论文部分内容阅读
摘 要：对我厂循环水泵在使用填料密封时出现的问题进行分析，提出机械密封改造措施，并对改造后循环水泵的使用情况进行了评述。
关键词：循环水泵 机械密封 应用
1. 填料式循环水泵的使用情况及存在问题
1.1 . 概述
我厂一期30万吨/年湿法磷酸装置四台循环水泵（位号：CJ01001A/B/C/D）采用的是单级双吸水平中开蜗壳式离心泵，于2005年2月投用。因填料密封结构简单，更换调整方便，故该四台泵原设计均采用填料密封。该密封型式主要由填料函、轴套、填料、水封环、填料压盖及螺栓等部件组成，它是将填料装于填料函内，通过填料压盖将填料压紧在轴套的表面。由于轴套表面总有些精糙，其与填料只能部分贴合，而部分未接触，即形成无数个迷宫。当带压介质通过轴表面时，介质被多次节流，凭借“迷宫效应”而达到密封。填料与轴套表面的贴合、摩擦，也类似滑动轴承，故应有足够的液体进行润滑，以保证密封有一定的使用寿命，即“轴承效应”，所以，良好的填料密封，是“迷宫效应”和“轴承效应”的综合。
1.2.1.该泵原设计的冷却方式为：在泵壳顶部开孔将泵内介质引出，再分别注入两端填料函内用做填料冷却水。2005年2月水泵投用初期，水质及工况较好，这种冷却方式也没出现太大问题，但随着水质恶化（见表1），介质含酸量增大，杂质增多，而且其本身温度已经较高，就不适宜再用介质做冷却水。而其带来的直接后果就是：填料频繁损坏泄漏，外泄漏较大而腐蚀轴承及轴承座，轴套磨损严重。检修工作量及备件消耗量均较大，而且泄漏带来的环境污染相当严重。为解决此问题，我们于2007年7月进行了冷却水改造：增加密封水加压泵，并单独配管至每台循环水泵的填料函，引入了清洁工艺水做填料冷却用。
表 1
改造后情况有所好转，但填料密封属于接触式密封，其本身就存在有密封性差、功耗大、磨损轴套、使用寿命短等缺点，运行一段时间后仍会频繁出现泄漏，拧紧压盖螺栓、更换填料均不能解决问题。
1.2.2.循环水泵的泄漏造成的最直接影响就是污染现场环境，不利用我们“清洁文明工厂”的创建；其次，因泄漏会导致轴承及轴承座被酸水腐蚀，检修频繁，加大检修工作量及备件的消耗。维护及检修工作量较大，检修费用高。
1.2.3.为彻底解决循环水泵存在的问题，我们提出将其改为机械密封型式，先对CJ01001A泵进行改造试用。
2. 循环水泵的机械密封改造
2.1. 机械密封的特点与优势
2.1.1.密封性好
机械密封包括动、静环之间的端面密封及其部件中静密封组成，其中动环与动环座、动环座与轴之间、静环与压盖与压盖之间、压盖与泵密封腔端面之间的密封为静密封，比较容易解决，一般密封性较好。动、静环之间的端面密封为动密封，是机械密封的核心，其密封端面的表面光洁度和平面度要求都很高，由于两个端面的紧密贴合，使两个端面之间形成一个微小的间隙，当有压介质通过此间隙时，便形成极薄的液膜，造成阻力，阻止介质泄漏，又使端面得以润滑，减少密封端面的磨损，获得长周期的密封效果。
2.1.2.不需要调整
机械密封在密封流体压力和弹性力的作用下，即使摩擦副有磨损，密封端面也能始终自动地保持贴紧。因此，一旦安装好以后，就不需要经常调整，使用方便，适用于连续化、自动化生产。
2.1.3.摩擦功率消耗小
随着社会经济的发展，能源消耗已成为一个不可忽视的、可能制约经济发展的重大问题，节能降耗也就变得越来越重要。盘根为接触式密封，它在使用中存在着某些固有的缺点，机械密封由于摩擦副摩擦接触面积小，又处于半流体润滑或边界润滑状况，摩擦功率一般仅为填料密封的0.2～0.3左右。
2.1.3.1.双端机封有两对摩擦副，结构复杂，需外供封液系统。而单端面机封只有一对摩擦副，结构简单，安装及维护方便，故我们选用单端面机封；
2.1.3.2.外装式密封是机械密封安装在密封腔外。内装式密封是机械密封安装在密封腔内。由于内装式密封受力情况好，比压随介质压力增加而增加，其泄漏方向与离心力方向相反，故我们选用内装式机械密封；
2.1.3.3.旋转式机械密封是补偿环随轴一起转动。静止式机械密封是补偿环不随轴一起转动。而一般情况下，均考虑选用旋转式机械密封；
