熱水循環(huán)泵機(jī)械密封的故障分析

王忠臣 李志新 劉憲生

（首鋼遷鋼煉鋼作業(yè)部，河北 遷安 064404）

熱水循環(huán)泵是轉(zhuǎn)爐氣化冷卻系統(tǒng)循環(huán)水回路的主要設(shè)備之一，熱水循環(huán)泵的入口與汽包下降管相接，出口與轉(zhuǎn)爐煙道入口管相接。通過熱水循環(huán)泵的提升壓力，使循環(huán)水克服其在流動中的阻力而循環(huán)流動，保證了煉鋼生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

統(tǒng)計(jì)資料表明，泵的維修大約有50%是軸的密封問題，由于泄漏，使泵容積效率降低而且功率損失達(dá)到10%以上。高溫水的噴出還直接威脅著設(shè)備與操作人員的安全。因此，防止泄漏，對機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)、故障進(jìn)行分析研究十分重要，是保證生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行、節(jié)約能耗，保護(hù)環(huán)境，避免人身傷亡和設(shè)備事故的重要工作。

一、熱水循環(huán)泵的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

熱水循環(huán)泵為單級單吸懸臂式離心流程泵，型號為300YP45（P）。與其配套使用的機(jī)械密封是國產(chǎn)的300YP/45（P），其結(jié)構(gòu)見圖1。機(jī)械密封的主要指標(biāo)：工作壓力≤3MPa；工作溫度≤200℃；軸外徑φ70mm；軸轉(zhuǎn)速≤1 450r/min；泄漏量500ml/h。

該機(jī)械密封是集裝式機(jī)械密封，結(jié)構(gòu)緊湊，制造精細(xì)。摩擦副采用WC和SiC組對，兩種材料的強(qiáng)度和硬度高，導(dǎo)熱性好，線膨脹系數(shù)小，而且有自潤滑性，是理想的機(jī)械密封摩擦副材料。輔助密封材料為氟橡膠，耐溫抗老化，可長期在200℃的高溫下工作。緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)采用靜止式，避免了補(bǔ)償機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)量不平衡，因此可用于高轉(zhuǎn)速。10個小彈簧用冷拔鎳鉻鋼絲制造，可在-100～200℃環(huán)境下長期工作。三個“對中夾”按彈簧比壓的最佳數(shù)值設(shè)計(jì)，還用于調(diào)整密封環(huán)、壓蓋與軸套的同心度。傳動裝置的設(shè)計(jì)為動環(huán)通過四個凹槽安裝在軸套上；鎖定環(huán)開有12個螺孔，軸套與鎖定環(huán)對應(yīng)部位開了12個圓孔，3個孔用于固定對中夾；3個孔用于軸套和鎖定環(huán)的固定；6個孔用于固定軸套和軸，使軸套和軸一同轉(zhuǎn)動。為減少密封端面摩擦產(chǎn)生的溫升，保持摩擦面良好的潤滑和其他零件良好工作，還在壓蓋上設(shè)計(jì)了沖洗液接口。通過4年的實(shí)踐證明（含一煉鋼的使用），產(chǎn)品質(zhì)量與進(jìn)口件相當(dāng)，滿足了生產(chǎn)需要。

圖1 機(jī)械密封300YP/45（P）的結(jié)構(gòu)

二、熱水循環(huán)泵機(jī)械密封故障案例的分析與改進(jìn)措施

評定機(jī)械密封優(yōu)劣的主要指標(biāo)是泄漏和壽命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我廠機(jī)械密封本身的故障率為34.5%，而更多的故障發(fā)生在安裝和維護(hù)使用的過程中。

1.泵轉(zhuǎn)子軸動平衡破壞引發(fā)的故障

2006年2#轉(zhuǎn)爐的3#泵連續(xù)更換了3臺機(jī)械密封，均運(yùn)轉(zhuǎn)不到1周即發(fā)生嚴(yán)重泄漏。對該泵軸在YYH-700型臥式硬支承平衡機(jī)進(jìn)行了動平衡檢測，數(shù)值見圖 2，點(diǎn)1為515g、點(diǎn)2為255g、點(diǎn)3為120 g。無論去重還是補(bǔ)焊這樣大的質(zhì)量都是困難的。

圖2 葉輪不平衡修正數(shù)值示意圖

轉(zhuǎn)子不平衡是引發(fā)泵振動的主要因素，振動將引發(fā)高速旋轉(zhuǎn)的動環(huán)與靜環(huán)瞬間分離，在液膜壓力的作用下使密封面開啟，出現(xiàn)大量泄漏。如果介質(zhì)中的微粒進(jìn)入密封面，還會使密封端面劃傷損壞。因此定期對泵轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡檢測是十分必要的。

2.靜環(huán)磨蝕故障

2007年1#轉(zhuǎn)爐1#泵更換了機(jī)械密封后，運(yùn)轉(zhuǎn)不到1個月即發(fā)生嚴(yán)重泄漏。與制造廠家共同分解檢查，發(fā)現(xiàn)靜環(huán)端面?zhèn)€別部位失去光澤，經(jīng)清洗不能去除污物。在顯微鏡下觀察同一部位的形貌如圖3所示。

白色為SiC的顆粒，調(diào)整焦距后呈現(xiàn)黑色，而黑色部位變成白色。經(jīng)與生產(chǎn)人員共同分析和查對記錄，發(fā)現(xiàn)壓坯時(shí)用的原材料粒度偏大，致使靜環(huán)硬度略低，在高溫高負(fù)荷工作時(shí)過早磨蝕而失效。這批靜環(huán)共10件，裝配機(jī)械密封4臺，全部更換靜環(huán)后裝機(jī)使用，運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

3.傳動螺釘引發(fā)的故障

2007年8月2#爐3#泵檢修更換新機(jī)械密封（制造號KN051001），裝機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不足1h即發(fā)生嚴(yán)重泄漏。對機(jī)械密封進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)彈簧傾斜變形，軸套內(nèi)壁有圓周劃痕，局部表面改變顏色，安裝、使用、制造三方一致認(rèn)為是傳動螺釘未能將軸套緊固在軸上，兩者發(fā)生相對轉(zhuǎn)動產(chǎn)生摩擦熱使軸套溫度過高（超過400℃），造成彈簧軟化變形，失去補(bǔ)償能力，摩擦面瞬間分離造成嚴(yán)重泄漏。

造成傳動螺釘失效的原因有兩個方面：（1）傳動螺釘制造時(shí)硬度未達(dá)標(biāo)；（2）裝配時(shí)未擰緊。為查明傳動螺釘?shù)挠捕?，將螺釘制成金相試樣在洛氏硬度機(jī)上測定，其數(shù)值為HRC43、42、40、40、40，平均值HRC41高于圖紙要求（HRC32-38），可以排除制造因素。

圖3 SiC靜環(huán)故障件密封面的形貌

為保證安裝質(zhì)量，設(shè)備管理室請生產(chǎn)廠家對維護(hù)單位操作人員進(jìn)行了技術(shù)培訓(xùn)，并且為維護(hù)班組增加專用工具，使機(jī)械密封在安裝和維護(hù)方面實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化操作。

實(shí)踐證明，通過對熱水循環(huán)泵用機(jī)械密封使用過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行持續(xù)研究和改進(jìn)，使煉鋼作業(yè)部機(jī)械密封使用壽命從2004年投產(chǎn)初期的5個月提高到現(xiàn)在的約10個月，對穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)約備件費(fèi)用、避免安全隱患起到了積極作用。