離心泵軟填料密封問題的分析與對策

夏永忠

【摘 要】軟填料密封是一種既可靠又低廉的水泵密封方法，在離心泵的密封應(yīng)用較為廣泛。但相對于機(jī)械密封，離心泵的軟填料密封容易失效是現(xiàn)實(shí)存在的問題。

【Abstract】Soft packing seal is a reliable and low-cost sealing method for pump， which is widely used in the sealing of centrifugal pump. But compared to the mechanical seal， it is a real problem that the soft packing seal of centrifugal pump is easy to fail.

【關(guān)鍵詞】泵； 軟填料密封； 分析與對策

【Keywords】pump； soft packing seal； analysis and countermeasures

【中圖分類號】TH311 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）08-0110-02

1 引言

為了提高軟填料密封的壽命，應(yīng)當(dāng)從軟填料密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計上做提高，此外還應(yīng)當(dāng)從軟填料密封失效原因分析入手，有針對性地加以對策。離心泵具有耐久、密封的特點(diǎn)，因其性能優(yōu)異，在機(jī)械工業(yè)中很受重視。但是，離心泵的軟填料密封會失效，這一問題卻較為常見，影響了它的使用。那么，究竟離心泵的軟填料密封為什么會失效，如何改進(jìn)和提高使用壽命，是本文要探討的重點(diǎn)。

2 離心泵的軟填料密封結(jié)構(gòu)

圖1為軟填料密封的結(jié)構(gòu)形式。其中圖a）為一般軟填料密封，結(jié)構(gòu)較為簡單可靠。泵軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，軸的表面與靜止?fàn)顟B(tài)的軟填料密封環(huán)形成滑動摩擦，劇烈的摩擦?xí)管浱盍厦芊猸h(huán)的壽命大大降低。為了提高該種密封結(jié)構(gòu)中軟填料密封環(huán)的使用壽命，又改進(jìn)出圖b）的帶水封環(huán)的軟填料密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是在前述的一般軟填料密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了水封環(huán)2和軸套3。由于有了水封環(huán)，在軸套與軟填料密封環(huán)之間形成一薄層水膜，可使軸套與軟填料密封環(huán)之間的劇烈滑動摩擦大大降低，有效提高軟填料密封環(huán)的使用壽命。當(dāng)然，該結(jié)構(gòu)雖然對降低軸套與軟填料密封環(huán)之間的劇烈滑動摩擦有所裨益，但由于其水封環(huán)的封水量很小，水膜溫度升高很快，消耗水環(huán)內(nèi)存水，因此要不停地往密封水環(huán)內(nèi)添水，還是感覺有所不足。于是，在此基礎(chǔ)上，又發(fā)展出圖c），帶冷卻室的軟填料密封結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，該結(jié)構(gòu)是在圖b）基礎(chǔ)上的改進(jìn)，將水環(huán)擴(kuò)大，變?yōu)橐粋€大體積的“空腔”，然后讓該腔內(nèi)的冷卻介質(zhì)形成循環(huán)，更有利于軟填料密封環(huán)在較低溫度下工作，從而提高其使用壽命。

上述三種密封結(jié)構(gòu)都少不了軸向的壓緊調(diào)節(jié)裝置，圖a）、 圖b）的配置在左端，圖c）配置在右端。軟填料裝在填料箱內(nèi)，軸向的壓緊調(diào)節(jié)裝置擠壓軟填料，產(chǎn)生軸向壓縮變形，同時引起填料產(chǎn)生徑向膨脹的趨勢，而填料的膨脹又受到填料箱內(nèi)壁與軸表面的阻礙作用，使其與兩表面之間產(chǎn)生緊貼，間隙被填塞而達(dá)到密封。適當(dāng)?shù)膲壕o力使軸與填料之間保持必要的液體潤滑膜，可減少摩擦磨損，提高使用壽命。

3 軟填料密封失效原因分析

3.1 油封結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

離心泵的軟填料密封結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，是軟填料密封失效的關(guān)鍵因素。

其一是軟填料環(huán)的圈數(shù)設(shè)計應(yīng)適當(dāng)，若圈數(shù)過少，則密封不夠可靠，圈數(shù)過多，又影響泵的整體結(jié)構(gòu)，使其失之緊湊。

其二是軟填料的材質(zhì)選擇應(yīng)合理： 傳統(tǒng)的離心泵用軟填料多為天然纖維類填料，如麻、棉、毛等，再輔以特殊的油膏，其價格低廉，但性能較差，密封效果不佳。目前已發(fā)展出金屬軟填料、碳素纖維填料、柔性石墨填料等用于離心泵的軟填料，它們的性能好，適應(yīng)的范圍也廣，值得應(yīng)用。

其三是散熱、冷卻能力的設(shè)計：例如圖1中的圖a）結(jié)構(gòu)就存在散熱、冷卻能力不足的問題，即便是圖1中的圖b）結(jié)構(gòu)，由于水環(huán)的存水量太小，冷卻能力還是受限的，而圖1中的圖c）結(jié)構(gòu)就比較完美地解決了散熱與冷卻能力的設(shè)計問題。

3.2 應(yīng)力松弛造成密封工作穩(wěn)定性差

泵用軟填料密封結(jié)構(gòu)中的軟填料在軸向壓緊調(diào)節(jié)裝置的作用下，內(nèi)部將產(chǎn)生軸向和徑向應(yīng)力，當(dāng)然，周向同樣會產(chǎn)生應(yīng)力。隨著泵的長期工作，軟填料不斷在磨耗，若不及時調(diào)節(jié)，其將產(chǎn)生所謂“應(yīng)力松弛”。一旦產(chǎn)生應(yīng)力松弛，密封效果就會受到影響，將致使密封工作穩(wěn)定性變差。

