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脱硫循环泵轴密封的研发和使用——新型自平衡密封研究报告
更新日期:2018-01-15

一、 写在前面

脱硫循环泵轴密封的研发和使用

  目前,国内大部分脱硫循环泵的机械密封寿命在10~12个月左右,国外进口的循环泵,密封寿命相对长一些,也只能达到2年左右。我公司自2002年起,开始研发脱硫循环泵专用机械密封,至今已经过10个年头。目前已研究出一种寿命能达2~5年的新型机械密封,得到了客户的好评和认同。

  在十年的研发和试验过程中,由于经验和知识的不足,经过了数百次的失败,耗资近千万元,得罪了数十家用户,可以说是道路艰难和坎坷。但在很多客户的长期支持下,在公司研发小组的长期努力下,经过各种不同工况的使用,对出现的各种问题的分析和总结,对密封结构和安装方法的不断改进,现已基本掌握了该密封的关键技术,也在相当一部分用户的典型岗位取得了很好的使用效果。有的单位已连续运行三年尚未损坏,有的单位用该密封的泵与国外进口泵(价格高5倍)比较使用,6年后,进口泵停运了,我们的泵还在运行。至此,脱硫泵新型密封的开发已初告成功。现把研发、试用过程中的一些情况向用户报告,目的在于:我们在推广应用该技术的同时,也能为客户带来方便和利益。

  二、密封设计的前提和方案

  循环泵(例如脱硫、喷淋循环泵、净化烟气制酸循环泵)的工作要求,不仅要防腐、耐磨损(因为介质中有固相颗粒),还要长期连续运行,同时密封寿命还要长。泵的质量优劣,一般体现在使用寿命方面,尤其是第一次检修周期的时间,是反映泵运行稳定性的一个重要标志。而决定首次检修周期长短的决定性因素,80%以上为轴密封的首次泄漏周期,只要密封一泄漏,就要停机检修。国内循环泵的首次检修周期2~12个月不等,有少数时间会更长一点;进口循环泵的首次检修周期一般会达2~3年左右。从这一指标角度,可以反映国产循环泵和进口循环泵的质量差异。因此,要提升循环泵的首期检修周期,首要任务就是提高密封的使用寿命。要研发长寿命的循环泵,就应围绕这个核心技术问题进行攻关。通过反复琢磨,我们逐步形成了一个独特的轴密封设计方案。具体如下:自平衡双端面的设计结构

  (一) 自平衡双端面的设计结构

  该密封的结构极为简单(见图一)

  其主要结构在密封盒腔体中设置一个球形橡胶弹性圈(6),顶推压紧动静环,球形圈(6)外侧的腔体和泵腔内的液体相通,起到传递流体压力和内冷却(系统)的作用。由密封比压调整环(10)与密封盒压盖(8)及限位螺丝(11)组合成的动静环压紧力调节系统,随时都能对动静环压紧力进行调节。该密封成为结构简单,密封结构中无金属弹簧和其它金属件,绝无腐蚀之虑,因此特别适用于有腐蚀性的介质输送。工作原理科学,功能完备的组合式密封。

  (二) 工作原理

  2.1 密封寿命长的工作原理(见图二)

密封寿命长的工作原理  泵机在运行时,叶轮背叶片(1)的离心作用使密封盒腔体(3)中压力降至负压状态,受负压的吸力作用,球形弹性圈径向膨胀,轴向收缩作用于静环的顶推力下降,动静环之间的比压降低,降低处于无压接触状态下运行,只有很少的磨擦,磨损极少,因此密封寿命会很长,而其它钢丝弹簧顶推的机封则无法达到这样的效果(如果弹簧压紧力低,则泵内压力升高时流体外泄,若弹簧压力增加,可防止高压流体的外泄,但却增加了动静环的磨擦阻值,缩短了使用寿命,是一个很难处理的两难选择。)

  2.2 开机不泄漏的工作原理(见图二)

  因为是内安装式机械密封,动环(2)旋转产生的离心力方向与液体的泄漏方向相反,液体受动环(2)离心力的排斥,不能外泄,加之密封部位的流体是负压区,液体不会外泄。停车时不泄漏的工作原理

  2.3 停车时不泄漏的工作原理(见图三)

  停车时,叶轮停止旋转,离心力功能失去泵腔内密封盒部位的流体(2)由负压转换为常压或高压(水锤的作用),液体压力对球形弹性体的外球面产生汇压作用,使球体径向收缩,轴向伸长顶推静环的压力增大,防止了液体外泄,可达到停车不泄漏的目的。

