摘要：机械密封是一种旋转机械的轴封装置，因为其密封可靠且使用寿命长，目前广泛应用于工业生产中。机械密封的选型需要根据使用设备的结构、运行参数、介质类型以及系统工况等因素来决定。本文从定子冷却水泵的机械密封冲洗方式、机械密封材质来分析静环冲蚀的原因和改进方案。
关键字：机械密封；水泵；材质；冲洗方式
1、引言
定子冷却水泵（以下简称GST泵）在机组正常运行期间一用一备，主要的功能是将发电机定子产生的热量带出，使发电机定子温度维持在最佳水平；如果单台泵故障将导致发电机定子冷却失去冗余，如果两台泵同时发生故障将导致发电机停机。通过对GST泵的解体检查，发现机械密封静环冲蚀严重，且冲蚀部位正对冲洗口的位置，同时动环表面有多处剥落。鉴于GST泵的重要性以及多台泵均有此缺陷，说明机械密封的冲蚀属于共性问题。
GST泵是由泵壳、叶轮、叶轮、主轴、机械密封、轴承、轴承室、联轴器部件组成。其中机械密封是非集装式机封，轴承属于免维护轴承，联轴器是柱销式联轴器。
2、 机械密封知识介绍
2.1 机械密封原理
机械密封是对于旋转机械通用的轴密封类型。机械密封主要用于气体、液体等各类介质的密封；同时也用于气体密封，如压缩机介质轴的密封。
为使两个面由于摩擦产生的热量及磨损量保持在允许范围内，在密封面之间必须有一层流体润滑膜。对于单端面密封，通常是将密封介质作为润滑剂，但对于有毒、有害、易燃、易爆、强腐蚀介质选用的双端面或串联机械密封，与介质能够相溶的封液作为润滑和冷却液。
2.2机械密封结构
机械密封主要由4组基本构件组成：
（1）与泵体连接件——密封体、盖等；
（2）弹性元件——弹簧、波纹管等；
（3）辅助密封件——O型圈、填料；
（4）密封端面。
3、GST泵机械密封动静环材质分析
机械密封依靠密封副超微的高精度密封端面组合和相互滑动磨擦，形成密封面。要确保和维持密封面的精度和密封性，在很大程度上依赖于构成密封副的材料特征。通常，对密封副材料有如下要求：机械性能好，弹性模量高；自润滑性好；配对材料摩擦学相容性好，粘着倾向小，配合性能好；配对材料耐磨性好；导热性、耐热性、耐冲击性好；线膨胀系数小。
目前GST泵机械密封被冲蚀的静环是石墨材质，动环是碳化硅材质。在清水工况中，动静环材质采用石墨对碳化硅是较理想的材质组对，且石墨本身具有良好的的自润滑性、化学惰性以及成本较低；但是GST泵的介质水是含极少量氢的高纯净水，高纯净水的的冲刷能力很强，而石墨材料耐冲击磨蚀性能较差；同时介质水中还有极少量的氢，容易引起动静环的氢脆。经过与制造厂的讨论分析，认为升级机械密封的动静环材质可以保证密封副的完整性，根据现场系统工况和介质参数，最终选定密封副的材质是碳化钨-碳化钨。
烧结碳化钨由坚硬的碳化物颗粒与韧性金属（钴、镍）粘结剂烧结而成，通常用于重载（高PV值）场合。尽管其价格较贵，但是因为它韧性和刚性大、耐磨性好而越来越多地应用在机械密封中，6%钴基碳化钨使用范围最广；镍基碳化钨由于耐腐蚀性更好而在石油化工中使用更多，但其综合性能较钴基碳化钨差一些，但其耐腐蚀性较钴基碳化钨好一些。
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4、GST泵机械密封冲洗方式
机械密封装置主要有主密封和与其配套的辅助系统组成。主密封的作用是密封工作介质；辅助系统是为主密封提供良好的工作环境，以保证机械密封可靠、稳定地运行，辅助系统是决定机械密封能否可靠、稳定运行的必要条件。
辅助系统的选择主要取决于主密封的使用场合。例如，主密封用于高温液体，辅助系统的主要功能就是降低主密封的环境温度；主密封用于固体杂质含量高的工作介质，辅助系统就要保证在主密封前降低固体杂质含量，在腐蚀介质中，辅助系统就要保证在主密封前降低腐蚀速度或消除腐蚀（即流体替代系统）；在高压密封装置中，辅助系统应保证具备降压功能，即采用压力控制。采用密封系统可以改善主密封的工作条件，使整个设备、系统减少泄漏，能保证密封的工作可靠性并延长其寿命，为设备和工艺装置安全、可靠地运行提供保证。
