郝 俊，張富美，楊智翔，榮 剛

（中廣核研究院有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

某綜合實驗臺架立式介質(zhì)輸送泵，運行停運后再次啟動前盤車檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子盤動較緊，盤動一周過程中有某處力矩較大，需要雙手才能盤動。外觀檢查發(fā)現(xiàn)集裝式干氣密封軸套上移，軸套上止動槽同集裝式干氣密封止動塊錯口約1.3 mm，止動塊無法插入止動槽中。拆卸軸套止動螺釘檢查，未見軸套移動痕跡?？紤]此偏差為安裝遺留，未做處理，泵繼續(xù)運行。啟停數(shù)次后，盤車力矩稍有增大。再次啟泵后，干氣密封外表面溫度在15 min 內(nèi)迅速升至50 ℃以上，且電機電流較往常高10%左右，判斷為干氣密封處有摩擦，需停泵解體處理。

1 泵用干氣密封機理

該泵所用干氣密封是廠家為該泵單獨設(shè)計的，為雙端面帶停車密封的集裝式干氣密封（圖1），其主體結(jié)構(gòu)與JB/T 11289—2012《干氣密封技術(shù)條件》中的DGS/C-B 雙端面干氣密封類似（圖2）[1]。

圖1 集裝式干氣密封結(jié)構(gòu)

圖2 DGS/C-B 雙端面干氣密封

圖1中，整個干氣密封分動、靜兩部分，轉(zhuǎn)動部分主要由動環(huán)、軸套、軸套緊固螺母及鎖緊螺釘、停車密封轉(zhuǎn)動部件及緊固螺釘、密封圈等部件組成，靜止部分主要由靜環(huán)、停車密封靜止部件、彈簧、集裝密封外殼體（包含靜環(huán)座）、緊固螺栓、密封圈等部件組成。在雙端面動環(huán)密封面上開設(shè)有動壓槽，以便在旋轉(zhuǎn)時通過流體動壓潤滑提升潤滑效果，減少動、靜環(huán)密封副摩擦。

泵的密封機理為通過覆蓋氣密封泵送介質(zhì)，再通過干氣密封密封覆蓋氣。泵在停運時從A 口通入氬氣，克服彈簧彈性力推動停車密封靜止部件上移，使密封圈與停車密封轉(zhuǎn)動部件密封面壓緊來實現(xiàn)密封，以防止覆蓋氣泄漏。泵啟動時，首先停止A 口進(jìn)氣，排出停車密封靜止部件下部的氬氣，停車密封靜止部件在彈簧彈性力的作用下下移，密封面分開，具備啟動條件。

啟動及正常運行時，從B 口通入氬氣，在雙端面動、靜摩擦副間形成潤滑冷卻氣膜，將動、靜環(huán)隔開，形成非接觸式密封。為防止泵送介質(zhì)顆粒隨著覆蓋氣從迷宮密封處上行進(jìn)入干氣密封，破壞動、靜密封面，從D 口引入吹掃氣。吹掃氣上行通過迷宮密封進(jìn)入干氣密封，下行通過迷宮密封進(jìn)入覆蓋氣腔。當(dāng)覆蓋氣腔壓力過高時，將通過手動打開閥門排放。

對比圖1、圖2，可知介質(zhì)輸送泵干氣密封與DGS/C-B 雙端面干氣密封主要區(qū)別在于：

（1）吹掃氣（圖2 中的前置氣）進(jìn)排氣位置變化。介質(zhì)輸送泵干氣密封進(jìn)氣為由迷宮密封處進(jìn)氣，由覆蓋氣腔間斷排氣。DGS/C-B 雙端面干氣密封為由獨立前置氣口進(jìn)氣，由迷宮密封處連續(xù)排氣。

（2）密封氣進(jìn)氣口位置變化。介質(zhì)輸送泵干氣密封進(jìn)氣口靠近介質(zhì)側(cè)密封靜環(huán)背側(cè)；DGS/C-B 雙端面干氣密封進(jìn)氣口更接近雙端面密封副中間。

2 解體檢查情況

解體干氣密封檢查，主要發(fā)現(xiàn)以下缺陷：

（1）介質(zhì)側(cè)動、靜環(huán)密封面磨損，靜環(huán)（材料為石墨）密封面磨損量0.02 mm 左右，動環(huán)（材料為碳化硅）密封面輕微磨損，流體動壓槽槽型完整（圖3）。

圖3 介質(zhì)側(cè)缺陷

（2）大氣側(cè)動、靜環(huán)密封面磨損，靜環(huán)（材料為石墨）密封面磨損量0.06 mm 左右，動環(huán)（材料為碳化硅）密封面磨損量0.01 mm 左右，流體動壓槽嚴(yán)重受損（圖4）。

圖4 大氣側(cè)缺陷

（3）停車密封彈簧傾倒，停車密封蓋與停車密封腔配合面輕微劃傷（圖5）。

圖5 停車密封缺陷

總體來看，干氣密封損壞主要集中在雙端面動、靜環(huán)密封面處，軸套、軸套鎖緊螺母、止動塊、壓緊套、彈簧座、推環(huán)等動、靜部件狀態(tài)基本良好可用。干氣密封內(nèi)的雜質(zhì)幾乎全為靜環(huán)密封面磨損產(chǎn)生的石墨粉末。