3.3 軟填料自動補(bǔ)償能力問題

既然軟填料在工作中與軸形成滑動摩擦，其磨損是較大的，磨損后，填料與軸桿、填料箱內(nèi)壁之間的間隙加大，如果沒有自動補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，則隨著軟填料的磨損，泄漏量將逐漸增大。

4 提高離心泵軟填料密封性能的對策

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理與優(yōu)化

①改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，在填料環(huán)之間加入自動補(bǔ)償機(jī)構(gòu)[1]。

填料沿填料長度涵方向的徑向應(yīng)力分布不均勻，隨著水泵工作狀態(tài)時刻變化和工作周期的增長，填料的磨損程度逐漸加大，即填料與軸的間隙越來越大，從而導(dǎo)致軟填料密封的泄漏增加，因此總是通過人工調(diào)節(jié)壓蓋螺栓來調(diào)節(jié)填料的預(yù)緊力。為了增大軟填料密封的壽命，經(jīng)過仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究得出如下三種改進(jìn)方法：

第一種就是將金屬環(huán)、軟填料環(huán)、圓柱形彈簧交替組合安裝，通過分別調(diào)節(jié)各層軟填料環(huán)的壓縮力，從而得到最佳的徑向應(yīng)力分布。

第二種是將一組軟填料環(huán)安裝在一個可以軸向移動的金屬套筒中，將圓柱形彈簧安裝在壓蓋螺栓內(nèi)，通過調(diào)節(jié)壓蓋螺栓來調(diào)節(jié)預(yù)緊力。

第三種是將金屬環(huán)和填料環(huán)做成不同規(guī)格，使金屬環(huán)和軟填料沿填料涵底方向逐漸減小，從而在壓蓋的作用力下，軟填料的徑向應(yīng)力相應(yīng)逐漸增加，使得徑向應(yīng)力獲得合理分布。

②關(guān)于軟填料環(huán)的圈數(shù)設(shè)計問題，一般其圈數(shù)在5至7圈為宜。

③軟填料的材質(zhì)選擇問題，其原則是：一是有一定的彈塑性，當(dāng)水泵填料受軸向壓緊時能有一定的補(bǔ)償能力（追隨性）；二是有一定的強(qiáng)度，使水泵填料不至于在未磨損前先損壞；三是化學(xué)穩(wěn)定性高，不被流體介質(zhì)腐蝕和溶脹，同時也不污染介質(zhì)；四是不滲透性好，對填料的組織結(jié)構(gòu)致密性要求高，對填料制作時需要進(jìn)行浸漬、充填相應(yīng)的填充劑和潤滑劑；五是導(dǎo)熱性能好，易于迅速散熱，且當(dāng)摩擦發(fā)熱后能承受一定的高溫；六是自潤滑性好，即摩擦系數(shù)低、耐磨損。

④優(yōu)化散熱、冷卻能力的設(shè)計?？衫萌缃翊髷?shù)據(jù)、云計算的優(yōu)勢，通過對大量的軟填料散熱設(shè)計數(shù)據(jù)，對泵軟填料密封進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使其完全符合實(shí)際散熱要求。

4.2 精準(zhǔn)控制對軟填料的壓緊力度

對軟填料壓緊力度的控制是個較為關(guān)鍵的措施。壓緊力過小，縫隙就大、泄漏就大；而壓緊力過大，又難以形成潤滑液膜，將使密封面呈近乎干磨擦狀態(tài)，造成填料磨損嚴(yán)重，密封壽命將大大縮短。因此，對軟填料壓緊力控制的力度較為重要，過大、過小都不行，以適當(dāng)為宜，這就需要精準(zhǔn)控制。

4.3 消除泵的氣蝕并減輕腐蝕

氣蝕是水力機(jī)械所特有的現(xiàn)象，它會使過流部件產(chǎn)生剝蝕破壞、加大振動和噪聲、引發(fā)抽空并進(jìn)而致使泵的性能嚴(yán)重下降。由于輸送介質(zhì)的溫度有一個規(guī)定范圍，工作人員必須對其進(jìn)行控制，需要注意在泵開啟之前，一定要同步開啟入口閥，以防出現(xiàn)泵體未放空的狀況。

另外，泵在抽送介質(zhì)時，被抽送的介質(zhì)不可避免會與密封件之間有所接觸。如果被抽送的介質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)，那將嚴(yán)重影響密封件的壽命。應(yīng)當(dāng)選用能耐腐蝕的材質(zhì)密封。此外還要做好定期保養(yǎng)工作，適時替換超過保養(yǎng)期限的密封件，并對相關(guān)零件進(jìn)行清洗保養(yǎng)，涂以高純度耐腐透平油，以有效減輕腐蝕引起的密封失效。

5 結(jié)語

離心泵的軟填料密封具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，但其容易泄漏是其致命之處，如何盡量避免其失效，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計、壓緊控制、運(yùn)行維護(hù)、保養(yǎng)等多方面加以研究和控制，可取得好的效果。

【參考文獻(xiàn)】

【1】田太琳.污水泵填料密封泄漏的原因及對策[J].化學(xué)工程與裝備， 2013，493（4）：178-180.