脫硫循環(huán)泵軸密封的研發(fā)和使用——新型自平衡密封研究報(bào)告

一、 寫在前面

　　目前，國內(nèi)大部分脫硫循環(huán)泵的機(jī)械密封壽命在10~12個(gè)月左右，國外進(jìn)口的循環(huán)泵，密封壽命相對(duì)長一些，也只能達(dá)到2年左右。我公司自2002年起，開始研發(fā)脫硫循環(huán)泵專用機(jī)械密封，至今已經(jīng)過10個(gè)年頭。目前已研究出一種壽命能達(dá)2~5年的新型機(jī)械密封，得到了客戶的好評(píng)和認(rèn)同。

　　在十年的研發(fā)和試驗(yàn)過程中，由于經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的不足，經(jīng)過了數(shù)百次的失敗，耗資近千萬元，得罪了數(shù)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(fā)小組的長期努力下，經(jīng)過各種不同工況的使用，對(duì)出現(xiàn)的各種問題的分析和總結(jié)，對(duì)密封結(jié)構(gòu)和安裝方法的不斷改進(jìn)，現(xiàn)已基本掌握了該密封的關(guān)鍵技術(shù)，也在相當(dāng)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(xù)運(yùn)行三年尚未損壞，有的單位用該密封的泵與國外進(jìn)口泵（價(jià)格高5倍）比較使用，6年后，進(jìn)口泵停運(yùn)了，我們的泵還在運(yùn)行。至此，脫硫泵新型密封的開發(fā)已初告成功。現(xiàn)把研發(fā)、試用過程中的一些情況向用戶報(bào)告，目的在于：我們?cè)谕茝V應(yīng)用該技術(shù)的同時(shí)，也能為客戶帶來方便和利益。

　　二、密封設(shè)計(jì)的前提和方案

　　循環(huán)泵（例如脫硫、噴淋循環(huán)泵、凈化煙氣制酸循環(huán)泵）的工作要求，不僅要防腐、耐磨損（因?yàn)榻橘|(zhì)中有固相顆粒），還要長期連續(xù)運(yùn)行，同時(shí)密封壽命還要長。泵的質(zhì)量?jī)?yōu)劣，一般體現(xiàn)在使用壽命方面，尤其是第一次檢修周期的時(shí)間，是反映泵運(yùn)行穩(wěn)定性的一個(gè)重要標(biāo)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(jī)檢修。國內(nèi)循環(huán)泵的首次檢修周期2~12個(gè)月不等，有少數(shù)時(shí)間會(huì)更長一點(diǎn)；進(jìn)口循環(huán)泵的首次檢修周期一般會(huì)達(dá)2~3年左右。從這一指標(biāo)角度，可以反映國產(chǎn)循環(huán)泵和進(jìn)口循環(huán)泵的質(zhì)量差異。因此，要提升循環(huán)泵的首期檢修周期，首要任務(wù)就是提高密封的使用壽命。要研發(fā)長壽命的循環(huán)泵，就應(yīng)圍繞這個(gè)核心技術(shù)問題進(jìn)行攻關(guān)。通過反復(fù)琢磨，我們逐步形成了一個(gè)獨(dú)特的軸密封設(shè)計(jì)方案。具體如下：

　　(一) 自平衡雙端面的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

　　該密封的結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單(見圖一)

　　其主要結(jié)構(gòu)在密封盒腔體中設(shè)置一個(gè)球形橡膠彈性圈(6)，頂推壓緊動(dòng)靜環(huán)，球形圈(6)外側(cè)的腔體和泵腔內(nèi)的液體相通，起到傳遞流體壓力和內(nèi)冷卻(系統(tǒng))的作用。由密封比壓調(diào)整環(huán)(10)與密封盒壓蓋(8)及限位螺絲(11)組合成的動(dòng)靜環(huán)壓緊力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，隨時(shí)都能對(duì)動(dòng)靜環(huán)壓緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)。該密封成為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封結(jié)構(gòu)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(zhì)輸送。工作原理科學(xué)，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(jī)在運(yùn)行時(shí)，葉輪背葉片(1)的離心作用使密封盒腔體(3)中壓力降至負(fù)壓狀態(tài)，受負(fù)壓的吸力作用，球形彈性圈徑向膨脹，軸向收縮作用于靜環(huán)的頂推力下降，動(dòng)靜環(huán)之間的比壓降低，降低處于無壓接觸狀態(tài)下運(yùn)行，只有很少的磨擦，磨損極少，因此密封壽命會(huì)很長，而其它鋼絲彈簧頂推的機(jī)封則無法達(dá)到這樣的效果(如果彈簧壓緊力低，則泵內(nèi)壓力升高時(shí)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(dòng)靜環(huán)的磨擦阻值，縮短了使用壽命，是一個(gè)很難處理的兩難選擇。)

　　2.2 開機(jī)不泄漏的工作原理(見圖二)

　　因?yàn)槭莾?nèi)安裝式機(jī)械密封，動(dòng)環(huán)(2)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力方向與液體的泄漏方向相反，液體受動(dòng)環(huán)(2)離心力的排斥，不能外泄，加之密封部位的流體是負(fù)壓區(qū)，液體不會(huì)外泄。