3 故障原因分析

根據(jù)干氣密封解體檢查情況，結(jié)合干氣密封結(jié)構(gòu)、密封機理以及介質(zhì)輸送泵運行情況，分析干氣密封故障原因。

3.1 安裝方面

干氣密封在泵出廠安裝過程中未采用集裝安裝，造成軸套相對上移，從而人為增加了大氣側(cè)動、靜環(huán)的閉合力，加大了動、靜環(huán)的摩擦，進(jìn)而加速了動、靜環(huán)密封面的磨損。當(dāng)磨損使動環(huán)側(cè)動壓槽接近消失時，流體動壓潤滑氣膜無法形成，動、靜環(huán)密封面潤滑冷卻快速失效，使干氣密封無法繼續(xù)運行。

3.2 運行方面

3.2.1 停車密封腔存壓造成彈簧傾倒

存在啟動泵前停用停車密封氣未及時或完全泄掉停車密封腔內(nèi)壓力的情況，造成啟動時停車密封靜止部件未與停車密封轉(zhuǎn)動部件完全脫開，隨干氣密封轉(zhuǎn)動部件共同轉(zhuǎn)動，造成停車密封彈簧傾倒。

3.2.2 頻繁啟停加速密封面磨損

由于實驗需要，泵的啟停比較頻繁，啟動及正常運行后泵軸向力的方向轉(zhuǎn)換及啟動時干氣密封潤滑冷卻氣膜形成不良，均會加速密封面磨損。

3.3 設(shè)計方面

3.3.1 閉合力設(shè)計過大

軸套上移增大了大氣側(cè)動、靜環(huán)閉合力，理論上介質(zhì)側(cè)動、靜環(huán)的閉合力將減小[2]。但本次拆檢發(fā)現(xiàn)介質(zhì)側(cè)的動、靜環(huán)在閉合力減小的情況下仍有明顯磨損，說明閉合力初始設(shè)計過大，這也是本次干氣密封磨損的可能原因。

3.3.2 進(jìn)氣口設(shè)計不合理

干氣密封密封氣進(jìn)氣口未正對雙端面密封，靠近介質(zhì)側(cè)靜環(huán)背側(cè)，可能影響動、靜密封面潤滑冷卻氣膜形成，特別是大氣側(cè)密封副氣膜形成，進(jìn)而加速動、靜環(huán)密封面的磨損。

吹掃氣設(shè)計為隨覆蓋腔壓力升高1～2 bar（1 bar=0.1 MPa）后間斷排放，而不是連續(xù)排放，可能對密封氣形成擾動，影響動、靜環(huán)密封面間的氣膜質(zhì)量。

3.3.3 停車密封結(jié)構(gòu)不合理

停車密封靜環(huán)設(shè)計不合理，未設(shè)置防轉(zhuǎn)動裝置，造成停車密封動、靜環(huán)未完全脫開時可隨動環(huán)轉(zhuǎn)動。同時，停車密封彈簧座孔設(shè)計深度不足，造成旋轉(zhuǎn)過程中彈簧傾倒。

4 解決措施及改進(jìn)建議

4.1 安裝方面

安裝過程中需盡量保持集裝方式安裝。安裝后松開止動塊后，應(yīng)檢查止動塊與止動槽無錯口，能夠正常插入。確保干氣密封轉(zhuǎn)動部分與靜止部分軸向相對位置正確，從而保證雙端面閉合力適當(dāng)。同時，軸套鎖緊螺母及止動螺釘均嚴(yán)格按力矩緊固，確保運行過程中不會因為松動造成軸套的軸向相對移動，進(jìn)而改變閉合力、加速密封面磨損。

4.2 運行方面

嚴(yán)格執(zhí)行運行規(guī)程，啟泵前確保停車密封氣停供，停車密封腔壓力卸至所需狀態(tài)。保證停車密封動、靜部分脫開。后續(xù)將改進(jìn)密封氣投運系統(tǒng)，由手動控制改進(jìn)為自動控制，減少人為造成的失誤。

4.3 設(shè)計方面

4.3.1 適當(dāng)減小閉合力

建議通過減少雙端面密封彈簧數(shù)量，或改進(jìn)靜環(huán)結(jié)構(gòu)、減少靜環(huán)背側(cè)面積的方式，改變彈簧力或載荷系數(shù)K，從而在整體上減小閉合力，減少動、靜環(huán)密封面的摩擦。

4.3.2 改進(jìn)進(jìn)氣口及吹掃管線

改進(jìn)運行密封氣進(jìn)氣口位置，使進(jìn)氣口正對動、靜環(huán)密封副，從而保證進(jìn)氣流速、壓力，提高動、靜環(huán)密封面間潤滑冷卻氣膜質(zhì)量。

改進(jìn)吹掃氣運行方式，保證連續(xù)吹掃，進(jìn)、排氣暢通，避免覆蓋氣腔壓力升高帶來的可能擾動。

4.3.3 優(yōu)化停車密封結(jié)構(gòu)

加深停車密封彈簧座孔深度，加強彈簧穩(wěn)定性。改進(jìn)停車密封靜止部件，增加導(dǎo)向槽，保證停車密封靜止部件軸向移動的同時，不能產(chǎn)生徑向轉(zhuǎn)動。

4.3.4 提升密封面材料性能

雖然按pV 值計算，現(xiàn)有密封副的材料可以滿足要求，但考慮到實驗用泵啟停比較頻繁，建議提高密封副材料的性能，如將靜環(huán)材料由石墨改為碳化鎢或浸漬石墨，以增強密封副的耐磨性能。