大型脱硫循环泵主要用于火电、石油化工、钢铁行业的大型脱硫系统。随着工业发展, 国内火力发电厂发展迅速, 其中大型火力发电厂共有500多家, 燃煤排放的二氧化硫不断增加, 连续多年超过2000万t,致使我国酸雨和二氧化硫污染日趋严重。国家产业政策对环保的要求越来越严格, 特别是火电行业对脱硫系统实行在线检测, 减少SO2的排放。脱硫系统中用泵输送含脱硫渣浆的介质日益增多, 给脱硫泵提供了广阔的市场和良好的发展机遇。传统泵用填料密封由于其泄漏量大, 导致能耗与维修费不断升高, 环境污染严重。是重要的技术之一, 具有密封性能良好、使用方便、主机磨损少、抗振性强等优点, 广泛用作各类泵的密封装置。
脱硫系统含固体颗粒浓度和氯离子浓度较大, 采用普通结构的机械密封难以达到使用要求。目前国外在脱硫泵上使用的机械密封主要为国外某公司生产,由于脱硫介质的腐蚀性和磨损冲刷等特殊工况条件,该公司机械密封采用SiC-SiC配对, 其耐磨性和耐腐蚀性, 以及自润滑能满足使用要求。国产脱硫泵所用的机械密封结构和材质, 大多数从国外引进。同内对脱硫泵机械密封短期内失效的深层次原因分析较少,有关的文献报道也很少。王乃华、鲁天毅报道了石灰石、石膏湿法烟气脱硫金属浆液循环泵国产化研究及实践, 介绍了所开发的烟气脱硫金属浆液循环泵的水力模型、结构、机械密封、材料等, 其中为烟气脱硫循环泵开发的专用密封采用无冲水结构, 摩擦副采用碳化钨材料, 并采用了较窄的环带; 针对烟气脱硫浆液特性, 选用平衡型机械密封以满足压力要求, 采用静环补偿结构以适应大轴径线速度的工况。胡滨、骆建国于2004年申请了一种脱硫循环泵集装式机械密封件实用新型专利(申请号: 200420020662) 。该脱硫泵集装式机械密封件由动环和静环构成端面密封, 其中动环和与之固定的动环座所组成的动环体系固定设置在轴套的外端部, 静环以及抵压于静环内端面的推环、弹簧以及弹簧座组成的静环体系固定设置在压盖中心。杜东波等通过对普通机械密封硬质合金材料的密封端面采用激光打微孔技术, 宋鹏云等通过探讨端面比压对液膜形成机制的影响等,对液膜的形成条件和延长机械密封的使用寿命、提高密封的可靠性等方面作了有益的探讨。
由于国产脱硫循环泵密封腔体处一般存在着“窝气”、“抽空”、“气蚀”等现象, 这就造成机械密封的动、静摩擦副时常处于干摩擦状态, 易造成摩擦副的温度急剧上升。另外, 由于“气蚀”、“抽空”、“窝气”等现象出现, 泵的振动、轴向窜动等现象也加剧, 致使机械密封的使用工况非常恶劣, 而SiC的耐冲击和耐振动方面的性能很差, 很容易脆裂而引起机械密封失效, 使用寿命缩短。鉴于以上原因, 研制一种适合国产大型脱硫循环泵工况要求的新型机械密封装置具有重要经济和社会意义。
1.1、密封装置工作条件
脱硫循环泵输送的介质为石灰石、石膏浆液,其固体颗粒含量为30%～40% (质量分数) , pH值为4～8; 氯离子含量小于等于0.03% ～0.04%。密封装置工作的温度为60 ～80 ℃, 压力小于等于0.8MPa。
1.2、结构设计
图1 机械密封结构示意图
设计的新型机械密封装置结构如图1所示, 主要零部件包括泵轴、组装在泵轴上的动环组件和静环组件。动环组件包括内轴套、通过紧缩圆盘安装在内轴套上的驱动座轴套、与驱动座轴套连接的动环、内轴套、驱动座轴套O形密封圈; 静环组件包括静环、置于静环另一端的推环、弹簧、带导流套的弹簧座, 以及座和静环O形密封圈等, 主要特征在于动环和静环的摩擦环背面均设置有L 形的橡胶缓冲垫, 如图2所示。装置实物如图3所示。
2.1、橡胶L形垫镶嵌YWN12抗冲击设计
