氟塑料离心酸泵机械密封失效的修复

梁 玲 宾士华

(1.广西现代职业技术学院， 广西 河池 547000； 2.广西梧州华锡冶炼有限公司， 广西 梧州 543000)

0 前言

铅电解旨在获得高纯度的工业用铅，并回收伴生的铋和稀贵金属。铅电解过程中，电解液循环能够使电解槽内电解液成分保持均匀，克服浓差极化，国内外普遍采用上进下出单极循环方式。其中电解高位槽、电解槽和电解集液槽之间电解液循环流动离不开电解液循环泵，因其能够抗硅氟酸和氢氟酸，俗称酸泵。酸泵是铅电解工序生产中十分重要的设备之一，而机械密封失效是其维修频繁的主要原因，导致电解液泄漏，浪费原材料，增加设备维护维修成本及影响生产进度等。本文以某冶炼公司铅电解工序中氟塑料离心酸泵为例，对氟塑料酸泵机械密封失效后进行改造修复，取得了较好效果，解决了生产中设备运行难题，可在行业内借鉴。

1 氟塑料酸泵机械密封结构及密封原理

1.1 氟塑料酸泵结构

某冶炼公司铅电解工序中采用的氟塑料离心酸泵型号为80FSB- 30，按国际标准设计，由电机、底座、防护罩、支架、联轴器、轴承、泵轴、机械密封和泵体等组成，结构如图1所示，基本参数见表1。泵体采用金属外壳内衬聚全氟乙丙烯(F46)， 泵盖、叶轮和轴套均用金属嵌件外包氟塑料整体烧结压制成型，轴封采用外装式聚四氟乙烯波纹管机械密封[1]。适用于输送任何浓度的硫酸、盐酸、醋酸、氢氟酸、硝酸、王水、强碱、强氧化剂、有机溶剂、还原剂等苛刻条件的强腐蚀性介质，是目前世界上最强耐腐蚀装备之一[2-3]。

图1 氟塑料离心泵的组成结构

流量/m3·h-1扬程/m入口直径/mm出口直径/mm电机2极功率/kW503080653

1.2 机械密封工作原理

氟塑料离心泵采用外装式聚四氟乙烯波纹管机械密封，具有良好的浮动性和随机补偿性，由动环、静环、聚四氟乙烯波纹管弹力补偿机构等组成，如图2所示。静环由静环压盖固定在泵体泵盖上，一般选用石墨或聚四氟乙烯材质；动环由聚四氟乙烯波纹管等弹性元件压紧在静环的接触面，采用不锈钢或更硬的材质，如碳化钨或碳化硅，耐腐耐磨。该密封结构为单端面机械密封，即旋转轴动密封，当电机带动泵轴旋转时，同时带动了聚四氟乙烯波纹管补偿机构和动环运动，由于弹力的作用使动环紧紧地压在静环上，而静环则静止固定在端盖上，滑动的端面在液体压力及聚四氟乙烯波纹管补偿机构弹力作用下保持贴合，并与动环与静环接触的环形密封面同时阻止了电解液的泄漏。

1—静环座；2—动环辅助密封圈；3—静环辅助密封圈；4—防转销；5—静环；6—动环；7—弹簧；8—弹簧座；9—紧定螺钉图2 聚四氟乙烯波纹管机械密封结构

2 氟塑料离心泵机械密封失效分析及修复

2.1 机械密封失效分析

氟塑料离心酸泵泄漏是该类泵主要维修故障之一，而聚四氟乙烯波纹管机械密封泄漏是最主要的原因，主要泄漏点包括静环与轴处的四处静密封点(静环与静环压盖间的密封、密封端盖与泵体的密封、轴套和轴之间的密封、动环与轴之间的密封)[4-5]和动环与静环的端面彼此贴合作相对滑动的动密封。其中动密封是机械密封装置中的主密封和决定机械密封性能和寿命的关键[6-7]。某冶炼公司铅电解工序中共有8台酸泵，其中2台备用。2015年以前每台泵平均每1.5月维修及更换机械密封一次，但之后由于泄漏的原因维修更换的次数频繁增加，2015年1月维修更换5台酸泵机械密封达18次。其中因机械密封漏液而更换的维修次数就占90%。工程技术人员根据现场机械密封失效情况进行测试观察，结果如下：

1) 停机静压时，泄漏量较小，呈滴状延动环、静环摩擦副间滴下。静环和轴处的四处静密封点无明显泄漏喷射；当用手动盘车观察，动、静环摩擦副间泄漏量有明显变化，而四处静密封点仍无明显泄漏喷射，初步断定是动、静环摩擦副存在问题。

