摘　要：对船用离心海水泵中机械密封的常见使用故障原因进行了分析，并就消除船用海水泵机械密封故障的方法提出了若干建议。
　　关键词：船用泵；海水泵；机械密封；故障和对策
　　1　引言
　　在导致船用离心海水泵因材料的腐蚀、轴承的磨损和密封的泄漏而产生运行故障的几种主要原因中，由于机械密封的失效或损坏所造成的故障占其运行故障总量的50%～80%。对于某些运行条件比较恶劣的离心海水泵，在某一阶段运行时间内由于机械密封失效或损坏导致的故障几乎成为其无法安全稳定运行的原因。因机械密封的失效或损坏而致使船用离心海水泵需要进行计划外维修的工作量约占其维修量的60%左右。因此如何提高船用离心泵中机械密封的设计水平、制造质量和装配精度，有效地减少或消除机械密封的失效或损坏，已经成为船用泵设计者的重要任务之一。本文试以某船用离心海水泵机械密封的几次失效和损坏故障为例，对其故障发生的内在原因和外在原因进行了分析，并在此基础上就如何减少或消除此类故障提出了几点对策和建议。
　　2　分析与对策
　　2.1 预防和消除主密封的干摩擦
　　机械密封摩擦副摩擦面的干摩擦是机械密封运行的Z大障碍。虽然有些摩擦副材料具有一定的自润滑或耐磨性能，但均不能长期处在干摩擦工况下正常运行。导致摩擦副摩擦面发生干摩擦的直接原因是机械密封腔内有存留空气，或者是有外界空气吸入密封腔，这种现象在立式船用离心泵的实际运行中经常出现。无论立式船用离心泵是否具有自吸性能，在其启动运转之前都必须对泵体机械密封腔进行排气（除非确信泵轴上端的机械密封是浸没在被输送的液体中），否则机械密封处于干摩擦条件下启动和运转在短时间有时甚至是瞬间便会失效或损坏。
　　一般情况下应该将立式船用离心泵的机械密封腔设计成一个开式腔，以保证密封摩擦副能与被输送的液体接触。这样，既可以利用液体带走摩擦副摩擦面因相互摩擦所产生的大量热量，另一方面也可以带走从液体中析出的气体，或者是阻止外界空气进入泵腔内。通常所采用的方法是在泵的上端机械密封的下部设置一个密封腔，并在密封腔体上设置一个排气（液）管并使其与泵的吸入口相通，在排气（液）管上配置一个能够根据需要开关的放泄阀。在泵启动之前将该阀打开，将密封腔内的空气排放，直至有液体排出后关闭。尽量将此阀设置在密封腔的Z上部以便能使密封腔充分充液，同时应适当选取排气（液）管的通径；以便既能保证液体的流通又不致因流量过大而降低泵的容积效率。
　　2.2 提高辅助密封的尺寸和安装精度
　　机械密封中辅助密封的尺寸和形状的误差以及装配方式的不当也是造成密封失效或损坏的原因之一。按照辅助密封的要求，既要保证机械密封中静密封的密封性，又要为机械密封的摩擦副提供良好的浮动性和随动性。辅助密封发生被密封液体泄漏的现象在船用离心泵的实际运转中屡有出现，这既与辅助密封的尺寸和形状的精度有关，也与安放辅助密封槽孔的尺寸和形状有关。
　　辅助密封与密封槽孔尺寸的配用值选用不当，或者使辅助密封在槽孔内过紧压缩，使被密封的摩擦副在运行中缺乏浮动性和随动性，造成摩擦副间产生非平面接触或使其脱开；或者使辅助密封在槽孔内无适当压缩，造成被密封液体通过其装配间隙产生了泄漏。对于通常采用的O型圈，在安装时其分型面飞边的位置也会对其密封性产生重要影响，而这一点常在安装时容易被忽略。
　　2.3 合理选择摩擦副的材料和配用
　　机械密封中摩擦副的制造材料以及两种材料的配对选择是影响其密封性能的一个十分重要的原因，对于输送海水的船用离心泵更是如此。通常对机械密封中摩擦副制造材料的要求：
　　（1）具有较小的摩擦系数和良好的耐磨性；
　　（2）对被密封液体的不可渗透性；
　　（3）具有足够的强度和其它机械性能；
　　（4）具有良好的热稳定性和热传导性能；
　　（5）具有良好的机械加工性能；
　　（6）对密封液体的耐化学腐蚀性；
　　（7）在电解液中具有良好的耐电化学腐蚀性；
　　（8）相配材料应具有抗胶合附着性能；
　　（9）材料易得，价格便宜等。
　　但大多数摩擦副制造材料并不能完全满足上述各项技术要求，因此在选用机械密封摩擦副的配对材料时，一定要充分考虑密封的具体使用情况。对于船用离心泵而言，由于在船舶上运转环境条件的特殊性以及在输送的海水中含有一定量的固体颗粒和杂质并具有一定的化学腐蚀性，因此对其机械密封中摩擦副材料的选择具有一定的难度。
