□付子龍 □陳 琦 □彭俊華

上海凱士比泵有限公司 上海 200245

蜂窩式密封環(huán)的優(yōu)點及加工制造概述

□付子龍 □陳 琦 □彭俊華

上海凱士比泵有限公司 上海 200245

闡述密封環(huán)的概念與分類，并對各種密封環(huán)的結構與性能參數(shù)進行比較分析，以體現(xiàn)蜂窩式密封環(huán)的設計優(yōu)勢。介紹蜂窩式密封環(huán)的加工制造過程，包括電極材料與設備的選擇、工裝的優(yōu)化、加工制造及裝配工藝等。

目前，活躍在國內(nèi)600 MW全容量機組和1 000 MW及以上半容量或全容量機組市場上，具有專業(yè)生產(chǎn)高壓鍋爐給水泵的廠家?guī)缀蹙鶠橥赓Y企業(yè)。其中，中德合資的上海凱士比泵有限公司、瑞士獨資的蘇州蘇爾壽泵業(yè)有限公司和日本獨資的荏原機械淄博有限公司三家的市場份額占到90%以上。國內(nèi)龍頭企業(yè)主要是上海電力修造廠、沈陽鼓風機集團股份有限公司兩家，占據(jù)了相對小容量機組的一半以上份額。在民營企業(yè)中，有能力制造大功率高壓鍋爐給水泵的廠家日益增多，如上海凱泉泵業(yè)(集團)有限公司、沈陽工業(yè)泵制造有限公司等。市場競爭日益激烈，在節(jié)能減排的大環(huán)境下，提高鍋爐給水泵的效率已成為關鍵指標之一。采用蜂窩式殼體密封環(huán)的設計是提高效率的重要措施之一，筆者針對三種結構形式的殼體密封環(huán)，參考不同品牌廠家的產(chǎn)品設計特點進行比較分析。蜂窩式密封環(huán)的發(fā)展是一個跨領域和技術創(chuàng)新的過程，最初的設計只是應用于氣封，隨著高參數(shù)、大容量機組的發(fā)展，鍋爐給水泵的應用要求也隨之提高[1]，進而為這種特殊結構設計的推廣提供了空間。國外的相關應用證明了蜂窩式密封環(huán)的優(yōu)良性能。

1 殼體密封環(huán)簡介

密封環(huán)也稱耐磨環(huán)、口環(huán)，一般應用于離心泵的葉輪和殼體上，通過騎縫螺釘固定，分為葉輪密封環(huán)和殼體密封環(huán)兩類。有的離心泵設計為兩個環(huán)同時存在，有的設計只有殼體密封環(huán)[2]。筆者研究對象為只有殼體密封環(huán)的鍋爐給水泵，其材料為德國進口的鍛造棒料。密封環(huán)的主要作用是防止葉輪出口端介質(zhì)因自身壓力大于進口處壓力而倒流回葉輪進口端，即起密封作用，同時也起到耐磨的作用，避免殼體損壞。在應用進口材料保證良好耐磨性能的基礎上，采用蜂窩式殼體密封環(huán)的設計，并應用在大功率、高轉速鍋爐給水泵上，可以減小泵內(nèi)部的容積損失，從而在一定程度上提高泵的效率。

殼體密封環(huán)的整體結構形狀多種多樣，根據(jù)內(nèi)表面的設計形狀可分為三種形式：光滑表面一般結構密封環(huán)、環(huán)形槽表面結構密封環(huán)和蜂窩式表面特殊結構密封環(huán)，如圖1所示。