  三、试制和试用

  密封技术思路虽然比较完美,但毕竟是设计,是一种理想化状态,效果如何?还是要靠实践来证明。然而当我们在国内近百家用户布点试用后,返回的结果却是很不理想:密封磨损、密封泄漏、运行不正常、泵损坏之声,不绝于耳。有的客户甚至要退货退款,维修大队十二人在外维修犹如救火,春节也不能回来。我们对这些情况的出现,进行全面的反思和认真的分析,探求解决的方法。经过综合分析,找到密封运行不正常的原因主要由以下几个方面造成:

  一是工作原理设计类的问题。主要体现在泵机运行时,泵进出口压力场对密封产生影响,使密封部位空腔中的压力变化波动过大,造成密封运行不稳定,解决的方法:改良设计,阻断进出口压力场的影响,改进后该缺点得以克服。

  二是结构设计上的问题。其中有二个问题:一是球形钢橡胶顶推圈钢性不足,输送液体在65℃以上就会变形、失效,这个问题好解决,增加强度和橡胶的耐温性即可;二是动静环松紧调节系统调节余量偏大,无标准刻度,操作人员难以掌握。造成调节不当,引起动静环磨损开裂,解决的方法是减少调节余量,改变调节方式,把调节方式定量化,可操作化。此项改良也取得了好的效果。

  三是密封组装方法的问题。主要体现在动静环压紧力的松紧程度掌握无度,如果松了会漏液,如果紧了动静环磨损,这个难点是试制过程中造成问题的主要原因。这一问题经过二年多的摸索,才得以解决。

  四是使用方法问题。使用方法不当主要有空机起动运转;停车后沉淀物料堵塞泵腔,堵死密封腔;起动前不进行盘车或点起动等,引起密封损坏。

  五是使用工况不当引起的损坏。主要有以下几种情况:一是高吸程岗位使用,吸程超高1米(该密封不适用于有吸程的岗位);二是含固量超过30~40%(体积比)的岗位(该密封不用外接冷却水,因此固体含量过高,对密封影响较大);三是输送介质与密封材料不匹配的岗位,例如氨法脱硫的岗位,要选耐氨的橡胶圈,否则使用寿命就不长。

  通过前期近四年的努力,逐步找到了密封产生问题的成因,也同时找到了解决多种问题的方法。使得密封的制造和使用技术逐步成熟,客户的满意度也逐步提高,好消息不断传来。例如:

  ● 江西铜业有色集团公司6台300UHB-Z-1200-26型泵,在80万吨硫酸工程上循环运行,自2006年至今2011年11月,运行正常,中途只有少数泵更换过一次动静环。

  ● 葫芦岛有色金属集团公司,铅锌冶炼密闭鼓风炉环保技术改造工程,选用300FXB-Z-850-32(132KW-4)4台和250FXB-Z-650-27(90KW-4)2台,05年采购,06年起用至今2011年11月,运行良好,中途换过一次密封,一次泵壳。用户反映满意。

  ● 葫芦岛有色金属集团公司硫酸厂二氧化硫减排109项目改造,用350FXB-Z-1200-32(160KW-4)、300FXB-Z-800-27(132KW-4)2台、用至2011年11月时,运行情况很好。用户满意。

  ● 安徽铜陵金龙有色金属公司,烟气制酸改造工程选用2台300UHB-Z-1000-32(160KW-4)型泵与进口的4台同参数泵比较使用至今,进口泵已停运多时,而所选2台自平衡密封泵运行正常,使用6年,中途更换一次备件。

  ● 河南开祥化工集团,自备热电脱硫工程,2台300UHB-Z-800-20(110KW-4),08年用至现在2011年11月,运行正常。

  ● 东方希望包头稀土铝业有限责任公司自备电厂,所选6台500UHB-ZK-2800-24(375KW-8)脱硫循环泵,(3备3用),在岗位运行的泵,至今尚正常运行,09年因叶轮变形整修过二次,叶轮改进后运行正常,密封完好。

  ● 山西晋丰环保工程有限公司经办的山西襄垣县诚丰电力有限公司2×50MW发电厂脱硫工程,3台400UHB-Z-2000-19(355M2-6)型泵,2007年运行至今,仅换过一次密封,4年来一直运行正常。

  ● 还有奇怪的是广州市梅山热电厂脱硫工程2005年选用2台250UHB-Z-500-32(90KW-4)型泵,调试阶段3个月,损坏过数十次,使用方执意退货,后来发现损坏的原因是球形橡胶不耐其氨法脱硫的介质所至,后改进橡胶材质后,一直使用至今,已有6年,尚正常运行。

