應(yīng)急泵密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)及保障措施探討

薛 濤，徐艾青，彭 沛，占 鑫，武 溉，曾 磊

（1.湖北三六一一應(yīng)急裝備有限公司，湖北 武漢 430090；2.新興重工湖北三六一一機(jī)械有限公司，湖北 襄陽 441002）

應(yīng)急泵主要應(yīng)用于大流量遠(yuǎn)程供排水、應(yīng)急排澇、森林消防、市政管網(wǎng)應(yīng)急作業(yè)、灌溉網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急作業(yè)和石化行業(yè)等特殊領(lǐng)域，其在工作過程中長期浸泡于液體介質(zhì)中，輸送介質(zhì)主要包括自然水域水源、防汛排澇污水、市政管網(wǎng)污水等。應(yīng)急泵及基于其研發(fā)的消防裝備系列、排澇裝備系列等是我國應(yīng)急管理體系裝備力量的重要構(gòu)成與核心關(guān)鍵組成。

針對(duì)不同使用領(lǐng)域、場合及用戶需求，應(yīng)急泵的性能參數(shù)（流量Q、揚(yáng)程H、轉(zhuǎn)速n、功率P、效率η、汽蝕余量NPSH）、類型、重量、尺寸、驅(qū)動(dòng)方式、安裝方式、結(jié)構(gòu)和材料等也不盡相同，但其共性都是通過旋轉(zhuǎn)的葉輪將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能傳遞給所輸送的液體介質(zhì)使得液體介質(zhì)的能量增加，以達(dá)到輸送或提升的目的。應(yīng)急泵作為一種轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械，轉(zhuǎn)軸與泵蓋之間、轉(zhuǎn)軸與葉輪之間、轉(zhuǎn)軸與軸承密封腔蓋板之間、泵體與泵蓋之間、機(jī)械密封與泵軸之間等處必然存在間隙，針對(duì)這些間隙，必須對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)密封系統(tǒng)，密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞與泵的容積效率密切相關(guān)。應(yīng)急泵零件幾何精度高，相配合關(guān)鍵零件之間往往選用較高公差等級(jí)配合，且額定轉(zhuǎn)速較高（n≥1 000～3 000 rpm），兼之輸送介質(zhì)所含成分的復(fù)雜多樣（比如某些地區(qū)水域細(xì)沙顆粒度含量較多、防汛排澇污水中多伴隨生活垃圾碎片、介質(zhì)中化學(xué)成分含量等因素），密封系統(tǒng)中一旦出現(xiàn)些微滲漏，由于初期不易觀察以及應(yīng)急作業(yè)的特殊性，往往造成潤滑失效、軸承損壞、泵軸軸向竄動(dòng)、葉輪燒死和泵軸彎曲等嚴(yán)重事故，直接導(dǎo)致應(yīng)急泵無法工作，嚴(yán)重影響相關(guān)應(yīng)急裝備作業(yè)效率。因此進(jìn)行應(yīng)急泵密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)及保障措施探討對(duì)于應(yīng)急泵的整機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)組織、加工、裝配、應(yīng)用、維修都是極其關(guān)鍵和不可或缺的。

1 密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)急泵的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)起著決定性的作用。應(yīng)急泵的密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括靜密封設(shè)計(jì)與動(dòng)密封設(shè)計(jì)。

1.1 靜密封設(shè)計(jì)

靜密封是指密封耦合件之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的密封形式。靜密封均為接觸式密封。應(yīng)急泵常見的靜密封設(shè)計(jì)主要包括各種型式的墊片密封、O 形橡膠密封圈密封、密封膠密封、螺紋密封等。

1.1.1 墊片密封設(shè)計(jì)

墊片密封應(yīng)保證墊片連接系統(tǒng)在所要求的工作時(shí)間內(nèi)保持有效密封，使泄漏率低于所規(guī)定的泄露指標(biāo)。墊片密封有效的前提是保證墊片工作應(yīng)力σ（即墊片密封面與被密封面之間的壓強(qiáng)）大于介質(zhì)的工作壓力。墊片密封設(shè)計(jì)應(yīng)考慮適用介質(zhì)、介質(zhì)壓力（正壓還是負(fù)壓，是否有壓力脈動(dòng)）、溫度、適用密封面型式等。

