大型脱硫循环泵用新型机械密封装置的优化设计

胡 勇，文华斌，周 敏，文传顺

（1.四川理工学院 过程装备与控制工程四川省高校重点实验室，自贡 643000；2.自贡兆强密封制品实业有限公司，自贡 643000）

0 引言

在火电、石化、钢铁等行业的燃煤机组脱硫系统中，脱硫循环泵及配套机械密封是不可缺少的重要装置，机械密封性能直接影响脱硫循环泵和整个脱硫系统的正常运转，直接影响燃煤机组废气的达标排放。2009年末煤电总装机容量6.5亿kW 左右，预计十二五期间煤电装机将达到9亿kW 左右[1]。给脱硫泵及配套机械密封研制与推广应用提供了广阔的市场前景，研制高效能机械密封对提高脱硫循环泵工作效率有重要作用；对防止二氧化硫大气污染，改善生态环境有重要现实意义。

1 新型密封装置简介

脱硫循环泵输送介质：石灰石、石膏浆液，固体颗粒含量30%～40%（质量百分比）；工作温度：30～50℃ ；密封腔体压力≤ 0.3Mpa；ph值 4～8；氯离子含量≤0.03～0.04%。国产脱硫循环泵工作时普遍存在 “窝气”、“抽空”、“气蚀”等现象，这些工况易造成机械密封的动、静环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；还易导致泵的振动、轴向窜动等现象加剧。

文献[2]报道了国内某企业研制的国家火炬计划资助项目（2008GH051536）“大型脱硫循环泵机械密封装置”，简称“火炬机械密封”结构如图1、图2所示。基本克服了 “窝气”、“抽空”、“气蚀”等现象对脱硫循环泵用机械密封的不良影响。采用的主要技术措施是：1）密封环采用“静环YWN12+动环YWN12”的摩擦副形式，提高了耐腐蚀和耐磨性，提高了动、静摩擦副的强度，

图1 火炬机械密封结构图

增强了抗冲击和抗振动能力；2）采用橡胶L垫镶嵌动、静环，提高减震；3）抗振动、冲击设计：采用在紧缩圆盘轴套开小槽技术，序号1（开口抱紧环）把序号3（紧缩园盘轴套）牢固安装在脱硫循环泵传动轴上，使机械密封平稳运行[2]。

2 新型密封装置的优化设计

2.1 结构优化设计

火炬机械密封在批量生产与应用中，发现还有不足之处，通过结构优化与简化，其经济与技

图2 摩擦副局部放大

术性能还有提升空间。其机械密封的优化措施为：

1）动、静密封环耐腐蚀、耐磨损抗冲击减震优化设计：用斜锥滑环式组合密封结构“静环(聚四氟乙烯)＋动环(2Cr13)摩擦副形式”取代“静环YWN12+动环YWN12的摩擦副形式，动静环镶嵌橡胶L垫减震”结构，如图4、图5所示。

图3 产品实物图

2）机械密封固定、振动、轴向窜动设计：对紧缩园盘轴套的受力状态进行有限元分析，研究在工作状态下应力应变情况，确定其结构优化方案，保证机械密封固定可靠，受力合理；保证机械密封能更加稳定运行。

2.2 斜锥滑环式组合密封性能分析

图4 优化后的脱硫循环泵机械密封结构

1）耐腐蚀、耐磨损性、抗冲击能力和防止摩擦环脆裂分析：聚四氟乙烯（英文缩写：PTFE）具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性；突出的表面不粘性；良好的润滑性。低摩擦因数（0.04）和自润滑性而且与金属无粘着作用，且起动摩擦力与运动摩擦力相等，聚四氟乙烯可以在-250℃至260℃的范围内长期连续地使用和良好的抗老化耐力；机械强度较低；弹性模量较小抗冲击能力较强[4]。

