薛 濤，徐艾青，彭 沛，占 鑫，武 溉，曾 磊

（1.湖北三六一一應(yīng)急裝備有限公司，湖北 武漢 430090；2.新興重工湖北三六一一機(jī)械有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441002）

應(yīng)急泵主要應(yīng)用于大流量遠(yuǎn)程供排水、應(yīng)急排澇、森林消防、市政管網(wǎng)應(yīng)急作業(yè)、灌溉網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急作業(yè)和石化行業(yè)等特殊領(lǐng)域，其在工作過(guò)程中長(zhǎng)期浸泡于液體介質(zhì)中，輸送介質(zhì)主要包括自然水域水源、防汛排澇污水、市政管網(wǎng)污水等。應(yīng)急泵及基于其研發(fā)的消防裝備系列、排澇裝備系列等是我國(guó)應(yīng)急管理體系裝備力量的重要構(gòu)成與核心關(guān)鍵組成。

針對(duì)不同使用領(lǐng)域、場(chǎng)合及用戶需求，應(yīng)急泵的性能參數(shù)（流量Q、揚(yáng)程H、轉(zhuǎn)速n、功率P、效率η、汽蝕余量NPSH）、類型、重量、尺寸、驅(qū)動(dòng)方式、安裝方式、結(jié)構(gòu)和材料等也不盡相同，但其共性都是通過(guò)旋轉(zhuǎn)的葉輪將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能傳遞給所輸送的液體介質(zhì)使得液體介質(zhì)的能量增加，以達(dá)到輸送或提升的目的。應(yīng)急泵作為一種轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械，轉(zhuǎn)軸與泵蓋之間、轉(zhuǎn)軸與葉輪之間、轉(zhuǎn)軸與軸承密封腔蓋板之間、泵體與泵蓋之間、機(jī)械密封與泵軸之間等處必然存在間隙，針對(duì)這些間隙，必須對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)密封系統(tǒng)，密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞與泵的容積效率密切相關(guān)。應(yīng)急泵零件幾何精度高，相配合關(guān)鍵零件之間往往選用較高公差等級(jí)配合，且額定轉(zhuǎn)速較高（n≥1 000～3 000 rpm），兼之輸送介質(zhì)所含成分的復(fù)雜多樣（比如某些地區(qū)水域細(xì)沙顆粒度含量較多、防汛排澇污水中多伴隨生活垃圾碎片、介質(zhì)中化學(xué)成分含量等因素），密封系統(tǒng)中一旦出現(xiàn)些微滲漏，由于初期不易觀察以及應(yīng)急作業(yè)的特殊性，往往造成潤(rùn)滑失效、軸承損壞、泵軸軸向竄動(dòng)、葉輪燒死和泵軸彎曲等嚴(yán)重事故，直接導(dǎo)致應(yīng)急泵無(wú)法工作，嚴(yán)重影響相關(guān)應(yīng)急裝備作業(yè)效率。因此進(jìn)行應(yīng)急泵密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)及保障措施探討對(duì)于應(yīng)急泵的整機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)組織、加工、裝配、應(yīng)用、維修都是極其關(guān)鍵和不可或缺的。

1 密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)急泵的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)起著決定性的作用。應(yīng)急泵的密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括靜密封設(shè)計(jì)與動(dòng)密封設(shè)計(jì)。

1.1 靜密封設(shè)計(jì)

靜密封是指密封耦合件之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的密封形式。靜密封均為接觸式密封。應(yīng)急泵常見的靜密封設(shè)計(jì)主要包括各種型式的墊片密封、O 形橡膠密封圈密封、密封膠密封、螺紋密封等。

1.1.1 墊片密封設(shè)計(jì)

墊片密封應(yīng)保證墊片連接系統(tǒng)在所要求的工作時(shí)間內(nèi)保持有效密封，使泄漏率低于所規(guī)定的泄露指標(biāo)。墊片密封有效的前提是保證墊片工作應(yīng)力σ（即墊片密封面與被密封面之間的壓強(qiáng)）大于介質(zhì)的工作壓力。墊片密封設(shè)計(jì)應(yīng)考慮適用介質(zhì)、介質(zhì)壓力（正壓還是負(fù)壓，是否有壓力脈動(dòng)）、溫度、適用密封面型式等。