圖1 密封環(huán)結構分類

光滑表面式的密封環(huán)幾乎可以應用于所有的離心泵，它的優(yōu)點是通用性強、易加工、成本低。蘇爾壽、荏原及其它國內(nèi)品牌的鍋爐給水泵都采用此結構設計。為提高密封環(huán)表面硬度，防止咬合，通常采用鍍鉻、激光硬化和堆焊硬質(zhì)合金等工藝進行后處理，但采用鍍鉻后，脫鉻現(xiàn)象頻繁，尤其是在加氧處理的工況下，腐蝕性加劇，脫鉻嚴重；采用激光硬化時，硬化深度有限；采用堆焊硬質(zhì)合金則易變性?？梢姼鶕?jù)實際應用經(jīng)驗和對比研究，硬化工藝的應用尚未成熟，仍待完善。環(huán)形槽式結構的密封環(huán)主要應用于要求相對較高和美國石油協(xié)會（API）石油化工標準領域的特殊介質(zhì)工況，其優(yōu)點是可以適應一些特殊的介質(zhì)，雖然多一道加工槽的工序，但工藝簡單，切實可行。凱士比的小容量鍋爐給水泵、部分API標準用泵，以及沈陽鼓風機集團部分特殊領域用泵都采用此結構。采用蜂窩式密封環(huán)設計時，無需額外的硬化工藝，凱士比將其應用于600 MW以上的鍋爐給水泵產(chǎn)品。

2 蜂窩式殼體密封環(huán)的優(yōu)勢

相比前兩種結構的密封環(huán),蜂窩式密封環(huán)具有一定的優(yōu)點。由于具有特殊的蜂窩狀表面，密封環(huán)實際上是一種類似蜂窩狀的四邊形腔體，接觸磨損的不再是一個整體的面，而是蜂窩形狀的輪廓線，一旦葉輪進口外圓與密封環(huán)內(nèi)表面發(fā)生磨損，其磨損可以控制在最小的接觸面積范圍內(nèi)，起到防咬合的作用，如圖2所示。

圖2 蜂窩式密封環(huán)示意圖

鑒于蜂窩式密封環(huán)優(yōu)良的性能，可以經(jīng)過設計計算減小間隙尺寸,實現(xiàn)密封環(huán)與葉輪單邊間隙(S1/2)的最小化，從而控制泄漏量[3]。如圖3及表1所示，筆者研究的鍋爐給水泵對應的水力模型為7+7S，對應的間隙范圍值S1/2=0.15～0.175 mm，相比光滑表面式密封環(huán)的間隙值大大縮小。

在鍋爐給水泵正常運行時，密封環(huán)內(nèi)表面的每一個小腔體都充滿了介質(zhì)，在葉輪高速旋轉時，流體旋轉產(chǎn)生的表面張力會阻礙從葉輪出口回流至葉輪進口的部分流體，進而也阻礙了一部分泄漏量的產(chǎn)生，如圖4所示。

圖3 蜂窩式密封環(huán)和葉輪尺寸間隙示意圖

表1 密封環(huán)和葉輪尺寸間隙數(shù)值表

圖4 密封環(huán)泄漏量示意圖

此外，蜂窩式密封環(huán)有助于增強轉子的穩(wěn)定性，提高效率并延長使用壽命。由于與介質(zhì)接觸的密封環(huán)內(nèi)表面存在較多的小腔體，給水泵對介質(zhì)中雜質(zhì)顆粒的敏感度明顯降低[4]。

3 殼體密封環(huán)的性能比較分析

對于三種常見結構的密封環(huán)而言，如果與葉輪的幾何間隙尺寸逐漸縮小，那么泄漏量也會變小。在強度方面，蜂窩式密封環(huán)有著與普通密封環(huán)一樣的性能[5]。性能參數(shù)量化的數(shù)值比較見表2。

4 蜂窩式密封環(huán)的加工制造

蜂窩式密封環(huán)的加工無法通過普通的機械加工設備來實現(xiàn)，而是需要一種相對特殊的電火花腐蝕加工設備——火花機，并結合密封環(huán)結構特性進行設備改進設計，使之成為加工蜂窩式密封環(huán)的專用設備?；鸹C在離心泵行業(yè)的應用雖然不如一般機床普遍，但在國內(nèi)也已經(jīng)發(fā)展為一種相當成熟的加工機械，尤其是在要求相對較高的汽車、機器人制造和航空領域，應用更為廣泛[6]。