国外脱硫泵机械密封动、静环, 采用整体SiC-SiC的摩擦副配对形式, 有优良的耐磨性、低的摩擦因数、高的硬度和耐腐蚀性能, 是国内外机械密封厂家{sx}的材料。这种配对形式在国外的脱硫循环泵上运行状况良好, 使用寿命大都能维持一年以上, 这得益于国外的脱硫循环泵在叶轮曲线设计及工艺上有独到之处, 密封腔体的气蚀现象及抽空现象比较少或者说根本就没有, 这就使机械密封能在浆液润滑的情况下运行, 机械密封的寿命就得到了保障。
但国产脱硫循环泵在刚开始启动时, 由于处于大流量、低扬程状态, 泵的密封腔体容易出现负压现象, 即通常所说的“”现象, 会引起振动、冲击。再加上脱硫循环泵是采用联动起动, 容易形成“气锤”现象, 会加剧对机械密封的冲击作用; 随着泵的振动, 轴向窜动也会加剧, 在这两大因素作用下, 极短时间内容易出现机械密封的动、静环脆裂现象(断裂), 使机械密封在泵启动时失效。
针对上述问题, 需要采取的技术措施, 一是提高密封装置的整体强度, 使其在泵启动时具有较强的抗冲击和抗振动能力; 二是减缓泵启动时的振动和冲击力。
本设计在脱硫循环泵机械密封上采用橡胶L形垫镶嵌YWN12 (新型Ni基硬质合金, 耐腐蚀性能好), 并采用YWN12/YWN12的摩擦副形式, 解决了机械密封既要耐腐蚀又要耐磨损的问题, 提高了动、静摩擦副的强度, 增强了泵启动时密封装置的抗冲击和抗振动能力。
2.2、采用最小弹簧力的防“干烧”设计
脱硫循环泵在刚开始启动时, 泵的密封腔体容易出现负压现象, 如果按常用机械密封要求设计弹簧比压, 使用过程中, 因为泵的轴向移动, 使弹簧力偏大, 导致摩擦副表面发热也大, 产生“干烧”现象,影响密封的正常使用。
从理论上讲, 机械密封的设计应使端面载荷最小(从而磨损也最小), 因此设计者应选择平衡半径d,使闭合力与被密封压力无关, 且仅依赖于一小的弹簧力, 这就要求面积比K =A1/A 和弹簧力Fs都应尽可能小。最小的实际弹簧力由2个因素支配, 其一是副密封阻力(O形圈) ; 其二是端面反压系数。弹簧力必须克服副密封(O形圈高阻力) 的{zd0}阻力, 否则界面将开启, 导致过大的泄漏, 也就是说补偿环追随性能不好。通过对某脱硫循环泵机械密封O形圈阻力、腔体温度、压力、端面摩擦状态等进行综合计算分析,最小弹簧力的设定, 需主要考虑O形圈阻力和端面反压系数, 并考虑到介质沉积物在补偿环和轴上“挂起”, 在停机冷却(或启动加热) 期间存在大的轴位移时, 密封副摩擦力可能高的情况下, 保证密封具有最基本的追随性能, 同时减少弹簧比压。最小弹簧力必须克服密封的摩擦阻力和液膜的反压系数, 确保端面不要出现开启现象, 即端面的载荷力在任何运行工况下都为正值, 以确保密封摩擦副在正压和负压时都保持良好的贴合状态。
采用最小弹簧力, 关键技术在于确定脱硫循环泵实际运行工况及摩擦副的状况。脱硫循环泵工况通常为密封腔体压力在0.3MPa以下, 离子质量分数为4%～6% , 温度为30～50℃, 转速为790r/min, 含固体颗粒CaCO3和CaSO4。在这种工况下运行时, 摩擦副处于混合摩擦状态, 液膜相为固液混合相, 液膜的反压系数为rm=0.3 p。经过反复的研究与实践,最终确定弹簧比压处于0.1～0.12 MPa范围内, 而传统HR型密封弹簧比压是处于0.15 ～0.20 MPa范围内, 即比传统的机械密封减少弹簧比压约30%。
2.3、增加轴套抗振动和冲击的设计
