循环（脱硫）泵轴密封的研发和使用
——新型自平衡密封研究报告
作者：宙斯泵业 一凡
主题词：脱硫、循环泵、新型密封
一、 写在前面
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：
(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)
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。
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。
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。
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！
宜兴市宙斯泵业有限公司 产品开发部
2011年12月
