离心泵机械密封结构分析及改进

孙永杰 温炳清 刘 凤

大庆石化公司水气厂 黑龙江大庆市

石化公司腈纶厂的生产污水、丙烯腈装置产生的污水处理程序是，首先经过调节池均匀水质，然后进入射流气浮装置，通过气浮过程，去除含氰污水中不可生化的悬浮物，稳定生化系统，提高可生化性，最后通过生化过程，对污水中的有机物进行降解，使出水达到排放标准。

一、问题

污水经分配间进入调节池后，由原水泵提升至高效气浮装置中，气浮池水位达到一定液位后，通过出水槽和出水管溢流到回水池，经加压离心泵P07ABCD注入溶气罐加压后注入气浮池，其间形成的微小气泡将污水中悬浮物及胶体等附着后浮升至水面，由刮渣机刮到浮渣池。在这一过程中，加压离心泵P07ABCD始终在存有很多悬浮物的介质中运转。该泵组选用FI100-37型离心泵，其密封腔体呈圆筒状，密封静环安装在密封腔体底部，密封圈作为辅助密封。受密封腔体内径空间限制，更换密封静环时不易安装到位。再有，密封腔体轴向距离为98mm，腔内介质流动困难，造成密封腔内悬浮物堆积，影响了密封使用寿命。

二、机械密封改进设计原则

1.密封选型的主要参数

（1）密封腔内介质压力P。介质润滑性好、黏度较高时，P≤0.8MPa选用非平衡型。介质润滑性差、黏度低时，P≥0.5MPa选用平衡型。

（2）线速度V。V≤25m/s时选用旋转型；V≥25m/s时选用静止型。

（3）PV值。PV值涉及到密封面之间流体膜的稳定性（汽化）和摩擦副的耐磨性。

（4）介质中含悬浮固体颗粒，动静环材料宜采用碳化钨或碳化硅，当颗粒易于阻塞密封腔时，必须采用辅助装置经过滤或分离后的冲冼液冲洗端面。

2.工作条件

介质是P07ABCD输送的装置中的原入水，COD均值为785mg/L，悬浮物均值 109mg/L，油均值 2.67mg/L，pH 值 6～9，含杂质多，腐蚀性强。介质温度为常温，出口压力0.45MPa。

3.密封形式结构设计核算

根据P07ABCD运转环境以及密封选型参数，密封形式选择B型金属波纹管机械密封。密封形式改变，密封轴套及密封腔体结构也要随之改变。测绘出泵体及密封腔、轴的相对位置尺寸，机械密封及密封轴套的金属材料选择316L，密封环选择碳化钨或碳化钨。参照《JB/T 6373-1992焊接金属波纹管机械密封技术条件》，根据介质压力选择合适的载荷系数和比压。

（1）载荷系数K的计算

式中d1——密封面内径

d2——密封面外径

D1——波纹管内径

D2——波纹管外径

De——波纹管有效作用直径

例：d1=57.6，d2=65，D1=57.6，D2=65，De=61.17，由公式（1）计算K=0.532。

载荷系数K实际反映密封介质压力载荷施加于密封端面上的载荷份额。当K≥1时，表明密封介质的全部压力载荷都施加于密封端面上，丝毫未被平衡，这类机械密封称为非平衡型密封，在工业中广泛采用，此时K值一般为1.1～1.8。当0＜K＜1时，表明密封介质的压力载荷影响变小，相当于被部分平衡，这种类型称为部分平衡型密封，K值一般为0.3～0.7，此机械密封载荷系数K=0.65，说明设计合理。

（2）弹簧比压Pt的计算

式中F——波纹管总弹力

A——密封面面积

式中F1——波纹管单波片每毫米弹力

S——弹簧压缩量

式中E1——弹性模量修正系数

E——设计温度下的弹性模量

n——波纹管波数

T——波纹管波片厚度

W——波纹管波片宽度

此例 E=210 000MPa，E1=3/4E，F1=17.22N，n=11，t=0.15，W=8.5，该机封所用波纹管为双波，按压缩量S=5mm计算，则波纹管总弹力F=2F1S=172.2N，弹簧比压Pt=0.242MPa，密封面面积A=712mm2。

（3）端面比压Pb的计算

机械密封的端面比压是影响就密封性能和使用寿命的最主要因素之一。

式中Pt——弹簧比压，

P1——密封腔压力，

K——载荷系数

λ——反压系数，此例 Pt=0.242MPa，P1=0.45MPa，λ=0.5 则端面比压 Pb=0.31MPa。端面比压值Pb=0.31MPa，小于经验值0.4MPa，说明在这个工况下，波纹管压缩量设定为5mm时能满足使用要求，

图1 改造后的机械密封装配图

三、密封形式结构改进及效果

（1）在原密封腔体与泵体的安装配合尺寸不变的基础上，重新设计动静环限位紧固方式。动静环分别用内六角螺丝固定在密封轴套和压盖（密封腔体）的法兰盘上，动静环与法兰用柔性石墨垫密封。解决了因动环在污水及悬浮物中的弹性补偿而影响密封效果的问题。另外，密封压缩量已预设，动静环位置固定，避免了静环安装不平及与密封轴套垂直度不好的问题（图1）。

（2）在与密封摩擦副位置对应的密封腔体上加开自冲洗孔ZG1/2英寸，节流孔Φ8～10mm。通过自冲洗解决悬浮物堆积，改善密封运转环境。

（3）密封冲洗系统采用带悬液分离器的自冲洗装置（图2）。改造后的P07ABCD离心泵，机械密封使用周期从平均87天延长至2年，大幅度降低了维修和材料费用，可保证生产连续运行。

图2 改造后泵体示意图