　　从20世纪60年代初期到90年代，船用离心海水泵机械密封摩擦副材料的选择经历了一个漫长的渐进过程。Z初，我们曾效仿原苏联的机械密封材料，又利用化工泵中使用的机械密封材料，也曾采用国外引进船用离心泵中机械密封的材料，同时也在试验室自己研制选配机械密封材料。根据近20多年的设计和使用经验，在大多数船用离心海水泵中，我们选用了硬对硬的材料配对来制造机械密封的摩擦副。按照机械密封的工作机理，机械密封摩擦副的制造材料应选择硬软相配为Z佳。对于具有高性能要求的船用离心泵而言，比较理想的摩擦副材料配用方案是碳化硅对石墨。而对于船用离心泵，由于石墨对海水中固体颗粒的抗磨性较差，因此不能保证机械密封的运行稳定性，也不具备可靠的使用寿命，所以目前船用海水离心泵的机械密封摩擦副的配用材料基本上都是取硬质材料对硬质材料。通常所采用的材料配用方案有：碳化硅对碳化硅、碳化硅对碳化钨、氮化硅对氮化硅以及碳化硅对镍基硬质合金等。但是，往往在选用摩擦副的配用材料时忽略了对磨表面的硬度值对密封性能的影响，致使在选用了优质耐磨材料的情况下得不到良好的耐磨效果。
　　其实，在选用硬质材料对硬质材料来作摩擦副材料的配用时，也应该使两种硬质材料的表面硬度存在一定的差值，即使是采用同一种材料时也应如此。实践证明，采用具有一定硬度差值的硬质材料来作为船用离心海水泵机械密封的摩擦副配用材料，能够取得较好的密封效果。
　　在设计某型船用立式离心海水泵时，选用了一种材质相同的反应烧结碳化硅来作为泵中机械密封摩擦副的配用材料。这种材料具有较高的强度和表面硬度，然而其导热性能极差，在瞬间的干摩擦情况下接触就会在摩擦面上产生热裂，导致密封失效或损坏。在船舶上，这种机械密封在具有外界振动的条件下和含固体颗粒的液体中工作（容易出现故障）。类似的故障经常发生。随后将机械密封的摩擦副材料改为采用热压工艺制成的碳化硅对采用常压工艺制成的碳化硅，使其保持适量的硬度差，密封效果得到了很大提高。
　　上述影响因素及其处理方法都是涉及机械密封部件本身的内容，然而在很多情况下，船用离心海水泵机械密封的故障原因并不在于密封的本身而是在于它所置于的离心泵的结构特性和运行工况。在船用立式离心海水泵的实际应用中，有多起机械密封的失效或损坏实例，经分析论证后确定其原因并不在于机械密封的本身而在于其他因素，比如离心泵中水润滑轴承的运行质量对机械密封的性能影响很大。在立式船用离心海水泵中，有时会采用水润滑轴承作为转子的下端支承，由于海水中固体颗粒和杂质的存在，水润滑轴承在经过一段时间运行后产生磨损，使转子的径向跳动增大，从而干扰机械密封摩擦副的平面摩擦性，造成密封液体的泄漏甚至密封失效或损坏。采用适当的措施使水润滑轴承减小磨损，可以改善机械密封的工作条件，从而提高了密封性能。
　　2.4 重视泵组件的装配质量和连接刚性
　　船用离心泵安装质量和连接刚性也是影响泵内机械密封工作性能的一种重要因素。该型立式海水泵的叶轮悬臂地安装在泵轴上，泵轴没有轴承支撑而是与立式电机的外伸轴通过刚性联轴器相联。在泵装配时都严格按照装配技术要求对所有的装配精度和径向跳动量进行了检查和测量，直到全部合格。然而在泵进入运行阶段时，在机械密封处产生了液体泄漏。在Z新的几次拆检中没有发现机械密封部件本身存在任何问题，只是后来在测量泵的运行振动值时才发现了泵与电机之间的连接架的刚性问题。经过对连接架的有限元分析计算，表明其构件的刚性不足，在泵运行过程中产生的径向不平衡力的作用下出现脉动和变形。后来，对联接件增大了壁厚并适量的增加了加强筋。实际运转表明，装有刚性增大后的连接架的立式海水泵在运转时十分平稳，经过多次开机停车运转试验，机械密封处均无液体泄漏。
　　2.5 合理控制泵的运行工况
　　无论是立式还是卧式船用泵，无论输运海水还是淡水，其运行工况的偏离常常会导致泵内的机械密封产生失效或损坏。目前在很多船舶上，有相当数量的离心泵是在出口阀门敞开甚至是全开的情况下直接启动和运转的，这样就使得泵从一开始就处在大负荷工况甚至超负荷工况下运转。在此工况下，由于泵内出现了汽蚀现象，或者是因为驱动电机的过载而产生了异常振动，将会恶化机械密封的运转条件，导致机械密封的失效或损坏。