針對(duì)應(yīng)急泵而言，密封墊片常見的有聚四氟乙烯（PTFE）墊、柔性石墨墊、耐油石棉橡膠板和組合墊片等。

聚四氟乙烯PTFE 是取代石棉墊片的理想選擇，其最高使用壓力一般不超過2 MPa，具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性，能承受除熔融堿金屬、元素氟和強(qiáng)氟化介質(zhì)以及高于300℃的氫氧化鈉以外的所有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑、還原劑和各種有機(jī)溶劑的作用；PTFE 可在-190～280℃范圍內(nèi)使用；耐老化性好；突出的不粘性等?；谏鲜鰞?yōu)異性能，PTFE 可在極惡劣的工況下長期使用。柔性石墨墊具有優(yōu)良的壓縮回彈性、熱穩(wěn)定性、自潤滑性、耐腐蝕性、抗老化性，在石化行業(yè)相關(guān)應(yīng)急泵中廣泛應(yīng)用。

1.1.2 O 形橡膠密封圈靜密封設(shè)計(jì)

O 形橡膠密封圈（簡稱“O 形圈”）靜密封是簡單實(shí)用的有效密封方式，其密封溝槽、尺寸公差、配合偶件表面粗糙度、規(guī)格選用等均已標(biāo)準(zhǔn)化。同其他密封組件相比，O 形圈密封占用空間極小，采用合理、巧妙的O形圈密封與其他型式密封的組合，可以顯著優(yōu)化密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與泵總成結(jié)構(gòu)。

O 形圈密封設(shè)計(jì)主要考慮密封形式、應(yīng)用領(lǐng)域、介質(zhì)性質(zhì)、壓力、溫度、尺寸規(guī)格等因素。相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 3452—2005《液壓氣動(dòng)用O 形橡膠密封圈》。

1.1.3 密封膠密封設(shè)計(jì)

密封膠密封主要應(yīng)用于管道密封。其工作原理是靠密封膠的浸潤性填滿密封面的微小縫隙以形成有效的密封。密封膠選型時(shí)應(yīng)注意密封膠的耐油性、耐水性、耐候性，密封膠應(yīng)不腐蝕、不污染泵組零件，其耐溫、耐壓應(yīng)符合使用需求。密封膠使用時(shí)注意做好預(yù)處理，控制膠層厚度。

1.2 動(dòng)密封設(shè)計(jì)

根據(jù)密封面間是相對(duì)滑動(dòng)還是相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)密封分為往復(fù)密封和旋轉(zhuǎn)密封兩種基本類型。對(duì)于應(yīng)急泵而言，動(dòng)密封一般為旋轉(zhuǎn)密封類型。應(yīng)急泵的動(dòng)密封設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械密封、毛氈密封、油封密封、填料密封等。

1.2.1 機(jī)械密封密封設(shè)計(jì)

機(jī)械密封（簡稱“機(jī)封”）在各類應(yīng)急泵中廣泛應(yīng)用。機(jī)封按密封端面接觸狀態(tài)分為接觸式和非接觸式兩種，其中接觸式密封使用較廣。接觸式機(jī)封又以單端面密封和雙端面密封使用最為廣泛。雙端面密封相比較單端面密封增加了一對(duì)摩擦副，一般用于密封等級(jí)較高的設(shè)備。

以平衡系數(shù)區(qū)分，機(jī)封分為非平衡型（適用壓力≤0.8 MPa）、不完全平衡型（俗稱平衡型）、完全平衡型（一般適用壓力＞0.8 MPa）。不完全平衡型應(yīng)用最為普遍，能平衡一部分液體壓力對(duì)端面的作用，能改善端面磨損情況，承載能力較大；完全平衡型很少用。

機(jī)封選型時(shí)應(yīng)調(diào)查明確主機(jī)類型及需要密封的部位、介質(zhì)特性（如黏度、pH 值、有無腐蝕性、有無懸浮顆粒及纖維雜質(zhì)、是否易汽化或結(jié)晶等）、密封腔體壓力、流體溫度、線速度、軸的振動(dòng)及偏擺量、軸徑、允許的有效安裝空間、允許泄露量、泄露方向要求、支持系統(tǒng)情況等。機(jī)封技術(shù)的水平與密封材料密切相關(guān)，機(jī)封的選型應(yīng)格外關(guān)注摩擦副組對(duì)材料、補(bǔ)償原件材料、輔助密封圈材料、其他部件材料的選擇。