2.1.3.4.单弹簧机械密封结构简单，弹簧可兼起传动作用，但端面比压不均匀。多弹簧机械密封结构复杂，弹簧不能兼起传动作用，但端面比压均匀，适用于高速运转。标准密封类型均为多弹簧结构，故我们选取多弹簧机械密封；
K﹥1的机械密封为非平衡型密封，一般非平衡密封只能用于低压，当密封腔压力上升时，会将密封端面间的液膜挤出，使密封面很快损坏；
K﹤1的机械密封为平衡型密封，内装式密封轴上的台阶使密封端面沿径向内移但不减少密封面的宽度。密封的开启力不变，但由于动环有较大的面积暴露在液体中，因此，闭合力被平衡了相当一部分。
2.1.3.6.从上可知，我们选取的机械密封为单端内装旋转多弹簧式平衡型机械密封。
2.3 . 机械密封改造（AIGI专利集装式机封）
经与多家机械密封制造厂商进行探讨后，我们最终选定“艾志工业技术集团”生产的“AIGI专利集装式机封”，该机械密封结构型型式如图1：
2.3.1.“AIGI专利集装式机封”的特点：
2.3.1.1.集装式结构，使安装简单、可靠；
2.3.1.2.平衡式结构在压力骤变时会减轻密封介质压力对密封端的影响；
2.3.1.3.非热镶式的动、静环结构，杜绝了在温度变化大以及有振动等特殊情况下，环面发生脱落或损伤的现象； 2.3.1.4.定位装置可避免人为安装产生的误差，保证机械密封精确的端面比压与可靠性，有效保证机械密封的长周期运行；
2.3.1.5.多个小弹簧结构，且不与介质接触；
2.3.1.6.专利的定位以及合理的端面比压，确保了密封的寿命与低排放要求；
2.3.2.其性能参数为：
最高温度可达200℃；密封圆周线速度25m/s；最高压力可达40Kg；
2.3.3.材质选择：
2.3.4.“AIGI专利集装式机封”改造的可行性验证
下面我们通过机械密封的两个主要性能参数来判断机械密封改造是否可靠：
2.3.4.1.PCV值
端面比压PC与密封端面平均线速度V的乘积，表征了密封端面实际工作状态。端面的发热量和摩擦功率直接与PCV成正比，该值过大会引起端面液膜汽化或使边界膜失向而造成附膜脱落，导致端面摩擦副直接接触而产生急剧磨损。它是设计时考虑的一个重要指标，其值必须小于许用[PCV]。由设计手册可知：碳化硅材料的摩擦副的许用[PCV]为14.5
在允许范围内。
2.3.4.2.泄漏率
机械密封的泄漏率是指单位时间内通过主密封和辅助密封泄漏的流体总量，是评定密封性能的主要参数，但目前尚无统一的标准，实际使用主要取决于密封介质的特性和运行的环境。设计手册中规定了平均泄漏率，在轴（轴套）外径大于50mm时，不大于5ml/h；轴（轴套）外径不大于50mm时，不大于3ml/h。
我们循环水泵的轴套外径为125mm，通过现场实际验证，外泄漏为0。
2.3.5.循环水泵机封改造的现场实施
2.3.5.1.我厂循环水泵有4台，为三开一备。我们于2012年9月先对备用泵CJ01001A实施改造。因该密封结构简单，安装方便，无需改动泵的其它零部件，只将原来的填料取出，取消密封压盖，将机械密封直接安装在原填料函上即可。
2.3.5.2.CJ01001A完成改造后，连续运行了4个月，于2013年1月我们进行效果评价，认为改造成功。然后逐台对另3台循环水泵实施同类型改造，于2013年3月全部改造完毕。
3 . 机封改造后的经济性分析
可见，泵的运行效率得到大幅提升。
3.3. 节能分析
通过表3电流对比，我们可知，电能下降约7.3%，以一台泵每年运行330天计算，一年所降能耗为电机功率800Kw ×7.3% × 24h × 330天 = 462528Kw ，以每度电0.8元计算，一年节约生产成本可达370022.4元，远远高于机械密封改造的成本。
3.4. 备件消耗
2012年5月至9月期间，CJ01001A泵检修8次，发生的备件费用为41000元，2012年9月24日完成机封改造后运行至2013年3月，除了一般的日常性维护检查，未发生过其它更换备件的检修工作。机封改造费用为39000元/台，5个月时间即回收投资成本并产生效益2000元。
4 . 结束语
通过对循环水泵实施机械密封改造，取得了很好的效果，通过经济比较，填料密封技改为机械密封，不但节约了备件消耗，节省了人力的投入，更为重要的是实现了节能降耗，节约了生产成本，提高了设备稳定运行的可靠性，为全装置正常稳定生产创造了良好的条件，从长远来看，具有很大的经济效益。
