浅谈海水泵机械密封失效与改进

张波陈兴祺邹建科

（福建宁德核电有限公司，福建宁德）

摘要：某核电厂海水泵由于海水中杂质较多经常发生机械密封泄漏缺陷，且通常机械密封更换后较短时间内再次出现泄漏，本文通过对故障现场进行归类分析，并通过对机械密封进行改造验证后总结了海水泵机械密封失效的原因及相应改进建议。

关键字：机械密封失效原因改进

1.机械密封结构及原理

某核电海水泵为立式、单级、单吸离心泵，设计及制造符合RCC-M3，3级标准。使用的机械密封为符合API682标准的集装式单端面机械密封，密封冲洗方案为PLAN01。

机械密封靠一对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构（弹簧）作用下保持贴合并配以辅助密封而达到防止液体泄漏的轴承装置。工作时，靠弹簧和密封介质的压力在旋转的动环和静环接触表面上产生适当的压紧力，使两端面紧密贴合，并在端面间产生一层极薄的液体膜而达到密封的目的，液体膜具有外层流体动压力与内层静压力，起着润滑和平衡压力的作用。

整套机械密封有五个泄漏通道：A、静环与机械密封压盖之间；B、动环与静环密封面；C、动环与轴套之间；D、压盖与泵体之间；E、机械密封轴套与泵轴之间。其中A、D、E采用橡胶圈密封，属于静密封，压缩量在10%-20%之间，C采用的也是橡胶密封圈，当密封端面磨损后，它需要追随补偿环沿着轴向作微量移动，因此O圈压缩量比静密封略小，一般在8%左右，B是动环与静环的端面彼此贴合做相对滑动的密封，是机械密封的主密封，也是决定机械密封性能和寿命的关键。

2.机械密封失效分析

2.1密封副失效导致泄漏

密封副是指机械密封动环和静环，机械密封泄漏故障80%-95%是由于密封副失效，影响密封副密封效果的因素有密封面相互的平行度、密封面与轴心的垂直度、密封材料的选择和冲洗方案的选择，下面将针对故障现象进行逐一分析并提出改进建议。

2.1.1动环或者静环面有划痕损伤或者磨损量超过弹簧补偿量

原因分析：通常机械密封密封副之间的冷却和润滑液应为清洁的水，但是由于外接冲洗水需要增加额外设备，价格昂贵、布置复杂，且后期维护检查代价较大，因此大部分用户采用自冲洗方案。但是海水中含有大量颗粒物，颗粒物随着润滑剂进入密封面会使密封副磨损加剧，极大缩短机械密封的寿命，且当较大颗粒物进入密封面可能导致动环或者静环出现损伤导致密封失效。

改进方法：

1)对密封副材质进行升级。密封副材料一般为一硬一软配对使用，碳石墨是机械密封摩擦副软材料中用量最大、应用范围最广的基本材料，但是，碳石墨存在肴气孔率大（18%-22%），机械强度低的缺点，故碳石墨不适合用作海水泵的密封动环。而浸石墨碳化硅材料中碳化硅材料重量轻、比强度高、具有一定滋润怀性能，且耐腐蚀性好，同时密封面中的石墨又能够保证运转过程中的润滑性，非常适合作为海水泵密封动环的材料。因此，在有腐蚀性和颗粒物的海水环境中，推荐采用浸石墨碳化硅（动环）对碳化硅（静环）的配对方式组成密封副，在提高密封可靠性的同时可以延长机械密封的使用寿命。

2)对密封副配合面尺寸进行改良。该海水泵机械密封设计初期，动环外径比静环外径略大或者略小，在密封副结合面位置会形成一个“台阶”，海水中的杂质易沉积在该台阶位置，从而增加杂质进入密封面的可能。故海水泵机械密封选型时应注意动环和静环的配合尺寸，特别是立式泵，尽量保持机械密封动环与静环宽度相等，防止杂质堆积增加密封面磨损概率。

3)尽量使用杂质较少或者无颗粒杂质的水作为冲洗水。海水泵机械密封属于湿密封，要求有稳定的液膜和良好的润滑性能来保证密封完好和机械密封安全运行，因此冲洗水的选择尤为重要，自冲洗（PLAN01和PLAN11）方案虽然结构简单、实施方便，但是由于嗨水中杂质较多，对机械密封寿命影响较大，且对密封副材质要求较高。因此，对于海水泵，尤其是比较重要的海水泵，推荐使用泵出口水过滤（PLAN31）方案或者外接无杂质水方案进行冲洗。

