脫硫循環泵軸密封的研發和使用——新型自平衡密封研究報告

一、 寫在前面

　　目前，國內大部分脫硫循環泵的機械密封壽命在10~12個月左右，國外進口的循環泵，密封壽命相對長一些，也只能達到2年左右。我公司自2002年起，開始研發脫硫循環泵專用機械密封，至今已經過10個年頭。目前已研究出一種壽命能達2~5年的新型機械密封，得到了客戶的好評和認同。

　　在十年的研發和試驗過程中，由于經驗和知識的不足，經過了數百次的失敗，耗資近千萬元，得罪了數十家用戶，可以說是道路艱難和坎坷。但在很多客戶的長期支持下，在公司研發小組的長期努力下，經過各種不同工況的使用，對出現的各種問題的分析和總結，對密封結構和安裝方法的不斷改進，現已基本掌握了該密封的關鍵技術，也在相當一部分用戶的典型崗位取得了很好的使用效果。有的單位已連續運行三年尚未損壞，有的單位用該密封的泵與國外進口泵（價格高5倍）比較使用，6年后，進口泵停運了，我們的泵還在運行。至此，脫硫泵新型密封的開發已初告成功。現把研發、試用過程中的一些情況向用戶報告，目的在于：我們在推廣應用該技術的同時，也能為客戶帶來方便和利益。

　　二、密封設計的前提和方案

　　循環泵（例如脫硫、噴淋循環泵、凈化煙氣制酸循環泵）的工作要求，不僅要防腐、耐磨損（因為介質中有固相顆粒），還要長期連續運行，同時密封壽命還要長。泵的質量優劣，一般體現在使用壽命方面，尤其是第一次檢修周期的時間，是反映泵運行穩定性的一個重要標志。而決定首次檢修周期長短的決定性因素，80%以上為軸密封的首次泄漏周期，只要密封一泄漏，就要停機檢修。國內循環泵的首次檢修周期2~12個月不等，有少數時間會更長一點；進口循環泵的首次檢修周期一般會達2~3年左右。從這一指標角度，可以反映國產循環泵和進口循環泵的質量差異。因此，要提升循環泵的首期檢修周期，首要任務就是提高密封的使用壽命。要研發長壽命的循環泵，就應圍繞這個核心技術問題進行攻關。通過反復琢磨，我們逐步形成了一個獨特的軸密封設計方案。具體如下：

　　(一) 自平衡雙端面的設計結構

　　該密封的結構極為簡單(見圖一)

　　其主要結構在密封盒腔體中設置一個球形橡膠彈性圈(6)，頂推壓緊動靜環，球形圈(6)外側的腔體和泵腔內的液體相通，起到傳遞流體壓力和內冷卻(系統)的作用。由密封比壓調整環(10)與密封盒壓蓋(8)及限位螺絲(11)組合成的動靜環壓緊力調節系統，隨時都能對動靜環壓緊力進行調節。該密封成為結構簡單，密封結構中無金屬彈簧和其它金屬件，絕無腐蝕之慮，因此特別適用于有腐蝕性的介質輸送。工作原理科學，功能完備的組合式密封。

　　(二) 工作原理

　　2.1 密封壽命長的工作原理(見圖二)

　　泵機在運行時，葉輪背葉片(1)的離心作用使密封盒腔體(3)中壓力降至負壓狀態，受負壓的吸力作用，球形彈性圈徑向膨脹，軸向收縮作用于靜環的頂推力下降，動靜環之間的比壓降低，降低處于無壓接觸狀態下運行，只有很少的磨擦，磨損極少，因此密封壽命會很長，而其它鋼絲彈簧頂推的機封則無法達到這樣的效果(如果彈簧壓緊力低，則泵內壓力升高時流體外泄，若彈簧壓力增加，可防止高壓流體的外泄，但卻增加了動靜環的磨擦阻值，縮短了使用壽命，是一個很難處理的兩難選擇。)

　　2.2 開機不泄漏的工作原理(見圖二)

　　因為是內安裝式機械密封，動環(2)旋轉產生的離心力方向與液體的泄漏方向相反，液體受動環(2)離心力的排斥，不能外泄，加之密封部位的流體是負壓區，液體不會外泄。

　　2.3 停車時不泄漏的工作原理(見圖三)

　　停車時，葉輪停止旋轉，離心力功能失去泵腔內密封盒部位的流體(2)由負壓轉換為常壓或高壓(水錘的作用)，液體壓力對球形彈性體的外球面產生匯壓作用，使球體徑向收縮，軸向伸長頂推靜環的壓力增大，防止了液體外泄，可達到停車不泄漏的目的。

