应急泵密封系统设计及保障措施探讨

薛 涛，徐艾青，彭 沛，占 鑫，武 溉，曾 磊

（1.湖北三六一一应急装备有限公司，湖北 武汉 430090；2.新兴重工湖北三六一一机械有限公司，湖北 襄阳 441002）

应急泵主要应用于大流量远程供排水、应急排涝、森林消防、市政管网应急作业、灌溉网络应急作业和石化行业等特殊领域，其在工作过程中长期浸泡于液体介质中，输送介质主要包括自然水域水源、防汛排涝污水、市政管网污水等。应急泵及基于其研发的消防装备系列、排涝装备系列等是我国应急管理体系装备力量的重要构成与核心关键组成。

针对不同使用领域、场合及用户需求，应急泵的性能参数（流量Q、扬程H、转速n、功率P、效率η、汽蚀余量NPSH）、类型、重量、尺寸、驱动方式、安装方式、结构和材料等也不尽相同，但其共性都是通过旋转的叶轮将原动机的机械能传递给所输送的液体介质使得液体介质的能量增加，以达到输送或提升的目的。应急泵作为一种转动机械，转轴与泵盖之间、转轴与叶轮之间、转轴与轴承密封腔盖板之间、泵体与泵盖之间、机械密封与泵轴之间等处必然存在间隙，针对这些间隙，必须对应设计密封系统，密封系统设计的好坏与泵的容积效率密切相关。应急泵零件几何精度高，相配合关键零件之间往往选用较高公差等级配合，且额定转速较高（n≥1 000～3 000 rpm），兼之输送介质所含成分的复杂多样（比如某些地区水域细沙颗粒度含量较多、防汛排涝污水中多伴随生活垃圾碎片、介质中化学成分含量等因素），密封系统中一旦出现些微渗漏，由于初期不易观察以及应急作业的特殊性，往往造成润滑失效、轴承损坏、泵轴轴向窜动、叶轮烧死和泵轴弯曲等严重事故，直接导致应急泵无法工作，严重影响相关应急装备作业效率。因此进行应急泵密封系统设计及保障措施探讨对于应急泵的整机设计、生产组织、加工、装配、应用、维修都是极其关键和不可或缺的。

1 密封系统设计

密封系统设计对应急泵的稳定运转起着决定性的作用。应急泵的密封系统设计包括静密封设计与动密封设计。

1.1 静密封设计

静密封是指密封耦合件之间没有相对运动的密封形式。静密封均为接触式密封。应急泵常见的静密封设计主要包括各种型式的垫片密封、O 形橡胶密封圈密封、密封胶密封、螺纹密封等。

1.1.1 垫片密封设计

垫片密封应保证垫片连接系统在所要求的工作时间内保持有效密封，使泄漏率低于所规定的泄露指标。垫片密封有效的前提是保证垫片工作应力σ（即垫片密封面与被密封面之间的压强）大于介质的工作压力。垫片密封设计应考虑适用介质、介质压力（正压还是负压，是否有压力脉动）、温度、适用密封面型式等。

针对应急泵而言，密封垫片常见的有聚四氟乙烯（PTFE）垫、柔性石墨垫、耐油石棉橡胶板和组合垫片等。

聚四氟乙烯PTFE 是取代石棉垫片的理想选择，其最高使用压力一般不超过2 MPa，具有高度的化学稳定性，能承受除熔融碱金属、元素氟和强氟化介质以及高于300℃的氢氧化钠以外的所有强酸、强碱、强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂的作用；PTFE 可在-190～280℃范围内使用；耐老化性好；突出的不粘性等。基于上述优异性能，PTFE 可在极恶劣的工况下长期使用。柔性石墨垫具有优良的压缩回弹性、热稳定性、自润滑性、耐腐蚀性、抗老化性，在石化行业相关应急泵中广泛应用。

