蒸汽转换系统给水泵机械密封失效及改善研究

王丽元，崔钺

（1.唐山科技职业技术学院；2.唐山学院，河北唐山 063000）

引言

蒸汽转换器系统（STR）的功能是产生绝对压力1.2 MPa，188 ℃的低压辅助蒸汽，每台蒸汽转换器设有两台100%容量的给水泵，给水泵能否正常运行直接影响STR 系统生产低压辅助蒸汽。［1］给水泵为上海阿波罗机械股份有限公司生产的ADH40-90×2 卧式离心泵，机械密封为上海博格曼机械密封厂生产的H75-45-G115 组装式机械密封。

1 STR 给水泵及机械密封简介

1.1 STR 给水泵

蒸汽转换器给水泵是在动力能源系统中发电机组系列化工泵基础上进行改造的是卧式，单吸，叶轮对称布置的两级泵，其尺寸和性能符合DIN24256/IOS2858 标准。每台蒸汽转换器设有两台100%容量的给水泵，日常工作期间为一用一备。泵的运行特性见表1。

表1 蒸汽转换器给水泵运行参数

泵驱动端采用圆柱滚子轴承，非驱动端采用背靠背安装的角接触球轴承。两端各安装一个机械密封。泵入口压力约为0.07 MPa，出口压力约为1.85 MPa。给水泵结构示意图如图1所示。

图1 STR 给水泵结构图

1.2 机械密封

机械密封为上海博格曼机械密封厂生产的H75-45-G115 组装式单端面机械密封，动环为软环，主要材质为碳-石墨，静环为硬环，主要材质为碳化硅。该机械密封属于内装旋转式非平衡型机械密封，补偿机构为8 个弹簧，安装在动环座上，载荷系数K＜1。

该机械密封采用plan11 冲洗方案，即从泵出口经流量控制板进入密封腔。Plan11 为单端面机械密封的标准冲洗方案，既可冷却密封腔，又能排空密封腔的空气，结构简单，安全性好，是清洁介质最常用的冲洗方案。［2］机械密封结构如图2所示。

图2 机械密封结构图

1.3 故障描述

N1STR002PO 泵驱动端机械密封发生泄漏，漏量约为5 滴/s（900 mL/h），超出EOMM 规定的10 mL/h，需对机械密封进行更换。之后001PO 和002PO 驱动端机械密封接连发生三次泄漏，运行时间在1～3 周不等。对发生泄漏的机械密封解体检查发现：动环密封面有少量缺口，动环外圆整个圆周出现严重侵蚀，动环组件和弹簧无异常；静环密封面均匀，无明显磨损情况；O 型密封圈状态良好，未出现老化或变形等现象。

2 故障原因分析

2.1 直接原因

从机械密封动环损坏的图片（图3）上可以明显到，动环外圆周上出现严重的径向侵蚀，密封端面上出现了不同程度的缺口，使动静环结合面无法形成有效密封，最终导致泄漏。

图3 磨损后的机械密封动环

2.2 密封损坏原因分析

2.2.1 泵抽空或汽蚀

此类故障产生的原因是由于叶轮内发生汽蚀或泵腔内没有液体（启动时排气不充分），摩擦副处于干摩擦或半干摩擦状态，使摩擦副在短时间内发生严重损坏。

机械密封动环材质为碳石墨，静环材质为碳化硅。如果出现干摩擦，碳化硅表面温度将急剧上升，遇冷后很容易发生碎裂现象。而解体检查时发现动静环端面平整、光滑，无麻点或者明显划痕。另外，如果发生泵腔抽空，动环的内圈更容易出现侵蚀或缺口。

根据以上几点判断，该原因可能性不大。

2.2.2 端面比压过大

由于端面比压过大，使得动静环之间摩擦产生大量热，破坏密封面间的液膜，增大磨损。而实际情况表明摩擦副表面未发现明显磨痕，也未出现因高温引发的变色现象。［3］几次安装时，弹簧压缩量与厂家建议值相符（约为总压缩量的60%～70%），基本可以排除该可能性。

