摘要：水泵是电厂中所必不可少的设备，能够保证电厂的安全运行，同时提升电厂发电的质量，根据不同的划分依据，水泵也可分为不同的类型，但是无论是哪种类型的水泵，其安全可靠性都是非常重要的因素，因此，通过可靠性分析，避免水泵出现各种故障，保障水泵的正常运行，对于电厂来说，有着十分重要的意义。基于此，本文主要对高压水泵用机械密封变形的影响因素及控制方法进行分析探讨。
关键词：高压水泵；机械密封；变形；影响因素；控制方法
1、前言
水泵机械密封的主要优点是密封可靠，在一个很长使用周期中，泄漏很少；作用寿命长，一般能使用5年左右；维修周期长。但机械密封结构复杂，制造与安装精度高，成本高，对维修人员的技术要求高，由于机械密封的优点火力发电厂中高压给水泵、凝结水泵等重要的水泵都使用机械密封，运行过程中机械密封出现故障将会使设备退出运行或影响到机组负荷。检修过程中工作量大。因此，保证机械密封工作可靠，延长机械密封的使用寿命非常重要。
2、水泵机械密封易发生的问题及原因
在使用过程中，机械密封易发生的主要问题是泄漏量超差和温度过高。用手触摸机械密封压盖，如果无法在上面停留，说明温度过高。泄漏量每侧不应超过60滴／min，如果成线状流淌，则说明泄漏量过大，可确定是否观察运行；如果向外喷油，则应立即停机检查。
密封面本身也会提供密封失效的迹象，如振动时，在传动零件上就会有磨损的痕迹，如痕迹不明显，则一般是装配不当造成的。对于质量较差的石墨环（动环）来讲，其内部气孔较多，这是因为在制造过程中，聚集在石墨内部的气体膨胀将碳微粒吹出的所致，因此这种低质的石墨环在密封启用中，其碳微粒很容易脱落，而使密封面在密封停用时粘住。
3、理论模型与计算
3.1主要参数
密封介质性质、工作参数及密封材料的热物理性能等对密封环变形都有着重要的影响。密封介质和冲洗液均为水。工作参数为：密封介质压力7.0MPa，温度20℃，主轴转速2950r/min，弹簧比压0.2MPa。20℃时水的参数：密度998.2kg/m3，比热4.17kJ/kg•℃，动力粘度1.005MPa•s。密封环材料特性参数见表1。
表1 密封环材料特性
3.2计算方法
利用限元分析软件ANSYS10.0对高压水泵用机械密封力、热及其耦合变形进行了计算。采用四边形八节点热实体单元plane77对其温度场进行分析，采用四边形八节点结构实体单元plane82对其变形进行分析。
4、变形结果及各因素对其影响分析
4.1密封环端面耦合变形分析
耦合变形不是力变形和热变形的简单叠加，力、热相互作用产生最终的耦合变形；力变形使密封环产生负锥度，热变形使密封环产生正锥度，耦合变形锥度与热变形产生锥度符号一致，热变形在耦合变形中占主导地位。
4.2介质压力对耦合变形的影响
主轴转速为2980r/min，弹簧比压为0.2MPa，冲洗量为0.5m3/h，水泵介质压力分别为6.0MPa，6.5MPa，7.0MPa，7.5MPa，8.0MPa时密封环的力热耦合变形。随着密封介质压力的升高，动、静环相对变形量呈线性增大，即耦合变形产生的锥度呈线性增大。
4.3主轴转速对耦合变形的影响
高压随泵介质压力为7.0MPa，弹簧比压为0.2MPa，冲洗量为0.5m3/h，主轴转速分别为1000r/min，1500r/min，2000r/min，2500r/min，2980r/min时密封环耦合变形的情况。随着转速的增加，动、静环耦合变形产生的锥度近似呈线性增加。
4.4材料对耦合变形的影响
在相同受力情况下，材料的弹性模量越大，其力变形越小；热传导系数越大，密封环最高温度及温差越低；而在相同温差情况下，膨胀系数越小，密封环热变形相对变形量越小。所以为了减小耦合变形，应尽量选用弹性模量大、导热系数大、热膨胀系数小的材料作为密封环材料。
