在泵啟動時，密封裝置潤滑液未達到密封面時，密封裝置動、