通過編程軟件Master CAM提前完成工藝的設定，加工速度相對于一般車削加工而言不高。只要定位調(diào)試完成，導入既定程序到操作系統(tǒng)，即可實現(xiàn)無人自動化操作，人力成本較低。電火花加工的基本原理工序為：浸沒在絕緣液中的兩個導電體（電極和工件）與一個可開關的直流電源相連；當電源打開時，在電極與工件之間會產(chǎn)生電壓；將電極與工件之間的距離縮小到一定程度時，會產(chǎn)生電壓放電，形成火花；火花擊中之處，大量的熱將金屬融化；無數(shù)這樣的火花一個接一個不間斷出現(xiàn)，就形成了一種特殊的加工方法。有效的放電加工大約需要每秒幾十萬個火花，這樣才可以將材料切割為需要的形狀，加工現(xiàn)場如圖5所示。

表2 密封環(huán)性能比較

4.1 電極材料的選擇及加工

圖5 火花機加工現(xiàn)場

在電火花成型加工過程中，使用一個三維電極來形成所需的工件形狀。通過X、Y、Z、C軸的疊加運動，可以加工出蜂窩式表面的形狀，這是其它加工方法所無法達到的加工效果。與工件表面形狀子母配合的電極作為其中一個導電體，在加工程序中設定相應的規(guī)格尺寸，設備將自動控制電極與工件之間的距離，產(chǎn)生電壓，釋放電流，實現(xiàn)放電，達到產(chǎn)品要求的形狀?？梢?，電極材料的選擇至關重要，電極是一種消耗品，經(jīng)反復試驗摸索，選用日本東洋碳素生產(chǎn)的一種等靜壓電火花加工專用石墨，這樣效果最佳。其它國際知名產(chǎn)品，如法國美爾森的E+60型號，也屬于電火花加工頂級石墨，但由于蜂窩式密封環(huán)形狀尺寸的特殊性，致使石墨頂尖部位放電尤其集中、強度大，且放電過程中容易出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，易損壞工件，故非最佳選擇。對于其它一般的電火花加工石墨，由于放電率低，導致電極損耗大，不適用于蜂窩狀表面的加工。對于電極的使用壽命周期，一般12～16 h更換一次，每完成一個密封環(huán)的加工需耗用一個電極。分15單元（小段）進行放電加工，每完成一個單元的加工，將自動進入下一個單元的加工，直至最后一個單元與第一個單元的無縫銜接。根據(jù)經(jīng)驗，針對每種規(guī)格的零件，編程時都需做略微的調(diào)整，才能做到精確對接，完成之后即可更換新的電極。

電極材料選定后，石墨材質(zhì)硬而脆的特性決定了電極的加工也是一個重要環(huán)節(jié)[7]。高速加工中心（CNC）的主軸轉速要求在20 000 r/min以上，且使用金剛石涂層D0.5的銑刀，既可以避免對刀具的損壞，又可以減小對刀具的磨損。為便于快速有效地實際操作，經(jīng)過模塊化設計改進，通過一個量身定做的把柄將電極固定在高精度定位儀的夾具上，實現(xiàn)電極的定位，每次安裝、拆卸，只需將固定好電極的把柄卡在定位儀的夾具上即可，無需調(diào)整，實現(xiàn)了快速準確定位，如圖6所示。

圖6 電極定位把柄

在加工石墨電極時使用定位把柄，直接卡在電極供應商的電極加工設備上，即可完成定位。模塊化設計在不同設備上的無縫切換，確保了后續(xù)蜂窩式密封環(huán)的加工精度。石墨在粗加工時，銑刀直接在工件上下刀即可。精加工時，為避免崩角和碎裂的發(fā)生，采用輕刀快走的加工方式，這樣還會獲得較好的側壁表面質(zhì)量。同時，石墨電極在加工時會產(chǎn)生部分灰塵，為避免灰塵滲入到機床的導軌絲桿和主軸等核心零件處，需配置石墨加工機床石墨灰塵處理裝置，從而保證機床的密封性，避免石墨中毒[8]。

