关于浆液循环脱硫泵机械密封的方案选择

1、大型脱硫循环泵用新型机械密封装置的研究与应用一、国内外大型脱硫循环泵用机械密封装置的现状分析近几年来，国内火力发电厂发展迅速，其中大型火力发电厂共有五百多家。国家产业政策对环保的要求越来越严格，特别是火电行业对脱硫系统实行在线检测，减少SO2的排放，给脱硫泵及脱硫泵机械密封的研制提供了广阔的市场，也给国内机械密封生产企业带来很好发展机遇。由于脱硫系统含固体颗粒浓度和含氯离子浓度较大，采用普通结构的机械密封难以达到使用要求，目前国外机械密封厂家在脱硫泵上使用的机械密封主要为德国布格曼公司生产，由于脱硫介质的腐蚀性和磨损冲刷等特殊工况条件，该公司机械密封采用SicSiC配对，其耐磨性和耐腐蚀性，以

2、及自润滑能满足使用要求，但SiC的耐冲击和耐震动方面的性能很差，很容易脆裂而引起机械密封失效。国产脱硫泵机械密封结构和材质方面，仿制进口机械密封结构和材质的较多，而对机械密封短期内失效的深层次原因分析较少。我们通过科学技术部西南信息中心查新中心，按脱硫泵机械密封的相关主题词及科学分类法，采用计算机检索与手工检索相结合的方式，查阅了国内9种数据库和检索资源，经反复检索，有关脱硫泵机械密封的文献报道很少，王乃华、鲁天毅3报道了石灰石、石膏湿法烟气脱硫金属浆液循环泵国产化研究及实践。介绍了襄樊五二五泵业有限公司成功开发烟气脱硫金属浆液循环泵的相关成果，包括泵的水力模型、结构、机械密封、材料等，其中为

3、烟气脱硫循环泵开发的专用密封采用无冲水结构，摩擦付采用碳化钨材料，并采用了较窄的环带，针对烟气脱硫浆液特性，选用平衡型机械密封以满足压力要求，采用静环补偿结构以适应大轴径线速度的工况；胡滨、骆建国2004年申请了脱硫循环泵集装式机械密封件实用新型专利（申请号：200420020662）。一种脱硫泵集装式机械密封件，它包括动环和静环构成的端面密封，所述的动环和与之固定的动环座所组成的动环体系固定设置在轴套的外端部，静环以及抵压于静环内端面的推环、弹簧以及弹簧座组成的静环体系固定设置在压盖中心；鲁志明2005年申请了脱硫循环泵的机械密封装置实用新型专利（专利号：200520035840.8）。一种

4、脱硫循环泵的机械密封装置，包括泵轴、组装与泵轴上的动环组件和静环组件，所述动环组件包括内轴套、通过紧缩圆盘安装在内轴套上的驱动座轴套、与驱动座轴套连接的动环、内轴套O形密封圈、驱动座轴套0形密封圈、所述静环组件包括静环、置于静环另一端的推环、弹簧、带导流套的弹簧座，以及法兰座和静环O形密封圈等，其特征在于在所述的动环和静环的摩擦环背面均设置有L形的橡胶垫。目前在机械密封的应用研究方面比较前沿的是：对普通机械密封的硬质合金材料的密封端面采用激光打微孔技术4和端面比压对液膜形成机理4进行了研究，对液膜的形成条件和延长机械密封的使用寿命、提高密封的可靠性作了探讨和有益的尝试。但在脱硫循环泵机械密封方

5、面未见相应报道，对起抗振的L形的橡胶垫的设计分析未见相应研究报道。二、国产大型脱硫循环泵对机械密封使用的影响国产的泵由于设计技术和制造工艺与进口泵比较有一定差距，加上脱硫泵的使用工况需要用工艺水对泵叶轮进行反冲洗等，国产脱硫循环泵，运行效果就很不理想。其原因是：国产脱硫循环泵密封腔体处始终存在着“窝气”、“抽空”、“气蚀”等现象，这就造成机械密封的动、静摩擦副时常处于干摩擦状态，易造成摩擦副的温度急剧上升。整体SiC-整体SiC的摩擦副结构虽然耐腐蚀性能优越，硬度比较高，但脆性特别大，特别在急冷和冲击情况下，SiC存在着“冷脆”及“炸裂”现象，造成摩擦副突然断裂，导致机械密封整体失效。另外，由