機(jī)封摩擦副組對(duì)材料選型時(shí)，注意組對(duì)材料應(yīng)具備耐磨性、耐腐蝕性、良好的耐熱性和熱傳導(dǎo)性、機(jī)械強(qiáng)度、摩擦系數(shù)小、氣密性、組對(duì)材料的兼容性等。某款主要應(yīng)用于應(yīng)急排澇、遠(yuǎn)程大流量供水的應(yīng)急泵，其機(jī)封組對(duì)材料為鎳鉻基硬質(zhì)合金。

輔助密封圈的材料應(yīng)能適應(yīng)介質(zhì)特性，具有較好的耐老化性、耐高溫性、耐低溫性，永久變形量適宜，高壓時(shí)應(yīng)具備抗爆性，在滿足使用工況下應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性。彈性原件材料應(yīng)強(qiáng)度高、耐介質(zhì)腐蝕、耐疲勞、長期工作彈性不會(huì)降低。

完整的機(jī)封密封設(shè)計(jì)包括機(jī)封本體和支持系統(tǒng)，兩者同等重要。機(jī)封支持系統(tǒng)主要包括沖洗、冷卻、過濾等部件。機(jī)封的沖洗、冷卻介質(zhì)可以是從應(yīng)急泵出口側(cè)引入的循環(huán)冷卻水或密封腔內(nèi)的潤滑油。使用循環(huán)冷卻水作為沖洗、冷卻介質(zhì)時(shí)，應(yīng)從泵體流道、泵整機(jī)結(jié)構(gòu)上控制循環(huán)冷卻水中雜質(zhì)或懸浮顆粒的含量，必要時(shí)應(yīng)設(shè)置旋液分離器進(jìn)行過濾；使用潤滑油作為沖洗、冷卻介質(zhì)時(shí)，應(yīng)借助其他密封型式做好油腔密封，加注油前清潔油腔。

機(jī)封密封設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)考慮端面比壓Pc、彈簧比壓Ps進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算、幾何尺寸計(jì)算、機(jī)封摩擦功率計(jì)算，校驗(yàn)所選摩擦副組對(duì)材料Rcv 值。

機(jī)封密封設(shè)計(jì)對(duì)動(dòng)環(huán)內(nèi)徑與泵軸配合公差、靜環(huán)外徑與泵蓋配合孔配合公差、機(jī)封安裝段泵軸軸徑向圓跳動(dòng)公差、泵軸外徑尺寸公差及粗糙度Ra、機(jī)封安裝尺寸等均有較高要求，這些關(guān)鍵尺寸務(wù)必嚴(yán)格按公差要求加工。

1.2.2 油封密封設(shè)計(jì)

油封密封是應(yīng)急泵密封的主要型式之一。油封密封主要用于密封潤滑油或潤滑脂，防止雜質(zhì)進(jìn)入密封腔，以保證軸承及其他精密轉(zhuǎn)動(dòng)零件正常工作。

應(yīng)根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)、溫度、壓力、線速度、潤滑條件、使用工況等因素選用油封的結(jié)構(gòu)型式和材料。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意泵軸的同心度、泵軸與油封座孔孔徑中心的同軸度會(huì)影響油封的性能、唇口與泵軸過盈量、唇口與泵軸接觸寬度，此外，應(yīng)重點(diǎn)注意與油封接觸的泵軸直徑公差、工作表面的粗糙度與硬度。

1.2.3 氈圈油封密封設(shè)計(jì)

氈圈油封是在殼體槽內(nèi)填充毛氈圈，以堵塞泄露間隙達(dá)到密封的目的。適用線速度≤5 m/s。

1.2.4 填料密封設(shè)計(jì)

填料密封由填料盒、填料壓蓋、填料及連接件等組成。由于填料密封的機(jī)理，填料密封在使用一段時(shí)間后需要及時(shí)調(diào)整填料壓蓋壓緊程度；填料磨損嚴(yán)重時(shí)需提前更換填料；填料密封功率損耗較大，直接影響應(yīng)急搶險(xiǎn)泵的瞬態(tài)水力性能；為了實(shí)現(xiàn)水封環(huán)內(nèi)冷卻介質(zhì)的循環(huán)，往往需要設(shè)計(jì)較大體積的冷卻水腔或從泵內(nèi)引水注入水封環(huán)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。一般而言，填料密封作為應(yīng)急輔助密封配合機(jī)械密封使用。

