水泵软填料密封问题的分析与改进

水泵软填料密封问题的分析与改进

李淑英

呼兰区自来水公司

摘要：

传统的水泵密封是使用软填料作为密封材料的，其结构在使用的过程中存在着易磨损、密封稳定性差等问题，极度影响供水效率。本文着重针对这些问题进行分析，并采取高效的改进措施逐一进行论述。

关键词：水泵密封、软填料、改进

一、前言：

我公司是哈尔滨最大自来水公司之一，在生产过程中，水泵填料的损坏是影响产量的主要关键问题，例如我水厂现有20台800S76B大型离心水泵，流量6300 m³/ h，扬程50m，过去使用的是普通浸油麻丝软盘根，经常损坏，这种盘根，使用寿命不到800小时，经常维修和更换，不仅使工作带来压力，更重要使水泵出现漏气、漏水，造成叶轮严重气蚀，影响了正常供水，为此，对盘根损坏的问题进行了分析，提出了改进措施。

二、软填料密封的基本结构及其密封原理：

        如下图１所示为一典型结构的软填料密封。软填料装在填料箱内，压盖通过压盖螺栓轴向预紧力的作用使软填料产生轴向压缩变形，同时引起填料产生径向膨胀的趋势，而填料的膨胀又受到填料箱内壁与轴表面的阻碍作用，使其与两表面之间产生紧贴，间隙被填塞而达到密封。即软填料是在变形时依靠合适的径向力紧贴轴和填料箱内壁表面，以保证可靠的密封。

填料与运动的轴之间因有相对运动，难免存在微小间隙而造成泄漏，此间隙即为主要泄漏通道。填料装入填料箱内以后，当拧紧压盖螺栓时，柔性软填料受压盖的轴向压紧力作用产生弹塑性变形而沿径向扩展，对轴产生压紧力，并与轴紧密接触。但由于加工等原因，轴表面总有一定的表面粗糙度，其与填料只能是部分贴合而部分未接触，这就形成了无数个不规则的微小迷宫。当有一定压力的流体介质通过轴表面时，将被多次引起节流降压作用，这就是所谓的“迷宫效应”，正是凭借这种效应，是流体沿轴向流动受阻而达到密封。填料宇宙表面的贴合、摩擦，也类似滑动轴承，故应有足够的液体进行润滑，以保证密封的使用寿命，即所谓的“轴承效应”。

显然，良好的软填料密封即是“轴承效应”和“迷宫效应”的综合。适当的压紧力使轴与填料之间保持必要的润滑膜，可减少摩擦磨损，提高使用寿命。压紧力过小，泄漏严重，压紧力过大，则难以形成润滑液膜，密封面呈干磨擦状态，磨损严重，密封寿命将大大缩短。因此，如何控制合理的压紧力是保证软填料密封具有良好性能的关键。

三、软填料密封存在的问题：

传统软填料密封主要存在以下几个方面问题：

1、径向压力分布不均，摩擦磨损严重：

由于填料是弹塑性体，当受到轴向压紧后，产生摩擦致使压紧力沿轴向逐渐减少，同时所产生的径向压紧力使填料紧贴于轴表面而阻止介质外漏。如图2所示，径向压紧力的分布由外端（压盖）向内端，先是急剧递增趋平缓，被密封介质压力的分布由内端逐渐向外端递减，当外端介质压力为零时，则泄漏很少，大于零时泄漏较大[2]。由此可见，填料径向压力的分布与介质压力的分布恰恰相反，内端介质压力最大，应给予较大的密封力，而此处填料的径向压紧力恰是最小，故压紧力没有很好的发挥作用。实际应用中，为了获得密封性能，往往增加填料的压紧力，亦即在靠近压盖端的2-3图填料处使径向压力最大（约为平均压紧力的2—3倍），当然摩擦力也增大，这就导致填料和轴产生如图3所示的异常磨损情况，严重影响了密封工作的稳定性。填料圈数较多，轴向高度越大，比压越不均匀。

2、散热、冷却能力不够：

软填料密封中，滑动接触面较大，摩擦产生的热量较大，而散热时，热量需通过较厚的填料，且多数软填料的导热性能都较差。摩擦热不易传出，致使摩擦面温度升高，摩擦面间的液膜蒸发，形成干摩擦，磨损加剧，密封寿命会显著降低。

3、应力松驰现象严重，密封工作的稳定性差：

由密封填料的黏弹性分析可知，在恒定应变作用下，密封填料产生明显的应力松驰，严重的应力松驰必然导致软填料密封的早期失效。传统的软填料密封，螺栓所施加给填料的预紧力是恒定的，由于磨损引起填料的压缩变形量稍有减少，就会加剧填料的应力松驰，从而降低了密封工作的稳定性和可靠性。