机械密封的冲洗方式就属于配套的辅助系统，GST泵机械密封机封冲洗水取自泵出口（PLAN11方案如下所述），该冲洗水管从泵出口引出接到机械密封进水口，通过拆解情况来看，机械密封进水口直接直接正对静环，静环在泵的运转过程中是不转的，随着时间的推移，静环冲蚀情况逐渐加剧，再加上静环材质是石墨，质地偏软，容易造成冲刷，从而导致机械密封的泄漏。
PLAN11方案：
（1）方案描述 ：从泵出口经节流孔板对密封进行冲洗，默认单密封冲洗方案；
（2）作用 ：密封腔散热、卧式泵密封腔排气、增加密封腔压力和液体气化余量；
（3）应用场合 ：一般应用于清洁液体，非聚合液体；
（4）注意事项：使用直径至少为0.125英寸（3毫米）的节流孔板，通过适当的节流孔板和喉部衬套的尺寸来增加气化余量，通过管道将冲洗液引至密封端面。
在将机械密封动静环材质由原来的石墨-碳化硅改成碳化钨-碳化钨的同时，将冲洗方式由泵出口-机械密封腔室（PLAN11）改成机械密封腔室-泵入口（PLAN13方案如下所述）。经过计算，机械密封腔室的压力大于泵入口压力，即机封腔室与泵入口处有压差，可以保证3L/min的流量，满足机械密封密封副的冷却和润滑。同时新冲洗方式不会对密封副产生冲蚀，也不会有残留的粉末在密封面上。
PLAN13方案：
（1）方案描述：从密封腔经节流孔板至泵入口的再循环；
（2）作用：泵的持续密封腔排气，密封腔散热；
（3）应用场合：密封腔压力大于吸入压力，适当温度液体和适度固体颗粒，非聚合液体；
（4）注意事项：在起动泵之前对管道回路进行排气，使用直径至少为0.125英寸（3毫米）的节流孔板，通过适当的节流孔板和喉部衬套的尺寸来降低密封腔压力。
5、 GST泵新旧机械密封对比分析
5.1 旧型号的机械密封
旧机封型号是非集装式机封，每次拆装时都需要调整机封压缩量，属于动环补偿结构，对于技术人员的检修水平要求较高，且需要额外采购密封件。
5.2 新型号机械密封
改进后的新机封型号是集装式机封，新型号机封优点如下：
（1）集装式：新型号机械密封采用集装式设计，安装拆卸简单、易于操作，安装前无需调整和测量，降低了对安装人员的技术要求，避免了设备检修时因机械密封安装造成的密封元件的损坏，降低了维护费用。
（2）平衡型：平衡型机械密封承载能力大，能卸载介质作用在密封面上的压力，减小因介质压力变化而产生的对密封面的影响，从而减小摩擦热，降低密封面上的摩擦和磨损。
（3）结构紧凑：新型号机械密封结构紧凑，密封元件间相互位置精确，所需的安装空间小。
（4）静环补偿式：弹簧不与介质接触，不受泵轴旋转所产生的离心力的影响。而且当轴发生一定范围的偏摆时，不会影响密封面的贴合，动、静环仍保持正确位置，避免了因轴偏摆而导致的密封面间的非正常性磨损。
6、结论
通过对两种型号机封结构、性能上的比较和分析，在GST泵运转的实际工况下，新型机封可以在满足系统要求的情况下，承受冲洗水压力而不会发生冲蚀现象；同时新型机封的安装及维护都更为方便，使机组更加安全稳定的运行。
参考文献：
[1]孙玉霞.机械密封技术[M].北京:化学工业出版社,2014
[2]福建宁德核电有限公司培训部编.压水堆核电站系统与设备[M].福建,2015
[3]定子冷却水泵运行维护手册，2016
论文作者: 王渊东,唐宾阳,刘继磊
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第08期
论文发表时间:2019/9/2
标签：机械论文; 介质论文; 系统论文; 定子论文; 材质论文; 端面论文; 石墨论文; 《当代电力文化》2019年第08期论文;