填料密封實(shí)際選用材料由泵送介質(zhì)的壓力、pH值、溫度等因素確定。

2 保障措施

為保障應(yīng)急泵具備優(yōu)良的密封系統(tǒng)，應(yīng)從設(shè)計(jì)質(zhì)量、加工質(zhì)量、總裝質(zhì)量、操作維保幾方面加強(qiáng)控制。

2.1 設(shè)計(jì)質(zhì)量保障

（1）應(yīng)急泵的密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往需要設(shè)計(jì)者熟悉和掌握相關(guān)配套零部件（如電機(jī)、液壓馬達(dá)、聯(lián)軸器等）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這在研發(fā)輕便型應(yīng)急泵時(shí)尤為重要。應(yīng)急泵密封腔密封設(shè)計(jì)往往需參考驅(qū)動(dòng)機(jī)等內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。某系列應(yīng)急泵為嚴(yán)格控制尺寸、重量，即采取潛水電機(jī)與泵體外殼一體式結(jié)構(gòu)，其密封系統(tǒng)與電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)連成一體。

（2）關(guān)于應(yīng)急泵主要水力元件（包括葉輪、導(dǎo)葉、泵體）的水力性能研究是決定泵整機(jī)性能的關(guān)鍵。良好的水力設(shè)計(jì)是密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量的基礎(chǔ)。

水力性能研究CFD 方法在數(shù)模計(jì)算中采用不可壓縮流體的連續(xù)方程和Navier－Stokes 方程來模擬水泵內(nèi)部流場的流動(dòng)狀態(tài)。N-S 方程主要解決速度壓力耦合問題，采用壓力校正，可以得到壓力場和速度場的收斂解。應(yīng)急泵CFD 仿真可建立數(shù)學(xué)模型、幾何物理模型，并對(duì)物理模型定義邊界條件。

基于水力性能研究，應(yīng)急泵整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在主要水力組件（如葉輪、導(dǎo)葉、泵體）的設(shè)計(jì)。根據(jù)應(yīng)急泵水力設(shè)計(jì)、汽蝕性能、葉輪形式、軸向力平衡方式、軸承形式、驅(qū)動(dòng)方式、吸入方式、裝卸方式等方面的要求，進(jìn)行應(yīng)急泵的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括應(yīng)急泵密封設(shè)計(jì)。

（3）應(yīng)急泵軸封腔尺寸按ANSI/API 610 第11 版《石油、石化和天然氣工業(yè)用離心泵》標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)。

（4）應(yīng)急泵內(nèi)部如設(shè)置有水冷夾套，應(yīng)另做靜水壓強(qiáng)試驗(yàn)。

（5）葉輪一般應(yīng)先后做靜平衡、動(dòng)平衡，靜平衡精度一般按G6.3 級(jí)，動(dòng)平衡精度一般按G2.5 級(jí)或G6.3級(jí)。

（6）泵蓋剛度設(shè)計(jì)應(yīng)有保障，以免剛度不夠產(chǎn)生變形造成密封泄露。

2.2 加工質(zhì)量保障

確保應(yīng)急泵各零部件符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

2.3 總裝質(zhì)量保障

（1）機(jī)械密封是精度很高的機(jī)械部件，能否采用正確的安裝方法，將直接影響其使用壽命和運(yùn)行效果。安裝前，應(yīng)清洗機(jī)械密封，查看密封端面是否完好無損；安裝過程中，應(yīng)輕拿輕放。

（2）軸承在各類應(yīng)急泵中廣泛使用，軸承如不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，往往導(dǎo)致應(yīng)急泵泄露，甚至伴隨發(fā)生其他嚴(yán)重故障。應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模，規(guī)范軸承的清洗方式、裝配工藝，配備必要的壓裝設(shè)備或熱套設(shè)備、工具。

清潔度是軸承質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，目前一般采用汽油或水基清洗劑手工刷洗，以免軸承粘附的微顆粒在工作中脫離，形成泄露隱患。軸承的壓裝質(zhì)量直接影響應(yīng)急泵軸承密封腔的密封質(zhì)量。軸承與泵蓋軸承體安裝腔一般為過度配合，軸承壓裝到位較困難，壓不到位、壓偏現(xiàn)象，往往造成油封松動(dòng)、摩擦，導(dǎo)致密封漏油。軸承的安裝目前一般采用冷壓法、溫差法或溫差法與冷壓法結(jié)合。