　　2.3 停車時(shí)不泄漏的工作原理(見圖三)

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

　　三、試制和試用

　　密封技術(shù)思路雖然比較完美，但畢竟是設(shè)計(jì)，是一種理想化狀態(tài)，效果如何？還是要靠實(shí)踐來證明。然而當(dāng)我們?cè)趪鴥?nèi)近百家用戶布點(diǎn)試用后，返回的結(jié)果卻是很不理想：密封磨損、密封泄漏、運(yùn)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(duì)十二人在外維修猶如救火，春節(jié)也不能回來。我們對(duì)這些情況的出現(xiàn)，進(jìn)行全面的反思和認(rèn)真的分析，探求解決的方法。經(jīng)過綜合分析，找到密封運(yùn)行不正常的原因主要由以下幾個(gè)方面造成：

　　一是工作原理設(shè)計(jì)類的問題。主要體現(xiàn)在泵機(jī)運(yùn)行時(shí)，泵進(jìn)出口壓力場(chǎng)對(duì)密封產(chǎn)生影響，使密封部位空腔中的壓力變化波動(dòng)過大，造成密封運(yùn)行不穩(wěn)定，解決的方法：改良設(shè)計(jì)，阻斷進(jìn)出口壓力場(chǎng)的影響，改進(jìn)后該缺點(diǎn)得以克服。

　　二是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的問題。其中有二個(gè)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(huì)變形、失效，這個(gè)問題好解決，增加強(qiáng)度和橡膠的耐溫性即可；二是動(dòng)靜環(huán)松緊調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)余量偏大，無標(biāo)準(zhǔn)刻度，操作人員難以掌握。造成調(diào)節(jié)不當(dāng)，引起動(dòng)靜環(huán)磨損開裂，解決的方法是減少調(diào)節(jié)余量，改變調(diào)節(jié)方式，把調(diào)節(jié)方式定量化，可操作化。此項(xiàng)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(xiàn)在動(dòng)靜環(huán)壓緊力的松緊程度掌握無度，如果松了會(huì)漏液，如果緊了動(dòng)靜環(huán)磨損，這個(gè)難點(diǎn)是試制過程中造成問題的主要原因。這一問題經(jīng)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(dāng)主要有空機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；停車后沉淀物料堵塞泵腔，堵死密封腔；起動(dòng)前不進(jìn)行盤車或點(diǎn)起動(dòng)等，引起密封損壞。

　　五是使用工況不當(dāng)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(duì)密封影響較大）；三是輸送介質(zhì)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(chǎn)生問題的成因，也同時(shí)找到了解決多種問題的方法。使得密封的制造和使用技術(shù)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(yè)有色集團(tuán)公司6臺(tái)300UHB-Z-1200-26型泵，在80萬噸硫酸工程上循環(huán)運(yùn)行，自2006年至今2011年11月，運(yùn)行正常，中途只有少數(shù)泵更換過一次動(dòng)靜環(huán)。

　　● 葫蘆島有色金屬集團(tuán)公司，鉛鋅冶煉密閉鼓風(fēng)爐環(huán)保技術(shù)改造工程，選用300FXB-Z-850-32（132KW-4）4臺(tái)和250FXB-Z-650-27（90KW-4）2臺(tái)，05年采購，06年起用至今2011年11月，運(yùn)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(tuán)公司硫酸廠二氧化硫減排109項(xiàng)目改造，用350FXB-Z-1200-32（160KW-4）、300FXB-Z-800-27（132KW-4）2臺(tái)、用至2011年11月時(shí)，運(yùn)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(tái)300UHB-Z-1000-32（160KW-4）型泵與進(jìn)口的4臺(tái)同參數(shù)泵比較使用至今，進(jìn)口泵已停運(yùn)多時(shí)，而所選2臺(tái)自平衡密封泵運(yùn)行正常，使用6年，中途更換一次備件。

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

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

　　● 山西晉豐環(huán)保工程有限公司經(jīng)辦的山西襄垣縣誠豐電力有限公司2×50MW發(fā)電廠脫硫工程，3臺(tái)400UHB-Z-2000-19（355M2-6）型泵，2007年運(yùn)行至今，僅換過一次密封，4年來一直運(yùn)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(tái)250UHB-Z-500-32（90KW-4）型泵，調(diào)試階段3個(gè)月，損壞過數(shù)十次，使用方執(zhí)意退貨，后來發(fā)現(xiàn)損壞的原因是球形橡膠不耐其氨法脫硫的介質(zhì)所至，后改進(jìn)橡膠材質(zhì)后，一直使用至今，已有6年，尚正常運(yùn)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(duì)這些情況，我們進(jìn)行了反復(fù)的論證和總結(jié)，不斷改進(jìn)、不斷試驗(yàn)、不斷總結(jié)、不斷提升，經(jīng)過數(shù)年的改進(jìn)，使得該密封的質(zhì)量性能大幅度提升，得到了客戶的好評(píng)，客戶回頭率大幅度提高。