6、于“气蚀”、“抽空”、“窝气”等现象出现，泵的震动、轴向窜动等现象也加剧，国产脱硫循环泵的这种具体工况，进口机械密封不能很好适应，经常出现摩擦副断裂，造成机械密封失效。传统的HR型进口机械密封（德国博格曼型），动、静环采用整体SiC-整体SiC的摩擦副配对形式，这种配对形式的机械密封用于进口的脱硫循环泵，其运行状况良好,这是进口机械密封用于国产脱硫循环泵存在的普遍问题，而发生这种问题的机率在80%以上。国内机械密封厂家曾采用多种结构型式的机械密封4加以探索，但机械密封因干摩擦和摩擦环断裂失效、以及机械密封抗冲击能力差，其使用周期短等原因使机械密封失效的比例较高。基于上述各方面的原因，通过建立机

7、械密封抗冲击的结构设计，优化新型机械密封的结构、采用新的密封材料达到以下目标：（1）降低机械密封的泄漏率，提高其安全可靠性；（2）以适应国产脱硫循环泵运行工况为目的，增强机械密封的整体强度、提高传动机构的可靠性、增强机械密封的抗干摩擦性能、提高抗冲击、抗震动的能力；（3）延长密封装置的使用寿命，替代机械密封进口。三、主要研究内容“大型脱硫循环泵用新型机械密封装置”,是专为火电厂脱硫泵设计的机械密封装置，用于替代国外进口产品。在产品结构设计、材料选择和制造工艺方面应有技术创新，具有受压力高（0-1.5Mpa）、承受温度高（W130C）、泄漏量少（W3ml/h）、使用周期长（8000小时）、性价比

8、优、适用范围广等特点，综合性能的技术应处于国内领先水平。1、大型脱硫循环泵用机械密封的工作条件介质：石灰石、石膏浆液，固体含量30%40%（质量百分比）；温度W60C-70C；压力：W0.8MPa；PH值48；氯离子含量W0.03%。2、大型脱硫循环泵用机械密封装置的工作原理根据机械密封原理：两个相互贴合的密封表面，是靠弹簧和密封介质压力在接触端面上产生适当的压紧力，使这两个接触面紧密贴合，端面间维持一层极薄的液膜，从而达到密封的目的。机械密封端面通过研磨抛光，仍存在一定的粗糙度，在低压、静止时，这些端面之间的界面对液体能有效密封；轴旋转时，端面处于相对滑动运动，经过磨合，端面在最高粗糙面下分

9、开为极其小的间隙。运动时借助介质本身润滑，机械密封端面形成极薄滑膜而达到密封效果，并延长密封件寿命。3、研究内容近年来，随着密封技术、密封用材料和计算机技术的迅速发展，适应各种使用工况条件的机械密封得到广泛应用。特别对于高浓度、腐蚀强的浆料泵和脱硫泵，以前由于普通机械密封无法满足使用要求而采用填料密封，而填料密封与机械密封相比有使用维护费用高、能耗高、易泄漏对使用环境恶化等缺点，密封专家们从密封机理、机械密封结构、机械密封材料和泵运行过程中对机械密封的影响等多个方面进行了研究，但针对脱硫循环泵“气蚀”、“抽空”、“窝气”等现象和泵的震动、轴向窜动以及各个泵厂泵的结构不同等具体问题对机械密封的影

10、响分析的不够，因此从机械密封的结构设计上系统考虑得不够，造成机械密封的使用不能满足要求。我们针对国内主要的几大浆料泵、脱硫泵厂家泵的结构进行分析，综合起来有以下几方面使脱硫泵机械密封容易失效。（1）、泵的震动、轴向窜动使机械密封摩擦付磨损、断裂而失效。泵振动的原因很多，有泵和电机不同心，轴承故障，转子不平衡等，对机械密封而言，由于密封的追随性较差，泵的振动加剧了动静环的分离，瞬间的分离在液膜压力的作用下使密封面开启，增大泄漏量，并且使固体颗粒进入密封面导致密封面破坏。当泵振动较大时会导致密封环断裂。并且，机械密封的传动机构会因较大的振动而松脱。因此，从轴承箱的表面测到的最大振幅不得超过0.06

11、mm.4（2）、脱硫循环泵因结构和使用原因产生“气蚀”、“抽空”、“窝气”等现象。其对机械密封的直接危害就是：使密封端面摩擦环易发生干摩擦产生“干烧”现象。（3）、机械密封传动力矩的结构设计不合理，导致机械密封的传力机构与泵轴的相对运动使机械密封失效。针对以上问题，本课题研究工作有以下几个方面：（1）、脱硫泵机械密封的结构设计与论证；（2）、设计和建立机械密封性能试验装置和检测装置。（3）.解决泵启动时振动和冲击力造成机械密封损坏的问题。同时采用L形的橡胶垫的设计解决传统镶嵌工艺密封面存在变形的问题；（4）、解决密封端面间摩擦，易发生“干烧”现象的问题；（5）、解决在振动、冲击的情况下，轴与轴