2）密封工作原理：有关聚四氟乙烯斜锥滑环组合密封的研究应用文献报道较少。文献[5、6、7]报道了锥滑环组合密封装置的的设计、分析及应用。 “静环(PTFE)＋动环(2Cr13)摩擦副”结构由弹簧、静环、动环、O形橡胶圈构成，如图4、5所示。安装状态时，弹簧推动静环右移，使静环和动环之间形成密封面并具有一定的预接触压力，并使O形圈具有一定的预压缩量。工作状态时，密封腔内压力推动静环右移，增大O形圈压缩量，增大密封面的接触压力，达到良好的密封效果。当滑环厚度磨损减小后，O形圈压缩量减小，则水平方向力的平衡关系消失，弹簧力及工作内压将推动滑环右移，增大O形圈压缩量，到达一个新的平衡位置，起到自动跟随补偿性作用。

图5 摩擦副局部放大

表1 滑环厚度h与密封面、接触面上最大接触压力的关系；滑环厚度h与O形圈Von-mises应力及压缩量的关系

3）密封性能分析：有限元分析的计算模型、边界及荷载等条件见文献[7]，分析计算8～20mm厚度内，7 组不同壁厚的斜锥滑环在安装和工作状态下密封面和其他接触面的接触压力，分析结论如图6、图7、表1所示。斜锥滑环密封具有良好的密封效果；滑环厚度在8～20mm变化都能实现良好的密封，说明具有磨损自动补偿能力。

图6 h=8mm时安装状态下Von.mises应力分布

图7 h=8mm时工作状态下Von.mises应力分布

4）密封副的温度场分析：斜锥滑环密封是通过旋转环（动环）与浮动环（静环）端面的滑动摩擦实现的，由于动、静环的相对运动而产生摩擦热，随密封环的温度升高产生的降低密封件的使用寿命、增加端面间的磨损和泄漏、端面热裂（热应力裂纹）等一系列问题，文献[8、9]作了较详细的分析。

利用ANSYS有限元分析软件对斜锥滑环的温度场进行分析，得出机械密封的温度场分布，如图8所示是密封介质50℃，考虑了冲洗、搅拌热和摩擦热等因素的2Cr13和PTFE配对摩擦副的温度场云图。由图8知，密封最低温度为23.97℃，最高温度87.51℃，温升为63.54℃；满足PTFE的工作温度要求。

图8 密封温度场云图

2.3 紧缩园盘轴套的优化设计

紧缩园盘轴套左端开R小槽（结构设计如图9、图10所示，装配结构如图4所示）的作用，可获得的更好装配紧固效果在文献[2] 、[9]分别作了较详细分析介绍。

影响紧缩圆盘轴套抱紧性能的主要因素分别为：轴套壁厚、开槽数量、开槽长度、开槽宽度（半径R）等。按泵轴过盈配合（H8/v7）时，在径向产生0.16mm位移抱紧泵轴所产生的应力大小为指标，优化紧缩园盘轴套结构。优化方法为每个因素安排3 个水平，试验采用L9(34)正交表建立的实验方案，建立9个有限元分析模型。

图9 开R小槽的紧缩园盘轴套

图10 开R小槽的紧缩园盘轴套实物

应用ANSYS软件逐次对9个有限元分析模型分别进行数值模拟分析，有限元分析的计算模型、边界及荷载等条件见文献[10]。然后对模拟分析结论进行数据分析处理，寻找出结构因素的最佳组合即紧缩园盘轴套结构的优化设计。保证机械密封固定可靠，受力合理；保证机械密封能更加稳定运行。

3 结论

图11 轴套局部Von.mises应力

1）结构优化设计后的机械密封，提高了抗冲击性能，不需要橡胶L垫减震零件进行减震，完全克服了在“气蚀”等情况下摩擦副易脆、易断裂等缺陷；密封性能符合预期, 具有磨损自动补偿能力，在整个使用周期内都能实现良好的密封；机械密封固定更可靠，受力更合理；保证机械密封能更加稳定运行。

2）结构优化设计后的机械密封在结构、加工、装配等方面更简化，具有较好的经济性和更好的技术性。

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