关键词：循环水泵 机械密封 应用
1. 填料式循环水泵的使用情况及存在问题
1.1 . 概述
我厂一期30万吨/年湿法磷酸装置四台循环水泵（位号：CJ01001A/B/C/D）采用的是单级双吸水平中开蜗壳式离心泵，于2005年2月投用。因填料密封结构简单，更换调整方便，故该四台泵原设计均采用填料密封。该密封型式主要由填料函、轴套、填料、水封环、填料压盖及螺栓等部件组成，它是将填料装于填料函内，通过填料压盖将填料压紧在轴套的表面。由于轴套表面总有些精糙，其与填料只能部分贴合，而部分未接触，即形成无数个迷宫。当带压介质通过轴表面时，介质被多次节流，凭借“迷宫效应”而达到密封。填料与轴套表面的贴合、摩擦，也类似滑动轴承，故应有足够的液体进行润滑，以保证密封有一定的使用寿命，即“轴承效应”，所以，良好的填料密封，是“迷宫效应”和“轴承效应”的综合。
1.2.1.该泵原设计的冷却方式为：在泵壳顶部开孔将泵内介质引出，再分别注入两端填料函内用做填料冷却水。2005年2月水泵投用初期，水质及工况较好，这种冷却方式也没出现太大问题，但随着水质恶化（见表1），介质含酸量增大，杂质增多，而且其本身温度已经较高，就不适宜再用介质做冷却水。而其带来的直接后果就是：填料频繁损坏泄漏，外泄漏较大而腐蚀轴承及轴承座，轴套磨损严重。检修工作量及备件消耗量均较大，而且泄漏带来的环境污染相当严重。为解决此问题，我们于2007年7月进行了冷却水改造：增加密封水加压泵，并单独配管至每台循环水泵的填料函，引入了清洁工艺水做填料冷却用。
表 1
改造后情况有所好转，但填料密封属于接触式密封，其本身就存在有密封性差、功耗大、磨损轴套、使用寿命短等缺点，运行一段时间后仍会频繁出现泄漏，拧紧压盖螺栓、更换填料均不能解决问题。
1.2.2.循环水泵的泄漏造成的最直接影响就是污染现场环境，不利用我们“清洁文明工厂”的创建；其次，因泄漏会导致轴承及轴承座被酸水腐蚀，检修频繁，加大检修工作量及备件的消耗。维护及检修工作量较大，检修费用高。
1.2.3.为彻底解决循环水泵存在的问题，我们提出将其改为机械密封型式，先对CJ01001A泵进行改造试用。
2. 循环水泵的机械密封改造
2.1. 机械密封的特点与优势
2.1.1.密封性好
机械密封包括动、静环之间的端面密封及其部件中静密封组成，其中动环与动环座、动环座与轴之间、静环与压盖与压盖之间、压盖与泵密封腔端面之间的密封为静密封，比较容易解决，一般密封性较好。动、静环之间的端面密封为动密封，是机械密封的核心，其密封端面的表面光洁度和平面度要求都很高，由于两个端面的紧密贴合，使两个端面之间形成一个微小的间隙，当有压介质通过此间隙时，便形成极薄的液膜，造成阻力，阻止介质泄漏，又使端面得以润滑，减少密封端面的磨损，获得长周期的密封效果。
2.1.2.不需要调整
机械密封在密封流体压力和弹性力的作用下，即使摩擦副有磨损，密封端面也能始终自动地保持贴紧。因此，一旦安装好以后，就不需要经常调整，使用方便，适用于连续化、自动化生产。
2.1.3.摩擦功率消耗小
随着社会经济的发展，能源消耗已成为一个不可忽视的、可能制约经济发展的重大问题，节能降耗也就变得越来越重要。盘根为接触式密封，它在使用中存在着某些固有的缺点，机械密封由于摩擦副摩擦接触面积小，又处于半流体润滑或边界润滑状况，摩擦功率一般仅为填料密封的0.2～0.3左右。
2.1.3.1.双端机封有两对摩擦副，结构复杂，需外供封液系统。而单端面机封只有一对摩擦副，结构简单，安装及维护方便，故我们选用单端面机封；
2.1.3.2.外装式密封是机械密封安装在密封腔外。内装式密封是机械密封安装在密封腔内。由于内装式密封受力情况好，比压随介质压力增加而增加，其泄漏方向与离心力方向相反，故我们选用内装式机械密封；
2.1.3.3.旋转式机械密封是补偿环随轴一起转动。静止式机械密封是补偿环不随轴一起转动。而一般情况下，均考虑选用旋转式机械密封；
2.1.3.4.单弹簧机械密封结构简单，弹簧可兼起传动作用，但端面比压不均匀。多弹簧机械密封结构复杂，弹簧不能兼起传动作用，但端面比压均匀，适用于高速运转。标准密封类型均为多弹簧结构，故我们选取多弹簧机械密封；