  成功的案例很多,满意的客户也很多,但失败的例子也不少,针对这些情况,我们进行了反复的论证和总结,不断改进、不断试验、不断总结、不断提升,经过数年的改进,使得该密封的质量性能大幅度提升,得到了客户的好评,客户回头率大幅度提高。

  四、优点和禁忌

  经过国内数千个工作岗位的多年运行,经过总结分析,我们认为确实有很多其它类型的密封无法比较的优点,其主要优点有:

  1. 密封无腐蚀之忧:因为整体密封无金属件,无金属弹簧,无金属弹簧被腐蚀,引起弹簧失效,进而引起密封失效的忧虑。而事实上大部分机封寿命只有6~12个月左右,其主要原因为弹簧被腐蚀而影响动静环的压紧力,进而造成轴密封失效。而在本技术的密封上,不存在以上隐患。

  2. 密封寿命长:原因在于密封的结构合理和工作原理的科学,能利用泵体的压力调节动静环之间的比压,使磨损控制在最小的范围,实践证明:在流体压力变化不大的岗位长期运行,密封寿命可以长达3~5年。这也是其它结构的密封无法相比的。

  3. 维修方便:因该密封独特的结构,密封维修时,组合件动环、静环和球形圈均可以从叶轮端取出,不需要拆卸泵壳,即可修复密封,这种结构,对大型泵(300mm进口以上)的修理十分方便,这也是其它机械密封不能比较的优点。传统内装式机械密封结构图

  4. 克服了传统密封静环和静环座之间的卡砂问题,原有机封均有静环和静环座(见右图),静环靠静环座固定,静环和静环座之间有“O”形圈密封,也同时存在着间隙,就是这间隙里,很容易淀积固相物料或卡砂。进而卡死静环的轴向伸缩,使静环变成“死”静环,从而导致密封失效,这是传统内装式机封的固有的弱点,输送带颗粒物料的泵,这种缺点犹为突出。而本技术的密封结构中的静环是不设置静环座的,因此不存在卡砂之忧。

  5. 结构极其简单:密封全部组件只有动环、静环、橡胶鼓、密封盒四件(见下图),而常规机械密封则除动环、静环外,还有“O”型圈、静环座、弹簧、顶圈、防水密封圈、紧固件等数十种备件。由于结构极其简单,因此方便了拆装、维修和备件管理。确实应证了所谓“简单就是科学”的道理。自平衡密封组件照片

  Z型密封以上的数项优点,也是该密封在市场的优势,确是其它类型密封无法比拟的优势。该密封的长处,已给先期应用的用户带去了实实在在的利益,今后或许也能给我们的准客户带来替在的利益。

  虽然该密封有诸多的优点,但也确实存在着有些岗位不适用的情况,必须限止选用,例如:

  1. 该密封不适用于有吸程的岗位。进口流体低于泵吸入口1米以上。
  2. 不适用于含固量超过20%岗位(体积比)。
  3. 不适用于输送压力超过0.5MPa的岗位。
  4. 不适用于硫酸浓度超过75%,硝酸浓度超过25%,和强腐蚀溶剂的岗位。
  5. 不适用于输送介质温度超过90℃的岗位。

  以上不适用的工况,请用户选型时认真关注,以免引起不良后果。

  五、体会和小结

  道路是曲折的,前途是光明的!

  Z型密封的开发研制过程和发展前途可以借用“道路是曲折的,前途是光明的”这句话来概括,因为,十年研发的历程给我们带来了艰辛、困惑、困苦和大量的财力消耗,可谓道路曲折漫长。所谓“前途光明”是现在已找到了问题的原因,基本掌握了关键技术,成功使用的客户越来越多,客户回头率大幅上升,前景看好,或许今后能成为循环泵的主流密封。

  感谢支持者和致歉受害者:在研发过程中,我们曾得众多的脱硫工程用户和硫酸工程用户的热情支持和协助,我们借发表此文之际,表示衷心的感谢和致意。同时对在漫长的试验过程中,热情地协助我们,但却带来了不少麻烦和一定的经济损失,我们表示诚挚的歉意,只能说声对不起!现在产品已改良完善,如再想合作,我们不仅欢迎,还会提供优惠的措施和热情的服务。

  六、知识产权情况的汇报

  本密封技术涉及的专利:200420027853.6、200420027854.0、200430108688.2有三项专利在申请和审批过程中。

  以上试制情况,特此报告!

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