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钛液泵轴封的失效原因及改进设计
论文摘要：在对钛液泵原有轴封的失效原因进行分析和实验研究的基础上，筛选出适合的摩擦副材料，并提出了两种结构的改进设计方案，经生产运行试验结果证明，改进后的轴封比原有轴封寿命提高4～6倍，在保证内冲洗的条件下，其寿命还可进一步提高。
Reasons for Failure and Improve Design of Rotating Axial Seal in Titanium Dioxide Processing Pump
Dong Zongyu et al
Reasons for failure of original axial seal in titanium dioxide processing pump were analyzed.On the experimental investigation basis，suitable materials of a pair of friction components were selected，two improved design constuctions were used for industrial test，the result indicates that operating life of improved rotating axial seal is 4～6 times longer than original one.Operating life will be much longer.
Keywords：titanium dioxide processing pump，seal，reasons for failure，improve design
1前言
攀钢钛白粉厂采用浓硫酸分解钛铁矿粉的工艺路线生产二氧化钛，在其生产流程中有一系列钛液泵，由于钛液具有强烈的腐蚀性，且含有固体微粒［1］，致使泵的过流部件和密封元件受到腐蚀和磨损的双重作用而极易损坏或出现异常故障，密封元件频繁更换，并且严重污染环境。几年来，该厂钛液泵轴封的平均寿命都只有50h左右。显然，无论从降低生产成本或减少环境污染来说，这都是急待解决的问题。
2原有轴密封存在的问题
该厂各工序用钛液泵均采用FSP型耐腐蚀泵，原配置的轴密封结构如图1所示。该轴封为单端面外装、外装式机械密封。氮化硅(Si3N4)静环用压盖固装于泵体法兰上，填充聚四氟乙烯动环以过盈方式镶嵌于纯聚四氟乙烯波纹管的环形端面凹槽中。由压紧环通过弹簧座内端面将波纹管底面固定于叶轮轴上，使其随轴旋转并同时压缩弹簧，对密封端面加载。静环压盖背面上方开有径向沟槽与外接自来水管相通，以冲洗、冷却密封面外周。
图1FSP泵原用密封结构
(1)密封面磨损和变形严重当停车后再次起动时，钛液中析出的结晶颗粒和其它固体杂质会引起密封面的磨粒磨损，而原密封端面采用氮化硅/填充聚四氟乙烯的材料组对，二者在钛液中虽然都有较好的耐蚀性，但其摩擦磨损特性不佳，尤其是填充聚四氟乙烯，其减摩性好，但不耐磨，当密封间存在硬粒时，硬粒易嵌入材料表面，在相对滑动过程中对材料表面起切削作用，致使光洁平直的密封面出现多道沟槽状磨痕。再者，聚四氟乙烯在外力作用下极易产生“冷流”而变形［2］，特别是外流式结构，为了补偿密封环端面磨损后仍保持贴合所需的密封力，往往在初装机械密封时，有意增大弹簧压紧力，致使端面比压过大造成填充聚四氟乙烯密封环严重变形和过度磨损，这是导致密封过早失效的重要原因。
(2)波纹管的补偿性能丧失原有密封采用的聚四氟乙烯波纹管结构，其波纹断面形状为矩形且波数多，波间距小，虽然加工方便，轴向补偿性能也较好，但对于含固体结晶微粒的介质，一旦微粒沉入波纹管凹槽中就很难排出，将严重影响波纹管的轴向弹性补偿性能而导致密封失效。
(3)辅助密封功能降低外装外流弹簧旋转式机械密封结构，当采用聚四氟乙烯或橡胶波纹管做动环辅助密封时，通常依靠外加压紧力或过盈配合使波纹管尾部紧贴轴套台肩上或周向箍紧在轴套上以达到阻止流体沿轴向泄漏的目的。而动环或安装动环的波纹和头部最小内周直径与轴套之间应有一定间隙，以保证动环端面磨损后能沿轴向浮动，同时有压力的密封流体通过这一间隙进入动环密封面背部对密封端面可起自紧作用。但原有钛液泵机械密封结构上没有考虑这些问题，而且与叶轮制成一体的塑料轴套的外圆及波纹管内周的尺寸和形状精度都较差，既不能作轴向补偿，又不能使流体进入密封面背部，因此大大降低甚至完全丧失了波纹管辅助密封的功能。
(4)冲洗效果差原有密封设计的冲洗方法，是将自来水通过装在静环压盖上的接管和压盖背部的径向槽冲向静环和动环接触面外周，以期达到冲洗和冷却端面的目的。但这种结构，密封介质实际上是通过静环内周与轴套间隙而进入密封面的，因此自来水冲洗仅仅将已通过端面泄漏的介质冲洗到地面，既起不到阻漏的作用，也不利于操作环境的改善。
