大型脱硫循环泵用新型机械密封装置的设计(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中南大学 作者:母福生

  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。机械密封是重要的流体密封技术之一, 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、新型密封装置的开发

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

机械密封结构示意图

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O形密封圈、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, 以及法兰座和静环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、主要技术特点

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首选的材料。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“气蚀”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。

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