2.2.3 冲洗量过大

PLAN11 冲洗方案的布置为径向单点冲洗，如果冲洗量过大很容易使动环外圈出现侵蚀。［4］失效旧机械密封的损坏方式与这种情况比较相似。考虑到驱动端机械密封始终未出现泄漏，而两端机械密封冲洗水都是从泵出口引出且管径相同，冲洗量差别不大，所以也可以排除该种可能性。

2.2.4 冲洗压差过大

对比STR 泵两端机械密封的布局和工况，唯一的不同点就是机械密封腔室背压。对于两级双支撑泵，入口端密封腔压力等于入口压力，出口端密封腔压力等于一级叶轮出口压力，在数值上等于出、入口压差之和的一半。所以驱动端密封腔室压力约为0.07 MPa，非驱动端密封腔压力约为0.82 MPa。对于现在泵用机械密封工作压力在2 MPa 以下，压力变化不大而又较为准确的情况下，冲洗压力比密封腔压力大0.05～0.2 MPa。机械密封冲洗水的压力无法直接计算，但至少大于非驱动端密封腔室背压，所以冲洗压力比驱动端密封腔背压高出0.8 MPa。［5］至此，泵驱动端机械密封屡次损坏的原因基本锁定为冲洗压力过大。

3 改造方案

3.1 选择方案

好的机械密封得益于精心的设计和精密的加工。然而，由于微小的因素就有可能干扰正常的密封效果，加之机械密封某些参数的控制是区间值而非精确刻度值（如载荷系数、端面压力、冲洗压力等），所以设计确定的最佳参数必须依靠实践的检验。而密封设备虽小，却关系到整个能源东西系统的质量和安全。根据机械密封损坏的情况和设备运行工况，再结合上述原因分析，共有三种改造方案。

（1）更换动环材质，采用不锈钢或者硬质合金，增强动环的刚度和耐冲刷性能。但是更换材质后，摩擦副的产热量将大大增加，会直接影响机械密封寿命。STR 给水泵入口温度达到80 ℃，要想对摩擦副进行有效冷却还需额外增加冲洗水冷却系统，改造量和周期较大，不建议实施。

（2）取消plan11 冲洗方案，将冲洗管线堵死。考虑到机械密封腔室内可能存在杂质，失去冲洗水将导致杂质无法及时排除，从而加剧动静环之间的摩擦；另一方面，堵死冲洗管路会增大机械密封腔室排气的难度，容易造成机械密封端面干摩擦。

（3）在冲洗水管路上加装节流孔板。加装孔板可以有效降低冲洗水压力，同时保留了plan11 方案中冷却、排气和润滑的功能。该方案易于实施，改造成本低，不会引入其他风险。

3.2 具体实施

在驱动端冲洗水管线的接头处加装一个旋塞，具体结构如图4 箭头处，将通道孔径由¢7 改为¢3。冲洗水经旋塞节流后对摩擦副进行冲洗，可以有效降低冲洗压力，进而延长机械密封的使用寿命。最终根据加装旋塞后机械密封的使用寿命判断变径是否合适。

图4 改造实施结构图

3.3 改造方案效果

STR 给水泵在增加节流旋塞后，运行至今未再出现泄漏的情况，说明本次选取的节流变径尺寸是合理可行的。另一方面，N1STR001PO 频繁泄漏的同时，N1STR002PO 却能长期稳定运行，在对002PO 进行解体检查时发现，驱动端机械密封压盖的冲洗水孔被异物堵塞，参见图5，也间接证明了机械密封动环出现严重侵蚀是冲洗水压力过大引起的。

图5 改造效果图

4 结论

蒸汽转换系统给水泵是能源动力设备中的关键组成部分，伴随长时间生产运行，疲劳强度不断增加，难免会出现密封失效的现象。通过以上机械密封故障的原因分析、方案制定及后续在现场设备中的实际改造，彻底解决了机械密封在短时间内频繁泄漏的问题。同时，现场的岗位操作人员及设备维检人员通过整个项目改造的参与，实施效果验证及相关理论知识学习，熟练掌握了这一设备问题的故障原因及排除方法，大大提高了生产运行分析判断能力，对今后的生产实践具有重要的指导意义。