電極雖為外協(xié)加工，但作為保證零件加工精度最重要的一個環(huán)節(jié)，必須嚴格檢驗，保證質(zhì)量，并經(jīng)過相關的物理特性測試報告。

4.2 設備的選擇及相關事宜

火花機選用臺灣群基精密工業(yè)(蘇州)有限公司的CNC400T型火花機，如圖7所示。考慮到蜂窩式密封環(huán)的結構特點，根據(jù)額外的特殊要求，設計制作了專用的可旋轉工作臺[9]，并升級選配了電極專用高精度快速定位模塊（快速定位精度5 μm）來提高定位精度，從而保證了電極能夠快速準確地與密封環(huán)的內(nèi)表面在每一小段的圓周上保持一定的距離。融入了泵產(chǎn)品設計的理念和要求，CNC400T型火花機成為蜂窩式密封環(huán)專用加工設備。

圖7 CNC400T型火花機

與國外泵行業(yè)采用電火花加工蜂窩式密封環(huán)的工藝相比，筆者的研究與改進大大降低了加工成本。據(jù)估算，國外四軸聯(lián)動的火花機價格約折合200萬元人民幣，而高精度快速定位模塊的價格約折合20萬元人民幣。對于本研究中的鍋爐給水泵用蜂窩式密封環(huán)，加工工時為14 h，縮短了一半多的工時。在德國加工一個同等尺寸的蜂窩式密封環(huán)需要28 h，主要原因是四軸聯(lián)動固然智能，但對于特殊的電火花加工工藝，需要調(diào)整的參數(shù)項過多，反而影響了加工速度[10]。良好的技術加上合理的性價比，大大提升了鍋爐給水泵在能源領域的競爭力。

絕緣液選擇使用殼牌萬安EDM110絕緣液，具備高閃點、快速沖洗切屑、氣味極淡及放電加工極快等優(yōu)點，其詳細參數(shù)為：運動黏度在40℃時為2.4 mm2/s,密度在20℃時為0.792 kg/m3，開口閃點為103℃，3 h銅腐蝕試驗在100℃時為1 a，芳烴含量為0.1%，外觀無色。

5 蜂窩式密封環(huán)的裝配

在進行整泵的裝配前，必須完成蜂窩式密封環(huán)和中段的預裝配。先將密封環(huán)鑲在中段的內(nèi)圓上，再用騎縫螺釘固定，如圖8所示。然后將預裝配好的中段放在磨床上磨內(nèi)圓，以達到所要求的同軸度和表面粗糙度等各項指標，如圖9所示。

圖8 蜂窩式密封環(huán)的裝配

圖9 預裝配后磨內(nèi)圓工序

6 結論

筆者研究的鍋爐給水泵配置了結構特殊的蜂窩式殼體密封環(huán)，可選用不同的水力模型，每種水力模型通過配置蜂窩式密封環(huán)結構都會使效率得到一定的提高。此次研究項目選用水力模型7+7S，在常溫冷卻水試驗時，效率能夠提高0.8個百分點。在現(xiàn)場運行時，經(jīng)過暖泵后，效率提高可達1.1個百分點。效率提高情況見表3。

表3 鍋爐給水泵效率提高情況

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The concept and classification of the seal ring were elaborated with comparative analysis on the structure and performance parameters of a variety of seal ring in order to reflect the design advantages of the beehive seal ring.Also described the manufacturing process of the beehive seal ring including the selection of electrode material and equipment,optimized tooling,manufacturing and assembly processes etc.

鍋爐給水泵；蜂窩式密封環(huán)；制造

Boiler Feed Pump；Beehive SealRing；Manufacture

TH113.1

B

1672-0555（2016）04-021-05

2016年5月

付子龍（1979—），男，碩士，工程師，主要從事產(chǎn)品管理工作