2)开机运转时，动、静环摩擦副间泄漏量有明显变化，出现喷状泄漏，而四处静密封点仍无明显泄漏喷射，初步判定为动、静环摩擦副受破坏所致。

3)当维修人员拆开机械密封后发现动、静环接触表面有明显凹凸划痕，有些动环出现开裂现象。

根据以上现象结合实际生产情况，某冶炼公司氟塑料离心酸泵机械密封失效的主要原因如下：2015年之前，因阳极板成分较稳定，电解液的杂质较少，随着生产原料越来越复杂，造成电解液的杂质较多，因此阳极泥等较硬细小颗粒杂质进入动、静环工作的接触面，造成接触表面有凹凸划痕，引起泄漏；其次，维修工人安装质量不合格，导致动、静环接触不平衡引起泄漏。

2.2 机械密封失效修复

上述氟塑料离心酸泵机械密封失效的两个主要原因影响了酸泵的使用寿命，大大增加维修次数，其中前者占98%以上。某冶炼公司采取了相应的措施进行机械密封失效修复。

2.2.1 动环与静环的修复

动环与静环的修复，根据损坏的动、静环，自行设计并制作。由于动、静环端面彼此贴合作相对滑动的动密封，对动、静环密對端面的加工要求很高。因此，在设计和安装机械密封时，从以下方面进行改进：

1)要保证端面单位面积压力值在最适当的范围，压力过大，不易形成稳定的润滑液膜，会加速端面的磨损；压力过小，泄漏量增加[8-9]。

2)动、静环的材料的选择。根据统计, 动、静环的泄漏大约有80%～95%是由于端面摩擦副造成的。因此除了要保持密封面平行之外，用较硬的材料来制作动环，使其在较软的静环面上旋转摩擦。现在的旋转面动环更多选用不锈钢或更硬的材料制作,例加碳化钨或碳化硅; 静环面则选用石墨或者聚四氟乙烯。80FSB- 30氟塑料离心酸泵的机械密封的动、静环原材质为搪瓷，脆性大，设计改为耐酸材质9CrSi和3Cr13，并调质处理。结合实际尺寸设计如图3、图4所示：

图3 自行设计的9CrSi材质机械密封动环(单位：mm)

图4 自行设计的3Cr13材质机械密封静环(单位：mm)

以往当机械密封的动、静环磨损失效后，维修工人都是更换整套装置，就市场价来说每套约1 000元，成本比较高。通过技术人员自行设计加工机械密封的动、静环，磨损失效后只更换其中这两部分，大大节约维修成本。

2.2.2 过滤电解液杂质

冲洗干净管道和储液罐，并在酸泵进口前加两层孔径1 mm的不锈钢筛网，有效过滤电解液杂质，严防固体颗粒进入密封端面，使密封失效。

2.2.3 保证安装质量

保证机械密封装置的安装质量需要加强维修工人安装技能培训，减少安装误差，注意事项如下:

1) 动、静环端面相互平行，端面单位面积压力值在最适当的范围，动、静环与相配的元件间，不得发生连续的相对转动，不得有泄漏。

2)必须使动、静环具有一定的浮动性，以便在运转过程中能适应影响动、静环端面接触的各种偏差[10]，这是保证密封性能的重要条件。浮动性取决于密封圈的准确装配、与密封圈接触的主轴或轴套的光洁度、动环与轴的径向间隙以及动、静环接触面上摩装力的大小等，而且还要求有足够的弹簧力。

3)要使主轴的轴向窜动、径向跳动和压盖与主轴的不垂直度在规定范围内，否则将导致泄漏。

4)在装配过程中应保持清洁，特别是主轴装置密封的部位不得有锈蚀，动、静环端面及密封圈表面应无任何异物或灰尘，在动、静环端面上可涂一层清洁的润滑油。

5)在装配过程中，不允许用工具直接敲击密封元件。

3 结束语

通过对铅电解酸泵进行机械密封失效修复，有效地减少了酸泵的维修次数，解决了电解液泄漏的问题，减轻了工人维修强度。2015年1月改造前，维修更换5台酸泵机械密封达18次成本约1.5万元；2015年2月改造后，酸泵维修次数大大降低，3月仅更换机械密封动静环10次成本仅2 000元，同时减少人工维修费用、电解液泄漏材料费用等约3 000元，节约维修等成本约1.6万元/月，达到所预定的设计目标值。机械密封失效修复在解决电解液泄漏问题的同时，对改善现场环境和提高产品质量等起到了积极作用，值得在行业中推广。