12、套容易出现松动的现象，造成传动不可靠的技术问题；（6）、解决泵启动时的干摩擦，导致机械密封损坏的问题。三、主要研究方法1、普通结构大型脱硫循环泵机械密封的失效及分析普通结构大型脱硫循环泵机械密封失效的原因很多，概括起来有以下几方面：（1）、腐蚀失效：由于脱硫循环泵使用的工作状况是：介质：石灰石、石膏浆液，固体含量30%-40%（质量百分比）；温度60C-70C；压力：W0.8MPa；PH值48；氯离子含量W0.030.04%。工作介质中氯离子对机械密封材料的侵蚀作用，机械密封件会发生表面腐蚀，严重时也可发生腐蚀穿透，并且异种金属在介质中往往引起电化学腐蚀，使镶环松动。（2）、热裂、老化失效：如

13、果密封面处于干摩擦，冷却水突然中断，杂质进入密封面，抽空，窝气等，会导致环表面出现径向裂纹，从而使摩擦环急剧磨损，密封面泄漏迅速增加。如果摩擦热产生的温度超过橡胶件的许用温度而继续使用，则橡胶件迅速老化、龟裂、变硬失弹而使机械密封失效。凡因热损引起失效，关键在于尽量降低摩擦热，改善散热，使密封面不发生温度巨变。（3）、磨损失效：摩擦副若用材耐磨性差、摩擦系数大，端面比压（包括弹簧比压）过大，密封面进入固体颗粒，弹簧间隙被堵死等均会使密封面磨损过快而引起密封失效。（4）、泵的震动和轴向窜动引起密封失效：由于大型脱硫循环泵不时出现“气蚀、抽空、窝气”等现象，或者因使用过程中轴承等的磨损、损坏引起泵

14、的震动和轴向窜动加剧，造成摩擦副突然断裂。导致机械密封整体失效。（5）、安装、运转等引起的机械密封失效：由于安装不良，机械密封加水或静压试验时会发生泄漏。安装不良有下述诸方面：a）、动、静环接触表面不平，安装时碰伤损坏；b）、动、静环密封圈尺寸有误或未压紧；c）、动、静环表面有异物；d）、紧定螺钉未拧紧，弹簧座后退；e）、轴套密封圈未装或压紧力不够。运转过程中引起密封失效的原因有：a）、泵强烈振动、抽空破坏了摩擦副；b）、弹簧断裂;c）、防转销、传动销脱落或断裂引起密封失去作用；d）、辅助装置有故障使动、静环冷热骤变导致密封面变形或产生裂纹；e）、由于温度变化，摩擦副周围介质发生冷凝、结晶影响

15、密封；f）、运转中如泵叶轮轴向窜动量超过标准、转轴发生周期性振动及工艺操作不稳定，密封腔内压力经常变化均会导致密封失效。大型脱硫循环泵机械密封失效的影响因素见图3.磨损安装不良制造密封圈热腐蚀裂、老化振动大型脱硫泵机械密封失效过大操作、维护不当图32、机械密封材料的选择根据脱硫循环泵的使用工作状况，由于介质中含有C1+,并且呈酸性，因此，脱硫泵机械密封的机体材质需选316L或双相不锈钢，辅助密封圈选用F-26橡胶密封圈，密封面摩擦副材质的选用有SiC和（耐腐蚀用）硬质合金，表1是SiC和（耐腐蚀用）硬质合金材料的物理机械性能和耐腐蚀性等参数的对照表：表13、机械密封结构设计新型机械密封装置结构

16、，如图3,主要零部件包括泵轴、组装在泵轴上的动环组件和静环组件。动环组件包括内轴套、通过紧缩圆盘安装在内轴套上的驱动座轴套、与驱动座轴套连接的动环、内轴套0形密封圈、驱动座轴套0形密封圈；静环组件包括静环、置于静环另一端的推环、弹簧、带导流套的弹簧座，以及法兰座和静环0形密封圈等，主要特征在于在所述的动环和静环的摩擦环背面均设置有L形的橡胶缓冲垫，如图4。装置实物如图5所示。图3机械密封结构示意图图4局部放大图4、主要技术特点4.1橡胶L垫镶嵌YWN12抗冲击设计传统的HR型（博格曼型）动、静环，采用整体SiC-整体SiC的摩擦副配对形式，有优良的耐磨性，低的摩擦系数，高硬度和耐腐蚀性能，使它

17、成为国内外机械密封厂家首选的材料,这种配对形式在国外的脱硫循环泵上运行状况良好，使用寿命大都能维持一年以上，这得益于国外的脱硫循环泵在叶轮曲线设计及工艺上有独到之处，密封腔体的气蚀现象及抽空现象比较少或者说根本就没有，这就使机械密封能在浆液润滑的情况下运行，机械密封的寿命就得到了保障。但国产脱硫循环泵在刚开始启动时，由于处于大流量、低扬程状态，泵的密封腔体容易出现负压现象，即通常所说的“气蚀”现象，会引起震动、冲击。再加上脱硫循环泵是采用联动起动，容易形成“气锤”现象，会加剧对机械密封的冲击作用；随着泵的震动，轴向窜动也会加剧，在这两大因素作用下，极短时间内容易出现机械密封的动、静环脆裂现象（