5、密封环变形协调方法及步骤
5.1密封环变形的控制原则—平行面原则
2个密封面的配合情况，有13种可能：5种扩散面不能应用；5种收敛面在一定条件下可以使用，但泄漏量较大；3种平行面最理想（垂直于轴相互平行和2种与轴倾斜平行面）。采用控制两密封面的变形或控制两密封面的倾斜度，使密封端面保持径向互相平行的原则，称之为平行面原则。具体有下列4种情况：
（1）两环密封端面径向平行且垂直于轴线；
（2）两环密封端面径向平行，但不一定垂直于轴线；
（3）两环密封端面始终贴合来保持两密封端面径向平行；
（4）开流槽密封端面在设计工况下保持两密封端面径向平行。为了保证密封环径向端面平行，必须采取以下措施：（1）通过每个密封环本身的热变形和力变形相互协调，来使两环密封面都垂直于轴线，达到径向平行密封面；（2）通过2个密封环的热变形和力变形相互协调，来达到2个密封面相互平行，此时2个密封环可以垂直于轴线，也可以不垂直于轴线；（3）通过整个密封副或密封系统，使2个密封环始终贴合来保持两环密封面平行，例如，加大轴套与环的径向间隙和密封面宽度，并加大密封副轴向移动间隙，使整个密封副能作上下左右运动来补偿轴系振摆或陀螺效应，使2个密封面始终贴合，保持相互平行等。
5.2密封环变形协调的方法和步骤
影响密封环变形的因素主要有密封结构、密封环材料的物理性质、工作介质压力、粘度、主轴转速、密封环的产热及散热状况等。但是在实际工作中，密封工作介质压力、粘度及主轴转速等因素是给定的，不能改变的。所以，应从其他几个方面来控制密封环变形。具体步骤如下。
1）设计前明确以下参数：
（1）密封工作介质压力，温度及主轴转速；
（2）密封介质的物性参数；
（3）轴或轴肩的直径；
（4）密封环冷却润滑情况；
（5）密封环端面开槽参数。
根据以上参数，选择密封环的形式，密封环表面材料，基体材料和密封圈的材料，确定端面开槽机械密封端面结构参数。在此基础上建立动、静环力学模型，确定其力、热边界条件。
2）应力分析判断变形后是否保持平行
利用FORTRAN程序编制有限元程序求解粗糙表面雷诺方程得出机械密封端面压力场，计算其压力分布，摩擦系数等，然后利用有限元软件ANSYS10.0计算出其力热耦合变形，在此基础上判断动、静环是否保持平行，如果不平行，则要进行变形协调。
3）密封环变形协调
分析密封的力变形、热变形及力热耦合变形，判断影响最终变形的主要因素是力还是热，以便采取相应的措施进行协调，具体协调步骤如下：
（1）改变密封环材料的组合来检查变形是否协调；
（2）利用改变静环的轴向长度、径向宽度和平衡比以及改变辅助密封圈的位置等方法来改变密封环结构以实现变形的协调；
（3）改变密封环端面开槽参数来实现变形协调；
（4）如果上述方法仍然不能协调，可以采用冲洗流体来降低密封环温度梯度。
6、结语
综上所述，随着电力企业不断发展，在电厂中水泵的正常运行关系到了电力供应的效率，因此，要想实现电力系统的稳定发展，首先对水泵的可靠性进行分析。由于电厂中负荷比较大，为水泵系统带来一定的影响，水泵系统容易受到环境因素的干扰，在实际运行中产生一定的故障，因此，在实际的水泵运行中需要加强对其的故障进行检测与处理，提升水泵运行效率。
参考文献：
[1]王婷火电机组水泵故障分析及整治方法研究[D]上海:上海交通大学，2013.
[2]于洪伟.电厂水泵可靠性分析与故障处理措施探讨田.南方农机，2015(05):31-32..
论文作者:王冀钊
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/12
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