密封装置的紧缩园盘轴套与轴的配合, 国内外同类机械密封都是靠内孔应力变形配合。在泵运行流体稳定的状态下, 机械密封不会产生轴向移动, 但是,在泵启动或运行流体不稳定时, 由于泵的振动力、冲击力的影响, 紧缩园盘容易出现松动的现象, 导致构件损环。
脱硫循环泵输送的流体不稳定, 产生的振动力、冲击力也大。如何解决园盘轴套与轴的配合, 以承受泵的较大振动力、冲击力, 防止紧缩园盘容易出现松动的现象, 成为本设计的关键技术之一。
传统的基环316L不锈钢镶嵌YWN12技术采用的是过盈配合, 配合公差一般是H8/V7, 采用轴套组合的工艺, 这种工艺存在的缺陷是由于过盈配合镶嵌处不可避免存在应力集中, 会导致密封面的变形,虽经时效处理, 上述变形有可能减轻, 但大轴径的应力变形仍无法避免。
本装置采用在紧缩园盘轴套上开R小槽, 通过R小槽增强轴套抗振动和冲击的能力, 减小轴套壁厚,降低变形压力, 使轴套在紧缩园盘的作用下, 通过应力变形紧紧地抱在轴上, 防止因振动、冲击出现松动的现象。
2.4 采用节流环装置的防干摩擦设计
机械密封主要是根据流体膜润滑(即由流体膜承载与保持密封和润滑) 的成膜理论进行设计。以该理论设计的机械密封, 在泵启动时, 密封装置润滑液未达到密封面时, 密封装置动、静环处于干摩擦状态。
在脱硫循环泵的运行工况下, 密封腔体一般终存在着“窝气”、“抽空”、“气蚀”等现象, 也就是说密封腔体处出现短时没有液体或负压(即抽空)现象, 摩擦副的干摩擦现象是无法避免的, 这是由于脱硫循环工况操作系统工艺所决定, 也与脱硫循环泵的叶轮设计曲线有关, 这种现象在泵刚启动时出现的概率更多。
实际运行证明, 泵在开启时属低扬程、大流量情况, 泵的密封腔处出现抽空(即负压现象) , 在中途“鼓氧”过程中, 摩擦副处又存在“窝气”的现象,在这两种情况下, 摩擦副就处于无介质液体润滑情况下工作。从理论上讲机械密封是绝不允许这种情况出现, 但进口的HR型机械密封没有考虑上述因素的出现, 在泵开启时摩擦副时常处于干摩擦状态, 造成摩擦副的温度急剧上升; 当输送介质进入后, 温度又急剧下降。因摩擦副时常处于急冷急热状况, 这样整体SiC-SiC的摩擦副结构缺陷就凸现, 特别在急冷情况下, SiC存在着“冷脆”及“炸裂”现象, 造成摩擦副突然断裂, 导致密封整体失效, 这是HR型密封用于国产脱硫循环泵存在的普遍问题。
基于上述情况, 本装置采用节流环技术, 设计了节流环装置。该节流环装置由进水口、导向套、折流套、出水口、节流环等部件组成, 在泵启动时, 由外界引入低压冷却水, 通过导向槽到达机械密封的动、静环, 使密封装置动、静环摩擦副启动时得到有效的润滑。当正常启动后, 润滑液到达密封装置的动、静环后, 关掉进出水口, 密封装置动、静环在润滑液润滑下正常运行。采用节流环技术, xx避免了机械密封出现干摩擦的危险, 气蚀、抽空、负压等问题基本得到解决。
新型密封装置经石家庄工业泵厂、广西永福电厂、山东蓬莱电厂等单位试用, 反映该机械密封装置质量稳定, 安装简单, 使用效果好, 能满足脱硫循环泵的工况要求, 同时具有结构合理、强度高以及运行周期比较稳定等特点。使用寿命平均维持在8000h以上, 并能够连续无故障运行。当然, 该密封装置也存在不足之处, 如机械密封装置使用过程中, 摩擦副会有一定的摩擦热产生, 而橡胶L形垫传热性能较差, 传递不太好, 至使降温不快, 对机械密封使用寿命产生一定的影响。不过可以在温度较高时, 利用节流环装置, 输入冷却水使温度尽快降低。在以后的改进中将采取温度自动控制系统, 当温度达到一定值时, 自动启动冷却水装置进行降温, 温度降到一定值时, 自动关闭冷却水, 达到温度自动控制的目的。