　　三、試制和試用

　　密封技術思路雖然比較完美，但畢竟是設計，是一種理想化狀態，效果如何？還是要靠實踐來證明。然而當我們在國內近百家用戶布點試用后，返回的結果卻是很不理想：密封磨損、密封泄漏、運行不正常、泵損壞之聲，不絕于耳。有的客戶甚至要退貨退款，維修大隊十二人在外維修猶如救火，春節也不能回來。我們對這些情況的出現，進行全面的反思和認真的分析，探求解決的方法。經過綜合分析，找到密封運行不正常的原因主要由以下幾個方面造成：

　　一是工作原理設計類的問題。主要體現在泵機運行時，泵進出口壓力場對密封產生影響，使密封部位空腔中的壓力變化波動過大，造成密封運行不穩定，解決的方法：改良設計，阻斷進出口壓力場的影響，改進后該缺點得以克服。

　　二是結構設計上的問題。其中有二個問題：一是球形鋼橡膠頂推圈鋼性不足，輸送液體在65℃以上就會變形、失效，這個問題好解決，增加強度和橡膠的耐溫性即可；二是動靜環松緊調節系統調節余量偏大，無標準刻度，操作人員難以掌握。造成調節不當，引起動靜環磨損開裂，解決的方法是減少調節余量，改變調節方式，把調節方式定量化，可操作化。此項改良也取得了好的效果。

　　三是密封組裝方法的問題。主要體現在動靜環壓緊力的松緊程度掌握無度，如果松了會漏液，如果緊了動靜環磨損，這個難點是試制過程中造成問題的主要原因。這一問題經過二年多的摸索，才得以解決。

　　四是使用方法問題。使用方法不當主要有空機起動運轉；停車后沉淀物料堵塞泵腔，堵死密封腔；起動前不進行盤車或點起動等，引起密封損壞。

　　五是使用工況不當引起的損壞。主要有以下幾種情況：一是高吸程崗位使用，吸程超高1米（該密封不適用于有吸程的崗位）；二是含固量超過30~40%（體積比）的崗位（該密封不用外接冷卻水，因此固體含量過高，對密封影響較大）；三是輸送介質與密封材料不匹配的崗位，例如氨法脫硫的崗位，要選耐氨的橡膠圈，否則使用壽命就不長。

　　通過前期近四年的努力，逐步找到了密封產生問題的成因，也同時找到了解決多種問題的方法。使得密封的制造和使用技術逐步成熟，客戶的滿意度也逐步提高，好消息不斷傳來。例如：

　　● 江西銅業有色集團公司6臺300UHB-Z-1200-26型泵，在80萬噸硫酸工程上循環運行，自2006年至今2011年11月，運行正常，中途只有少數泵更換過一次動靜環。

　　● 葫蘆島有色金屬集團公司，鉛鋅冶煉密閉鼓風爐環保技術改造工程，選用300FXB-Z-850-32（132KW-4）4臺和250FXB-Z-650-27（90KW-4）2臺，05年采購，06年起用至今2011年11月，運行良好，中途換過一次密封，一次泵殼。用戶反映滿意。

　　● 葫蘆島有色金屬集團公司硫酸廠二氧化硫減排109項目改造，用350FXB-Z-1200-32（160KW-4）、300FXB-Z-800-27（132KW-4）2臺、用至2011年11月時，運行情況很好。用戶滿意。

　　● 安徽銅陵金龍有色金屬公司，煙氣制酸改造工程選用2臺300UHB-Z-1000-32（160KW-4）型泵與進口的4臺同參數泵比較使用至今，進口泵已停運多時，而所選2臺自平衡密封泵運行正常，使用6年，中途更換一次備件。

　　● 河南開祥化工集團，自備熱電脫硫工程，2臺300UHB-Z-800-20（110KW-4），08年用至現在2011年11月，運行正常。

　　● 東方希望包頭稀土鋁業有限責任公司自備電廠，所選6臺500UHB-ZK-2800-24（375KW-8）脫硫循環泵，（3備3用），在崗位運行的泵，至今尚正常運行，09年因葉輪變形整修過二次，葉輪改進后運行正常，密封完好。

　　● 山西晉豐環保工程有限公司經辦的山西襄垣縣誠豐電力有限公司2×50MW發電廠脫硫工程，3臺400UHB-Z-2000-19（355M2-6）型泵，2007年運行至今，僅換過一次密封，4年來一直運行正常。

　　● 還有奇怪的是廣州市梅山熱電廠脫硫工程2005年選用2臺250UHB-Z-500-32（90KW-4）型泵，調試階段3個月，損壞過數十次，使用方執意退貨，后來發現損壞的原因是球形橡膠不耐其氨法脫硫的介質所至，后改進橡膠材質后，一直使用至今，已有6年，尚正常運行。