1.1.2 O 形橡胶密封圈静密封设计

O 形橡胶密封圈（简称“O 形圈”）静密封是简单实用的有效密封方式，其密封沟槽、尺寸公差、配合偶件表面粗糙度、规格选用等均已标准化。同其他密封组件相比，O 形圈密封占用空间极小，采用合理、巧妙的O形圈密封与其他型式密封的组合，可以显著优化密封系统结构与泵总成结构。

O 形圈密封设计主要考虑密封形式、应用领域、介质性质、压力、温度、尺寸规格等因素。相关的国家标准有GB/T 3452—2005《液压气动用O 形橡胶密封圈》。

1.1.3 密封胶密封设计

密封胶密封主要应用于管道密封。其工作原理是靠密封胶的浸润性填满密封面的微小缝隙以形成有效的密封。密封胶选型时应注意密封胶的耐油性、耐水性、耐候性，密封胶应不腐蚀、不污染泵组零件，其耐温、耐压应符合使用需求。密封胶使用时注意做好预处理，控制胶层厚度。

1.2 动密封设计

根据密封面间是相对滑动还是相对旋转运动，动密封分为往复密封和旋转密封两种基本类型。对于应急泵而言，动密封一般为旋转密封类型。应急泵的动密封设计主要包括机械密封、毛毡密封、油封密封、填料密封等。

1.2.1 机械密封密封设计

机械密封（简称“机封”）在各类应急泵中广泛应用。机封按密封端面接触状态分为接触式和非接触式两种，其中接触式密封使用较广。接触式机封又以单端面密封和双端面密封使用最为广泛。双端面密封相比较单端面密封增加了一对摩擦副，一般用于密封等级较高的设备。

以平衡系数区分，机封分为非平衡型（适用压力≤0.8 MPa）、不完全平衡型（俗称平衡型）、完全平衡型（一般适用压力＞0.8 MPa）。不完全平衡型应用最为普遍，能平衡一部分液体压力对端面的作用，能改善端面磨损情况，承载能力较大；完全平衡型很少用。

机封选型时应调查明确主机类型及需要密封的部位、介质特性（如黏度、pH 值、有无腐蚀性、有无悬浮颗粒及纤维杂质、是否易汽化或结晶等）、密封腔体压力、流体温度、线速度、轴的振动及偏摆量、轴径、允许的有效安装空间、允许泄露量、泄露方向要求、支持系统情况等。机封技术的水平与密封材料密切相关，机封的选型应格外关注摩擦副组对材料、补偿原件材料、辅助密封圈材料、其他部件材料的选择。

机封摩擦副组对材料选型时，注意组对材料应具备耐磨性、耐腐蚀性、良好的耐热性和热传导性、机械强度、摩擦系数小、气密性、组对材料的兼容性等。某款主要应用于应急排涝、远程大流量供水的应急泵，其机封组对材料为镍铬基硬质合金。

辅助密封圈的材料应能适应介质特性，具有较好的耐老化性、耐高温性、耐低温性，永久变形量适宜，高压时应具备抗爆性，在满足使用工况下应考虑经济性。弹性原件材料应强度高、耐介质腐蚀、耐疲劳、长期工作弹性不会降低。

完整的机封密封设计包括机封本体和支持系统，两者同等重要。机封支持系统主要包括冲洗、冷却、过滤等部件。机封的冲洗、冷却介质可以是从应急泵出口侧引入的循环冷却水或密封腔内的润滑油。使用循环冷却水作为冲洗、冷却介质时，应从泵体流道、泵整机结构上控制循环冷却水中杂质或悬浮颗粒的含量，必要时应设置旋液分离器进行过滤；使用润滑油作为冲洗、冷却介质时，应借助其他密封型式做好油腔密封，加注油前清洁油腔。