（3）確保所采購的機(jī)封、O 形圈、油封、氈圈油封等密封元件均符合要求。

（4）應(yīng)急泵與驅(qū)動(dòng)機(jī)連接時(shí)應(yīng)找正，常采用專用工裝，借助百分表讀數(shù)確定是否符合要求。如某款大流量應(yīng)急泵泵軸與原動(dòng)機(jī)軸同心度允許調(diào)動(dòng)量為±0.3～0.5 mm。

（5）泵體螺母應(yīng)對(duì)稱均勻緊固。

（6）總裝過程中應(yīng)注意環(huán)境清潔。

2.4 操作維保

（1）操作者應(yīng)基本了解所使用應(yīng)急泵的類型、驅(qū)動(dòng)方式、工作原理、結(jié)構(gòu)，掌握基本的維護(hù)保養(yǎng)知識(shí)，熟悉操作及注意事項(xiàng)。

（2）工作過程中應(yīng)注意觀察應(yīng)急泵有無異常振動(dòng)和雜音。如振動(dòng)過大或有明顯雜音，應(yīng)立即停泵檢查。

（3）工作過程中應(yīng)適時(shí)觀察應(yīng)急泵出水流量有無異常變化。

（4）應(yīng)注意應(yīng)急泵進(jìn)水管路發(fā)生汽蝕時(shí)泵腔內(nèi)水流量嚴(yán)重不足，甚至出現(xiàn)抽空現(xiàn)象，會(huì)造成機(jī)械密封摩擦副過度磨損，引發(fā)密封失效。

（5）定期檢查應(yīng)急泵潤滑油液位有無異常或泄露、潤滑油有無變質(zhì)。工作過程中應(yīng)留心觀察應(yīng)急泵有無潤滑油泄露。

（6）工作過程中應(yīng)適時(shí)觀察液位，若應(yīng)急泵取水區(qū)域液位低于規(guī)定最低水位，應(yīng)停泵。液位過低時(shí)勉強(qiáng)運(yùn)行會(huì)造成應(yīng)急泵損壞。

（7）抽完海水或者排澇污水后，應(yīng)及時(shí)用清水沖洗應(yīng)急泵及泵管路。

（8）根據(jù)應(yīng)急泵的類型、驅(qū)動(dòng)方式等因素，設(shè)計(jì)詳細(xì)的定期檢修單，做好定期檢修。應(yīng)急泵的定期檢修可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、及時(shí)修理，可最大限度延長應(yīng)急泵使用壽命，且維修成本低。定期檢修時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注機(jī)封、O 形圈、油封、氈圈油封、密封墊片、密封填料等質(zhì)量狀況，重點(diǎn)檢查潤滑油脂的品種、加注量是否合適或有無泄露，查看應(yīng)急泵與驅(qū)動(dòng)機(jī)的連接或應(yīng)急泵地腳螺栓的連接是否緊固以及應(yīng)急泵關(guān)鍵零件如泵軸、葉輪、密封口環(huán)、泵蓋軸承體、軸承等有磨損、銹蝕、變形等。

3 結(jié)束語

遠(yuǎn)程大流量供排水、應(yīng)急大流量排澇、森林消防、城市管網(wǎng)應(yīng)急排水等領(lǐng)域?qū)?yīng)急泵的性能參數(shù)、取水方式、驅(qū)動(dòng)方式等需求都不盡相同，因此各類應(yīng)急泵的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往存在差異，然而密封的原理都是一樣的?；趦?yōu)良的水力設(shè)計(jì)前提，應(yīng)急泵的密封系統(tǒng)由一種或多種密封元件組成，各密封元件本身的質(zhì)量、對(duì)應(yīng)的密封處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量、加工質(zhì)量以及整機(jī)安裝質(zhì)量等最終構(gòu)成應(yīng)急泵密封系統(tǒng)質(zhì)量。本文進(jìn)行應(yīng)急泵的密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)及保障措施探討即以密封系統(tǒng)的組成單元——密封元件及對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著手分析，并探討了相關(guān)的保障措施，最終落實(shí)在實(shí)際工作中。筆者所在企業(yè)先后研制的某幾系列應(yīng)急泵分屬不同類型，經(jīng)過各地客戶多次實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證均可滿足連續(xù)正常作業(yè)≥15 d，其密封性能的可靠、優(yōu)異、穩(wěn)定已在全國幾十個(gè)城市得到充分驗(yàn)證并獲得充分肯定。