2.1.2弹簧被泥沙堵塞或者被腐蚀

原因分析：海水对弹簧或者焊接波纹管的影响主要是泥沙堵塞和腐蚀。部分海域由于环境因素海水中的含沙量比较高，泥沙和杂质随介质进入机械密封腔室后沉积在弹簧内部及弹簧与轴套之间间隙，泥沙堵塞会影响弹簧的随行性。且海水有较强的腐蚀性，加上海水中微生物和他们的代谢产物对腐蚀过程产生直接或者间接的加速作用，弹簧部件表面会发生电偶腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等，随着时间增加，腐蚀加剧会导致弹簧弹性变差影响其随行性，或者弹簧腐蚀程度差异引起的弹力差异导致两密封端面平行度较差，极端情况下弹簧可能出现腐蚀断裂导致密封失效。

改进方法：

1)弹簧设计采用耐腐蚀材料。

2)采用静环加载式机械密封。根据补偿环布置在动环还是静环位置将机械密封分为动环补偿型和静环补偿型两种，行业术语也叫“动环加载式”和“静环加载式”，动环加载式制造方便，因此动环加载式机械密封的量远远大于静环加载式。但是动环加载式机械密封弹簧部件在海水环境中易被堵塞和腐蚀，而静环加载式由于弹簧在机封压盖内部，与输送介质隔离，可以有效避免这一问题。因此，在输送介质有腐蚀或者有杂质颗粒的环境中，可以将机械密封设计为静环加载式

2.2辅助密封件失效导致泄漏

机械密封的辅助密封件包括机封静环与机封压盖之间胶圈、机封动环与轴套之间的胶圈、机封压盖与泵壳之间的胶圈和轴套端面胶圈（或者轴套与轴之间胶圈）。辅助密封胶圈大多使用O型密封圈，海水温度不高但具有腐蚀性，要求密封胶圈具有较好的抗腐蚀性能。根据现场拆检情况来看辅助密封件泄漏一般为胶圈配合位置的金属部件出现腐蚀凹坑导致泄漏。

改进方法：与海水接触的密封部件必须要求有很好的耐腐蚀性和抗氧化性，目前比较好的选择是双相不锈钢，双相不锈钢种类众多，通常都有抗全面腐蚀的能力，由于有连续稳定的铁素体，也不易发生应力腐蚀，且含碳量都比较低，所以晶间腐蚀可以忽略不计。但是，由于组织结构差异，在不同氯离子浓度环境中抗点腐蚀能力差异较大，在氯离子浓度≤5000PPM的环境中，使用2205双相不锈钢性价比较高；在氯离子浓度≤30000PPM的环境中，可以使用2507双相不锈钢；在氯离子浓度≤50000PPM的环境中，推荐使用254smo或1.4529超级双相不锈钢；在氯离子浓度≤200000PPM的环境中，哈氏合金c-276是比较好的选择。我国海水中氯离子浓度在20000PPM左右，可以选择2507双相不锈钢作为材料制作海水泵密封部件材料。

3.结论

综上分析，海水泵机械密封泄漏的主要原因是设计人员未能考虑海水泵机械密封恶劣的工作环境，没有将泥沙杂质含量大和氯离子点腐蚀的因素考虑进去，现场使用频繁出现机械密封泄漏缺陷是无法通过维修消除的，只能改进机械密封设计来解决。

设计改进总结为以下三个方面：

1）对密封副、补偿弹簧和辅助密封金属部件材质进行升级：密封副推荐采用浸石墨碳化硅（动环）对碳化硅（静环）的配对方式；补偿弹簧采用耐海水腐蚀、弹性好的材料制作；辅助密封金属材料推荐耐海水腐蚀的2507双相不锈钢。

2）结构改进：密封动环与静环采用等宽度设计及补偿弹簧设计为静环加载式。

3）冲洗方案改进：尽量使用泵出口水过滤（PLAN31）方案或者外接无杂质水方案进行冲洗。

参考文献

[1]李军，船用海水泵机械密封轴封漏水故障分析及排查；船海工程，2013:1

[2]郭琨，海洋手册，海洋出版社，1984