机封密封设计计算应考虑端面比压Pc、弹簧比压Ps进行结构尺寸计算、几何尺寸计算、机封摩擦功率计算，校验所选摩擦副组对材料Rcv 值。

机封密封设计对动环内径与泵轴配合公差、静环外径与泵盖配合孔配合公差、机封安装段泵轴轴径向圆跳动公差、泵轴外径尺寸公差及粗糙度Ra、机封安装尺寸等均有较高要求，这些关键尺寸务必严格按公差要求加工。

1.2.2 油封密封设计

油封密封是应急泵密封的主要型式之一。油封密封主要用于密封润滑油或润滑脂，防止杂质进入密封腔，以保证轴承及其他精密转动零件正常工作。

应根据介质性质、温度、压力、线速度、润滑条件、使用工况等因素选用油封的结构型式和材料。设计时应注意泵轴的同心度、泵轴与油封座孔孔径中心的同轴度会影响油封的性能、唇口与泵轴过盈量、唇口与泵轴接触宽度，此外，应重点注意与油封接触的泵轴直径公差、工作表面的粗糙度与硬度。

1.2.3 毡圈油封密封设计

毡圈油封是在壳体槽内填充毛毡圈，以堵塞泄露间隙达到密封的目的。适用线速度≤5 m/s。

1.2.4 填料密封设计

填料密封由填料盒、填料压盖、填料及连接件等组成。由于填料密封的机理，填料密封在使用一段时间后需要及时调整填料压盖压紧程度；填料磨损严重时需提前更换填料；填料密封功率损耗较大，直接影响应急抢险泵的瞬态水力性能；为了实现水封环内冷却介质的循环，往往需要设计较大体积的冷却水腔或从泵内引水注入水封环，结构复杂。一般而言，填料密封作为应急辅助密封配合机械密封使用。

填料密封实际选用材料由泵送介质的压力、pH值、温度等因素确定。

2 保障措施

为保障应急泵具备优良的密封系统，应从设计质量、加工质量、总装质量、操作维保几方面加强控制。

2.1 设计质量保障

（1）应急泵的密封系统设计往往需要设计者熟悉和掌握相关配套零部件（如电机、液压马达、联轴器等）的结构设计，这在研发轻便型应急泵时尤为重要。应急泵密封腔密封设计往往需参考驱动机等内部结构设计。某系列应急泵为严格控制尺寸、重量，即采取潜水电机与泵体外壳一体式结构，其密封系统与电机结构设计连成一体。

（2）关于应急泵主要水力元件（包括叶轮、导叶、泵体）的水力性能研究是决定泵整机性能的关键。良好的水力设计是密封系统设计质量的基础。

水力性能研究CFD 方法在数模计算中采用不可压缩流体的连续方程和Navier－Stokes 方程来模拟水泵内部流场的流动状态。N-S 方程主要解决速度压力耦合问题，采用压力校正，可以得到压力场和速度场的收敛解。应急泵CFD 仿真可建立数学模型、几何物理模型，并对物理模型定义边界条件。

基于水力性能研究，应急泵整机结构设计关键在主要水力组件（如叶轮、导叶、泵体）的设计。根据应急泵水力设计、汽蚀性能、叶轮形式、轴向力平衡方式、轴承形式、驱动方式、吸入方式、装卸方式等方面的要求，进行应急泵的整机结构设计，包括应急泵密封设计。

（3）应急泵轴封腔尺寸按ANSI/API 610 第11 版《石油、石化和天然气工业用离心泵》标准要求设计。

（4）应急泵内部如设置有水冷夹套，应另做静水压强试验。

（5）叶轮一般应先后做静平衡、动平衡，静平衡精度一般按G6.3 级，动平衡精度一般按G2.5 级或G6.3级。

（6）泵盖刚度设计应有保障，以免刚度不够产生变形造成密封泄露。

2.2 加工质量保障

确保应急泵各零部件符合图纸设计要求。

2.3 总装质量保障

（1）机械密封是精度很高的机械部件，能否采用正确的安装方法，将直接影响其使用寿命和运行效果。安装前，应清洗机械密封，查看密封端面是否完好无损；安装过程中，应轻拿轻放。