18、断裂），使机械密封在泵启动时失效。针对上述问题，要采取的技术措施：一是提高密封装置的整体强度，使其在泵启动时具有较强的抗冲击和抗振动能力；二是减缓泵启动时的震动和冲击力。本设计在脱硫循环泵机械密封上采用橡胶L垫镶嵌YWN12（新型Ni基硬质合金，专门耐腐蚀），应用新型Ni基硬质合金进行镶嵌，并采用YWN12+YWN12的摩擦副形式，解决机械密封既耐腐蚀又要耐磨损的问题。提高了动、静摩擦副的强度，增强泵启动时密封装置的抗冲击和抗振动能力。图5装置实物图4.2最小弹簧力，防“干烧”设计脱硫循环泵在刚开始启动时，泵的密封腔体容易出现负压现象，如果按常用机械密封要求设计弹簧比压，使用过程中，因为泵的轴

19、向移动，使弹簧力偏大，导致摩擦副处发热也大,产生“干烧”现象，影响密封的正常使用。从理论上讲，机械密封的设计应使端面载荷最小（从而是磨损最小），因此设计者应选择平衡半径d。使闭合力与被密封压力无关，且仅依赖于一小的弹簧力，这就要求面积比K=A1/A和弹簧力Fs都应尽可能小。最小的实际弹簧力由两个因素支配，其一是副密封阻力（0形圈）；其二是端面反压系数。弹簧力必须克服副密封（O形圈高阻力）的最大阻力，否则界面将开启，导致过大的泄漏，也就是说补偿环追随性能不好。通过对某脱硫循环泵机械密封0形圈阻力、腔体温度、压力、端面摩擦状态等进行综合计算分析，主要考虑0形圈阻力和端面反压系数，并考虑到介质沉积物

20、在补偿环和轴上“挂起”，在停机冷却（或启动加热）期间存在大的轴位移时，密封副摩擦力可能高的情况下，保证密封具有最基本的追随性能，同时减少弹簧比压。最小弹簧力必须克服密封的摩擦阻力和液膜的反压系数，确保端面不要出现开启现象，即端面的载荷力在任何运行工况下都为正值，以确保密封摩擦副在正压和负压时都保持良好的贴合状态。采用最小弹簧力，关键技术在于确定脱硫循环泵实际运行工况及摩擦副的状况。脱硫循环泵工况通常为密封腔体压力在0.3MPa以下，离子浓度为40000PPm-60000PPm,温度为3050C,转速为790r/min,含固体颗粒CaCO和CaSO；在这种工况下运行时，摩擦副处于34混合摩擦状态

21、，液膜相为固液混合相，液膜的反压系数为r=0.3P。经过反复的研究与实践，m最终确定弹簧比压处于0.10.12MPa范围内，而传统HR型密封弹簧比压是处于0.150.20MPa范围内，即比传统的机械密封减少弹簧比压约30%。4.3抗振动、冲击，防松动设计密封装置的紧缩园盘轴套与轴的配合，国内外同类机械密封都是靠内孔应力变形配合。在泵运行流质稳定的状态下，机械密封不会产生轴向移动，但是，在泵启动或运行流质不稳定时，由于泵的振动力、冲击力的影响，紧缩园盘容易出现松动的现象，导致构件损环。脱硫循环泵输送的流质不稳定，产生的振动力、冲击力也大。如何解决园盘轴套与轴的配合，以承受泵的较大振动力、冲击力，

22、防止紧缩园盘容易出现松动的现象，成为本设计的关键技术之一。传统的基环316L不锈钢镶嵌YWN12技术靠的是过盈配合，配合公差一般是H8/V7,采用轴套组合的工艺，这种工艺存在缺陷是由于过盈配合镶嵌处不可避免存在应力集中，导致密封面的变形，虽经时效处理，上述症状有可能减轻，但大轴径的应力变形仍无法避免。本装置采用在紧缩园盘轴套上开R小槽，通过R小槽增强轴套抗振动和冲击的能力，减小轴套壁厚，降低变形压力，使轴套在紧缩园盘的作用下，通过应力变形紧紧的抱在轴上，防止了因振动、冲击出现松动现象。4.4节流环装置，防干摩擦设计机械密封主要是根据流体膜润滑-由流体膜承载保持密封和润滑的成膜理论进行设计。以该理论设计的机械密封，在泵启动时，密封装置润滑液未达到密封面时，密封装置动、