4、自动补偿能力较差：

软填料磨损后，填料与轴杆、填料箱内壁之间的间隙加大，而传统软填料密封结构无自动补偿压紧力的能力，随着间隙增大，泄漏量也逐渐增大。因此，须频繁地拧紧压盖螺栓。

5、偏摆或振动的影响：

水泵和阀门的阀杆密封 在工作时，轴有较大的振动和偏摆，轴与旋转中心之间将会出现较大偏心。如图4所示，若轴的中心与旋转中心不重合，偏心距为e，则轴与填料之最大间隙就为2e，最小间隙为零。间隙沿圆周的分布像月牙形。月牙形的间隙位置随着轴的转动而周期性变化而周期性变化，因此起到了类似容积的增压作用，这对密封是非常不利的。

四、改进措施：

1、针对我厂盘根经常损坏的现象作出以下改造：

(1)采用填料的组合使用 即采用不同种类密封填料分段混合配置。不同的填料其侧压系数和回弹性能不同，通过合理选择不同的填料进行组合，可以极大地提高其密封效果。例如[4]，对于膨胀石墨由于其抗拉及抗剪切能力较低，所以一般将膨胀石墨与石棉填料或碳纤维填料组合使用，这样既可防止膨胀石墨填料被挤入轴隙，强烈磨损而引起介质泄漏，又可使填料径向压力分布均匀，增进密封效果。

实验表明，组合填料一般比各组分单一填料的密封性能好。同样，填料的组合方式不同，工作寿命也不同。为得到最佳密封效果，填料组装应符合下列原则[5]：组合填料各圈由压盖到密封箱底，填料的侧压系数有增大趋势，填料的摩擦因数依次减小，表示压力下降速度的填料综合系数呈减小趋势。

（2）对填料预压成形 填料预压成形就是对填料先以一定的压力进行预压缩，然后再装入填料箱。填料在经过预压缩后，在相同的压盖压力下，抵抗介质压力的能力增强，变形减少，介质泄漏的阻力增大，密封效果明显改善。

填料经过预压缩后，与未经预压缩的相比，装入填料箱后其径向压力分布比较均匀合理，密封效果提高。预压缩的比压高于介质压力，其值可取介质压力的1.2倍。预压后填料应及时装入填料腔中，以免填料恢复弹性。如果进行预压缩时，对填料施加的压力不同，靠近压盖的填料压力小，离压盖越远则预压力越大，这样的填料装入填料箱压紧后其径向压力分布更接近泄漏介质沿泄漏通道的压力分布，密封效果与寿命有很大改善。

（3）采用新型密封填料  泥状混合填料是一种新型的密封填料，它由纯合成纤维、高纯度石墨或高分子硅脂、聚四氟乙烯、有机密封剂进行混合，形成一种无规格限制的胶泥状物质。泥状混合填料密封结构如图5所示，在轴的运转过程中，泥状混合填料由于分子间吸引力极小，具有很强的可塑性，可以紧紧缠绕在轴上，并随轴同步旋转，形成一个“旋转层”的直径逐步增大，轴对纤维的缠绕能力逐步减小，没有与轴缠绕的填料则与填料箱保持相对静止，形成一个“不动层”。这样在泥状混合填料中间形成一个剪切分层面。

        　 1．泥状混合填料   2．快速接管　　3．泵体　　4．注射系统

5．压盖　　6．高纯石墨填料　　7．轴套　　8．主轴　　9．高纯石墨填料

泥状混合填料密封的特点是：无泄漏，密封可靠，对轴（或轴套）无磨损；安装简单，维修时可在线修复，降低了劳动强度；不需要冲洗和冷却；轴功率损耗小。

2、改进密封结构：

图6所示为自动补偿径向压紧软填料密封结构，具有以下优点：

（1）其径向和间隙中介质的压力在数值上接近，符合软填料密封机理；

（2）和传统软填料密封结构相比，摩擦功耗低；

（3）各圈填料受压套径向压力的作用，可始终紧压轴表面，可保证有效密封；

（4）自动补偿机构可连续补偿径压力，提高了密封的可靠性；

（5）在同样的密封条件下，减轻了轴与填料的磨损，可延长轴和填料的使用寿命。

3、针对上述问题改进后不仅使水泵运行正常而且增加了填料的使用寿命达到8000小时以上，从而使本公司设备减小维修，节约了生产成本，提高生产效率。

五、结束语：

对传统的软填料密封存在的不足进行改良，使其从结构上以及材质方面得以全面改善，软填料密封的使用寿命从原来的不到800小时达到了8000小时以上，大大提高了生产效率，为公司节约了不少成本，提高效益。软填料密封由于结构简单，拆装方便，而且能适应各种旋转运动、往复运动、螺旋运动及静止元件的密封，因此，目前仍被我厂广泛使用。

参考文献：

1、《密封技术[M]》.魏龙主编.北京.化学工业出版社.2004

2、《化工密封技术[M]》.胡国桢，石流，阎家宾主编.北京.化学工业出版社.1990