（2）轴承在各类应急泵中广泛使用，轴承如不能正常运转，往往导致应急泵泄露，甚至伴随发生其他严重故障。应根据生产规模，规范轴承的清洗方式、装配工艺，配备必要的压装设备或热套设备、工具。

清洁度是轴承质量的重要指标之一，目前一般采用汽油或水基清洗剂手工刷洗，以免轴承粘附的微颗粒在工作中脱离，形成泄露隐患。轴承的压装质量直接影响应急泵轴承密封腔的密封质量。轴承与泵盖轴承体安装腔一般为过度配合，轴承压装到位较困难，压不到位、压偏现象，往往造成油封松动、摩擦，导致密封漏油。轴承的安装目前一般采用冷压法、温差法或温差法与冷压法结合。

（3）确保所采购的机封、O 形圈、油封、毡圈油封等密封元件均符合要求。

（4）应急泵与驱动机连接时应找正，常采用专用工装，借助百分表读数确定是否符合要求。如某款大流量应急泵泵轴与原动机轴同心度允许调动量为±0.3～0.5 mm。

（5）泵体螺母应对称均匀紧固。

（6）总装过程中应注意环境清洁。

2.4 操作维保

（1）操作者应基本了解所使用应急泵的类型、驱动方式、工作原理、结构，掌握基本的维护保养知识，熟悉操作及注意事项。

（2）工作过程中应注意观察应急泵有无异常振动和杂音。如振动过大或有明显杂音，应立即停泵检查。

（3）工作过程中应适时观察应急泵出水流量有无异常变化。

（4）应注意应急泵进水管路发生汽蚀时泵腔内水流量严重不足，甚至出现抽空现象，会造成机械密封摩擦副过度磨损，引发密封失效。

（5）定期检查应急泵润滑油液位有无异常或泄露、润滑油有无变质。工作过程中应留心观察应急泵有无润滑油泄露。

（6）工作过程中应适时观察液位，若应急泵取水区域液位低于规定最低水位，应停泵。液位过低时勉强运行会造成应急泵损坏。

（7）抽完海水或者排涝污水后，应及时用清水冲洗应急泵及泵管路。

（8）根据应急泵的类型、驱动方式等因素，设计详细的定期检修单，做好定期检修。应急泵的定期检修可以及时发现问题、及时修理，可最大限度延长应急泵使用寿命，且维修成本低。定期检修时，应重点关注机封、O 形圈、油封、毡圈油封、密封垫片、密封填料等质量状况，重点检查润滑油脂的品种、加注量是否合适或有无泄露，查看应急泵与驱动机的连接或应急泵地脚螺栓的连接是否紧固以及应急泵关键零件如泵轴、叶轮、密封口环、泵盖轴承体、轴承等有磨损、锈蚀、变形等。

3 结束语

远程大流量供排水、应急大流量排涝、森林消防、城市管网应急排水等领域对应急泵的性能参数、取水方式、驱动方式等需求都不尽相同，因此各类应急泵的整机结构设计包括密封系统的设计往往存在差异，然而密封的原理都是一样的。基于优良的水力设计前提，应急泵的密封系统由一种或多种密封元件组成，各密封元件本身的质量、对应的密封处结构设计质量、加工质量以及整机安装质量等最终构成应急泵密封系统质量。本文进行应急泵的密封系统设计及保障措施探讨即以密封系统的组成单元——密封元件及对应结构设计着手分析，并探讨了相关的保障措施，最终落实在实际工作中。笔者所在企业先后研制的某几系列应急泵分属不同类型，经过各地客户多次实战验证均可满足连续正常作业≥15 d，其密封性能的可靠、优异、稳定已在全国几十个城市得到充分验证并获得充分肯定。