3密封的改进设计
通过对运行过程中轴封泄漏现象的考察，及失效密封元件残体的检测，证实了上述的分析结论。为此，在不改动原泵主体结构的前提下，本文着重从筛选摩擦副材料、强化冲洗冷却措施、完善补偿机构的功能等几方面进行了密封改造。
3.1摩擦副材料选择
通过对碳化硅(SiC)、高硅铸铁、碳化钨(WC-Co)、浸玻璃石墨等多种材料在钛液中的静态腐蚀试验(见图2)和石墨/SiC、石墨/WC-Co、石墨/Al2O3、填充聚四氟乙烯/SiC、填充聚四氟乙烯/WC-Co、填充聚四氟乙烯/Al2O3、WC-Co/SiC、WC-Co/WC-Co等多种材料组对的密封环在水介质中的摩擦特性试验(见图3)表明，碳化硅材料与其它几种材料相比，在钛液中的耐蚀性最好；各种材料组对在清水介质中的摩擦系数都较小，说明几种材料组对都有较好的摩擦相容性［3］，而从几种材料分别与石墨组对的磨损值随PV值的变化曲线(见图4)［4］来看，SiC最低。因此从综合特性考虑，石墨/SiC组对比较合理，如果生产现场操作条件不能充分保证良好的冲洗条件以阻止固体粒子进入密封面，则选择SiC/SiC的摩擦副材料组对更为适宜。
图2几种材料腐蚀结果
图3几种材料组对的摩擦系数
(介质：清水，平均滑动速度3.46m/s)
图4几种材料PV值-磨损曲线
对于外装外流式机械密封，当被密封介质含固体颗粒时，若将压力略高于被封介质压力的冲洗冷却液从外部管路系统引入静环背面，既对含固体粒子介质起封堵作用，同时又对密封环面起润滑冷却作用，这对提高机械密封寿命是十分有效的。
由于受泵体结构不能变动的限制，既要达到上述冲洗冷却目的，又要满足静环材料对钛液的耐蚀性和耐磨性要求而需选用难加工的碳化硅陶瓷做静环，只好将静环设计成钛环座与SiC环的组合结构。冲洗水由静环外周接管沿径向孔进入环的背面及内周，有效地达到封堵和润滑端面的目的(见图5)。
图5改进后的密封结构
根据现场条件，设计了两种方案，见图5。
图5(a)的方案Ⅰ是将碳化硅动环套装于压环内，构成组合式动环；波纹管的波形断面设计成梯形；加载采用小弹簧结构。
图5(b)的方案Ⅱ中摩擦副材料、静环组合结构和冲洗冷却方式与方案Ⅰ相同，波纹管的波形断面了是采用梯形，不同的是碳化硅动环直接镶嵌于聚四氟乙烯波纹管的端部环槽内，轴向伸出环槽3～4mm。
3.4端面比压计算
已知钛液泵的出口压力最大为0.35MPa，密封腔的最高工作压力P0.25MPa，泵的工作转数n=2900r/min，工作温度T≤60℃，轴套直径d=50mm。端面比压Pc按下式计算：
Pc=Ps+(K-λ)P
式中，弹簧比压Ps，小弹簧结构Ps=0.518MPa；大弹簧结构Ps=0.369MPa；载荷系数K，小弹簧结构K=0.55；大弹簧结构K=0.27；液膜反压系数λ≈0.5，计算结果：小弹簧结构Pc=0.531MPa，略偏大；大弹簧结构Pc=0.31MPa，较合适。
4现场运行试验
将改进设计的小弹簧和大弹簧两种结构的机械密封分别安装在浓钛液泵和稀钛液泵上进行运转试验，由于现场试验条件所限，大弹簧结构暂无内冲洗，静环材料仍用整体氮化硅，动环材料为浸呋喃树脂石墨。
试验表明，改进后的密封在浓钛液泵和稀钛液泵上较原有密封的使用寿命分别提高了4～6倍。但由于现场冲洗水压力低，未能充分发挥内冲洗的效能，大大限制了使用寿命的进一步提高。
5结论
(1)机械密封摩擦副材料原用Si3N4/填充聚四氟乙烯，不适用于钛液介质条件。改为Si3N4/石墨后，寿命提高了4～6倍，但石墨磨损量仍偏高，改为SiC/SiC，寿命将会有更大提高。若充分发挥内冲洗作用，则SiC/石墨组对也可获得较长寿命。
(2)根据钛液泵的结构尺寸和工作参数，机械密封的弹性元件设计成大弹簧结构或小弹簧结构均可，但由于现场环境条件及泵的精度较低的实际情况，采用大弹簧结构更实用。
(3)波纹管断面形状由矩形改为梯形后，不仅受力状态好，且不易沉积固体微粒，有利于充分发挥其弹性补偿功能。
(4)用于含固体粒子介质的机械密封，内冲洗结构设计是提高密封寿命的技术关键。
作者简介：董宗玉，女，副教授，长期从事流体密封与材料方面的科研和教学工作。
董宗玉（四川大学）
吴旨玉（四川大学）
王伟（四川大学）
陈匡民（四川大学）
杨颖志（攀钢钛白粉厂）
董英杰（攀钢钛白粉厂）
参考文献
1，裴润等.硫酸法钛白生产.北京：化学工业出版社，1982
2，陈匡民.化工机械材料腐蚀与防护.北京：化学工业出版社，1990
3，陈匡民等.流体动密封.成都：成都科技大学出版社，1990
4，徐发祥等.机械密封手册.南京：东南大学出版社，1990(end)
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