K﹥1的机械密封为非平衡型密封，一般非平衡密封只能用于低压，当密封腔压力上升时，会将密封端面间的液膜挤出，使密封面很快损坏；
K﹤1的机械密封为平衡型密封，内装式密封轴上的台阶使密封端面沿径向内移但不减少密封面的宽度。密封的开启力不变，但由于动环有较大的面积暴露在液体中，因此，闭合力被平衡了相当一部分。
2.1.3.6.从上可知，我们选取的机械密封为单端内装旋转多弹簧式平衡型机械密封。
2.3 . 机械密封改造（AIGI专利集装式机封）
经与多家机械密封制造厂商进行探讨后，我们最终选定“艾志工业技术集团”生产的“AIGI专利集装式机封”，该机械密封结构型型式如图1：
2.3.1.“AIGI专利集装式机封”的特点：
2.3.1.1.集装式结构，使安装简单、可靠；
2.3.1.2.平衡式结构在压力骤变时会减轻密封介质压力对密封端的影响；
2.3.1.3.非热镶式的动、静环结构，杜绝了在温度变化大以及有振动等特殊情况下，环面发生脱落或损伤的现象； 2.3.1.4.定位装置可避免人为安装产生的误差，保证机械密封精确的端面比压与可靠性，有效保证机械密封的长周期运行；
2.3.1.5.多个小弹簧结构，且不与介质接触；
2.3.1.6.专利的定位以及合理的端面比压，确保了密封的寿命与低排放要求；
2.3.2.其性能参数为：
最高温度可达200℃；密封圆周线速度25m/s；最高压力可达40Kg；
2.3.3.材质选择：
2.3.4.“AIGI专利集装式机封”改造的可行性验证
下面我们通过机械密封的两个主要性能参数来判断机械密封改造是否可靠：
2.3.4.1.PCV值
端面比压PC与密封端面平均线速度V的乘积，表征了密封端面实际工作状态。端面的发热量和摩擦功率直接与PCV成正比，该值过大会引起端面液膜汽化或使边界膜失向而造成附膜脱落，导致端面摩擦副直接接触而产生急剧磨损。它是设计时考虑的一个重要指标，其值必须小于许用[PCV]。由设计手册可知：碳化硅材料的摩擦副的许用[PCV]为14.5
在允许范围内。
2.3.4.2.泄漏率
机械密封的泄漏率是指单位时间内通过主密封和辅助密封泄漏的流体总量，是评定密封性能的主要参数，但目前尚无统一的标准，实际使用主要取决于密封介质的特性和运行的环境。设计手册中规定了平均泄漏率，在轴（轴套）外径大于50mm时，不大于5ml/h；轴（轴套）外径不大于50mm时，不大于3ml/h。
我们循环水泵的轴套外径为125mm，通过现场实际验证，外泄漏为0。
2.3.5.循环水泵机封改造的现场实施
2.3.5.1.我厂循环水泵有4台，为三开一备。我们于2012年9月先对备用泵CJ01001A实施改造。因该密封结构简单，安装方便，无需改动泵的其它零部件，只将原来的填料取出，取消密封压盖，将机械密封直接安装在原填料函上即可。
2.3.5.2.CJ01001A完成改造后，连续运行了4个月，于2013年1月我们进行效果评价，认为改造成功。然后逐台对另3台循环水泵实施同类型改造，于2013年3月全部改造完毕。
3 . 机封改造后的经济性分析
可见，泵的运行效率得到大幅提升。
3.3. 节能分析
通过表3电流对比，我们可知，电能下降约7.3%，以一台泵每年运行330天计算，一年所降能耗为电机功率800Kw ×7.3% × 24h × 330天 = 462528Kw ，以每度电0.8元计算，一年节约生产成本可达370022.4元，远远高于机械密封改造的成本。
3.4. 备件消耗
2012年5月至9月期间，CJ01001A泵检修8次，发生的备件费用为41000元，2012年9月24日完成机封改造后运行至2013年3月，除了一般的日常性维护检查，未发生过其它更换备件的检修工作。机封改造费用为39000元/台，5个月时间即回收投资成本并产生效益2000元。
4 . 结束语
通过对循环水泵实施机械密封改造，取得了很好的效果，通过经济比较，填料密封技改为机械密封，不但节约了备件消耗，节省了人力的投入，更为重要的是实现了节能降耗，节约了生产成本，提高了设备稳定运行的可靠性，为全装置正常稳定生产创造了良好的条件，从长远来看，具有很大的经济效益。