　　四、優(yōu)點(diǎn)和禁忌

　　經(jīng)過國內(nèi)數(shù)千個(gè)工作崗位的多年運(yùn)行，經(jīng)過總結(jié)分析，我們認(rèn)為確實(shí)有很多其它類型的密封無法比較的優(yōu)點(diǎn)，其主要優(yōu)點(diǎn)有：

　　1. 密封無腐蝕之憂：因?yàn)檎w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(jìn)而引起密封失效的憂慮。而事實(shí)上大部分機(jī)封壽命只有6~12個(gè)月左右，其主要原因?yàn)閺椈杀桓g而影響動(dòng)靜環(huán)的壓緊力，進(jìn)而造成軸密封失效。而在本技術(shù)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(jié)構(gòu)合理和工作原理的科學(xué)，能利用泵體的壓力調(diào)節(jié)動(dòng)靜環(huán)之間的比壓，使磨損控制在最小的范圍，實(shí)踐證明：在流體壓力變化不大的崗位長期運(yùn)行，密封壽命可以長達(dá)3~5年。這也是其它結(jié)構(gòu)的密封無法相比的。

　　3. 維修方便：因該密封獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，密封維修時(shí)，組合件動(dòng)環(huán)、靜環(huán)和球形圈均可以從葉輪端取出，不需要拆卸泵殼，即可修復(fù)密封，這種結(jié)構(gòu)，對(duì)大型泵（300mm進(jìn)口以上）的修理十分方便，這也是其它機(jī)械密封不能比較的優(yōu)點(diǎn)。

　　4. 克服了傳統(tǒng)密封靜環(huán)和靜環(huán)座之間的卡砂問題，原有機(jī)封均有靜環(huán)和靜環(huán)座（見右圖），靜環(huán)靠靜環(huán)座固定，靜環(huán)和靜環(huán)座之間有“O”形圈密封，也同時(shí)存在著間隙，就是這間隙里，很容易淀積固相物料或卡砂。進(jìn)而卡死靜環(huán)的軸向伸縮，使靜環(huán)變成“死”靜環(huán)，從而導(dǎo)致密封失效，這是傳統(tǒng)內(nèi)裝式機(jī)封的固有的弱點(diǎn)，輸送帶顆粒物料的泵，這種缺點(diǎn)猶為突出。而本技術(shù)的密封結(jié)構(gòu)中的靜環(huán)是不設(shè)置靜環(huán)座的，因此不存在卡砂之憂。

　　5. 結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單：密封全部組件只有動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、橡膠鼓、密封盒四件（見下圖），而常規(guī)機(jī)械密封則除動(dòng)環(huán)、靜環(huán)外，還有“O”型圈、靜環(huán)座、彈簧、頂圈、防水密封圈、緊固件等數(shù)十種備件。由于結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，因此方便了拆裝、維修和備件管理。確實(shí)應(yīng)證了所謂“簡(jiǎn)單就是科學(xué)”的道理。

　　Z型密封以上的數(shù)項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，也是該密封在市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，確是其它類型密封無法比擬的優(yōu)勢(shì)。該密封的長處，已給先期應(yīng)用的用戶帶去了實(shí)實(shí)在在的利益，今后或許也能給我們的準(zhǔn)客戶帶來替在的利益。

　　雖然該密封有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但也確實(shí)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(jìn)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(qiáng)腐蝕溶劑的崗位。
　　5. 不適用于輸送介質(zhì)溫度超過90℃的崗位。

　　以上不適用的工況，請(qǐng)用戶選型時(shí)認(rèn)真關(guān)注，以免引起不良后果。

　　五、體會(huì)和小結(jié)

　　道路是曲折的，前途是光明的！

　　Z型密封的開發(fā)研制過程和發(fā)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?yàn)椋暄邪l(fā)的歷程給我們帶來了艱辛、困惑、困苦和大量的財(cái)力消耗，可謂道路曲折漫長。所謂“前途光明”是現(xiàn)在已找到了問題的原因，基本掌握了關(guān)鍵技術(shù)，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(huán)泵的主流密封。

　　感謝支持者和致歉受害者：在研發(fā)過程中，我們?cè)帽姸嗟拿摿蚬こ逃脩艉土蛩峁こ逃脩舻臒崆橹С趾蛥f(xié)助，我們借發(fā)表此文之際，表示衷心的感謝和致意。同時(shí)對(duì)在漫長的試驗(yàn)過程中，熱情地協(xié)助我們，但卻帶來了不少麻煩和一定的經(jīng)濟(jì)損失，我們表示誠摯的歉意，只能說聲對(duì)不起！現(xiàn)在產(chǎn)品已改良完善，如再想合作，我們不僅歡迎，還會(huì)提供優(yōu)惠的措施和熱情的服務(wù)。

　　六、知識(shí)產(chǎn)權(quán)情況的匯報(bào)

　　本密封技術(shù)涉及的專利：200420027853.6、200420027854.0、200430108688.2有三項(xiàng)專利在申請(qǐng)和審批過程中。

　　以上試制情況，特此報(bào)告！