　　成功的案例很多，滿意的客戶也很多，但失敗的例子也不少，針對這些情況，我們進行了反復的論證和總結，不斷改進、不斷試驗、不斷總結、不斷提升，經過數年的改進，使得該密封的質量性能大幅度提升，得到了客戶的好評，客戶回頭率大幅度提高。

　　四、優點和禁忌

　　經過國內數千個工作崗位的多年運行，經過總結分析，我們認為確實有很多其它類型的密封無法比較的優點，其主要優點有：

　　1. 密封無腐蝕之憂：因為整體密封無金屬件，無金屬彈簧，無金屬彈簧被腐蝕，引起彈簧失效，進而引起密封失效的憂慮。而事實上大部分機封壽命只有6~12個月左右，其主要原因為彈簧被腐蝕而影響動靜環的壓緊力，進而造成軸密封失效。而在本技術的密封上，不存在以上隱患。

　　2. 密封壽命長：原因在于密封的結構合理和工作原理的科學，能利用泵體的壓力調節動靜環之間的比壓，使磨損控制在最小的范圍，實踐證明：在流體壓力變化不大的崗位長期運行，密封壽命可以長達3~5年。這也是其它結構的密封無法相比的。

　　3. 維修方便：因該密封獨特的結構，密封維修時，組合件動環、靜環和球形圈均可以從葉輪端取出，不需要拆卸泵殼，即可修復密封，這種結構，對大型泵（300mm進口以上）的修理十分方便，這也是其它機械密封不能比較的優點。

　　4. 克服了傳統密封靜環和靜環座之間的卡砂問題，原有機封均有靜環和靜環座（見右圖），靜環靠靜環座固定，靜環和靜環座之間有“O”形圈密封，也同時存在著間隙，就是這間隙里，很容易淀積固相物料或卡砂。進而卡死靜環的軸向伸縮，使靜環變成“死”靜環，從而導致密封失效，這是傳統內裝式機封的固有的弱點，輸送帶顆粒物料的泵，這種缺點猶為突出。而本技術的密封結構中的靜環是不設置靜環座的，因此不存在卡砂之憂。

　　5. 結構極其簡單：密封全部組件只有動環、靜環、橡膠鼓、密封盒四件（見下圖），而常規機械密封則除動環、靜環外，還有“O”型圈、靜環座、彈簧、頂圈、防水密封圈、緊固件等數十種備件。由于結構極其簡單，因此方便了拆裝、維修和備件管理。確實應證了所謂“簡單就是科學”的道理。

　　Z型密封以上的數項優點，也是該密封在市場的優勢，確是其它類型密封無法比擬的優勢。該密封的長處，已給先期應用的用戶帶去了實實在在的利益，今后或許也能給我們的準客戶帶來替在的利益。

　　雖然該密封有諸多的優點，但也確實存在著有些崗位不適用的情況，必須限止選用，例如：

　　1. 該密封不適用于有吸程的崗位。進口流體低于泵吸入口1米以上。
　　2. 不適用于含固量超過20%崗位（體積比）。
　　3. 不適用于輸送壓力超過0.5MPa的崗位。
　　4. 不適用于硫酸濃度超過75%，硝酸濃度超過25%，和強腐蝕溶劑的崗位。
　　5. 不適用于輸送介質溫度超過90℃的崗位。

　　以上不適用的工況，請用戶選型時認真關注，以免引起不良后果。

　　五、體會和小結

　　道路是曲折的，前途是光明的！

　　Z型密封的開發研制過程和發展前途可以借用“道路是曲折的，前途是光明的”這句話來概括，因為，十年研發的歷程給我們帶來了艱辛、困惑、困苦和大量的財力消耗，可謂道路曲折漫長。所謂“前途光明”是現在已找到了問題的原因，基本掌握了關鍵技術，成功使用的客戶越來越多，客戶回頭率大幅上升，前景看好，或許今后能成為循環泵的主流密封。

　　感謝支持者和致歉受害者：在研發過程中，我們曾得眾多的脫硫工程用戶和硫酸工程用戶的熱情支持和協助，我們借發表此文之際，表示衷心的感謝和致意。同時對在漫長的試驗過程中，熱情地協助我們，但卻帶來了不少麻煩和一定的經濟損失，我們表示誠摯的歉意，只能說聲對不起！現在產品已改良完善，如再想合作，我們不僅歡迎，還會提供優惠的措施和熱情的服務。

　　六、知識產權情況的匯報

　　本密封技術涉及的專利：200420027853.6、200420027854.0、200430108688.2有三項專利在申請和審批過程中。

　　以上試制情況，特此報告！