針對(duì)應(yīng)急泵而言，密封墊片常見的有聚四氟乙烯（PTFE）墊、柔性石墨墊、耐油石棉橡膠板和組合墊片等。

聚四氟乙烯PTFE 是取代石棉墊片的理想選擇，其最高使用壓力一般不超過(guò)2 MPa，具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性，能承受除熔融堿金屬、元素氟和強(qiáng)氟化介質(zhì)以及高于300℃的氫氧化鈉以外的所有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑、還原劑和各種有機(jī)溶劑的作用；PTFE 可在-190～280℃范圍內(nèi)使用；耐老化性好；突出的不粘性等。基于上述優(yōu)異性能，PTFE 可在極惡劣的工況下長(zhǎng)期使用。柔性石墨墊具有優(yōu)良的壓縮回彈性、熱穩(wěn)定性、自潤(rùn)滑性、耐腐蝕性、抗老化性，在石化行業(yè)相關(guān)應(yīng)急泵中廣泛應(yīng)用。

1.1.2 O 形橡膠密封圈靜密封設(shè)計(jì)

O 形橡膠密封圈（簡(jiǎn)稱“O 形圈”）靜密封是簡(jiǎn)單實(shí)用的有效密封方式，其密封溝槽、尺寸公差、配合偶件表面粗糙度、規(guī)格選用等均已標(biāo)準(zhǔn)化。同其他密封組件相比，O 形圈密封占用空間極小，采用合理、巧妙的O形圈密封與其他型式密封的組合，可以顯著優(yōu)化密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與泵總成結(jié)構(gòu)。

O 形圈密封設(shè)計(jì)主要考慮密封形式、應(yīng)用領(lǐng)域、介質(zhì)性質(zhì)、壓力、溫度、尺寸規(guī)格等因素。相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 3452—2005《液壓氣動(dòng)用O 形橡膠密封圈》。

1.1.3 密封膠密封設(shè)計(jì)

密封膠密封主要應(yīng)用于管道密封。其工作原理是靠密封膠的浸潤(rùn)性填滿密封面的微小縫隙以形成有效的密封。密封膠選型時(shí)應(yīng)注意密封膠的耐油性、耐水性、耐候性，密封膠應(yīng)不腐蝕、不污染泵組零件，其耐溫、耐壓應(yīng)符合使用需求。密封膠使用時(shí)注意做好預(yù)處理，控制膠層厚度。

1.2 動(dòng)密封設(shè)計(jì)

根據(jù)密封面間是相對(duì)滑動(dòng)還是相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)密封分為往復(fù)密封和旋轉(zhuǎn)密封兩種基本類型。對(duì)于應(yīng)急泵而言，動(dòng)密封一般為旋轉(zhuǎn)密封類型。應(yīng)急泵的動(dòng)密封設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械密封、毛氈密封、油封密封、填料密封等。

1.2.1 機(jī)械密封密封設(shè)計(jì)

機(jī)械密封（簡(jiǎn)稱“機(jī)封”）在各類應(yīng)急泵中廣泛應(yīng)用。機(jī)封按密封端面接觸狀態(tài)分為接觸式和非接觸式兩種，其中接觸式密封使用較廣。接觸式機(jī)封又以單端面密封和雙端面密封使用最為廣泛。雙端面密封相比較單端面密封增加了一對(duì)摩擦副，一般用于密封等級(jí)較高的設(shè)備。

以平衡系數(shù)區(qū)分，機(jī)封分為非平衡型（適用壓力≤0.8 MPa）、不完全平衡型（俗稱平衡型）、完全平衡型（一般適用壓力＞0.8 MPa）。不完全平衡型應(yīng)用最為普遍，能平衡一部分液體壓力對(duì)端面的作用，能改善端面磨損情況，承載能力較大；完全平衡型很少用。

機(jī)封選型時(shí)應(yīng)調(diào)查明確主機(jī)類型及需要密封的部位、介質(zhì)特性（如黏度、pH 值、有無(wú)腐蝕性、有無(wú)懸浮顆粒及纖維雜質(zhì)、是否易汽化或結(jié)晶等）、密封腔體壓力、流體溫度、線速度、軸的振動(dòng)及偏擺量、軸徑、允許的有效安裝空間、允許泄露量、泄露方向要求、支持系統(tǒng)情況等。機(jī)封技術(shù)的水平與密封材料密切相關(guān)，機(jī)封的選型應(yīng)格外關(guān)注摩擦副組對(duì)材料、補(bǔ)償原件材料、輔助密封圈材料、其他部件材料的選擇。

機(jī)封摩擦副組對(duì)材料選型時(shí)，注意組對(duì)材料應(yīng)具備耐磨性、耐腐蝕性、良好的耐熱性和熱傳導(dǎo)性、機(jī)械強(qiáng)度、摩擦系數(shù)小、氣密性、組對(duì)材料的兼容性等。某款主要應(yīng)用于應(yīng)急排澇、遠(yuǎn)程大流量供水的應(yīng)急泵，其機(jī)封組對(duì)材料為鎳鉻基硬質(zhì)合金。

輔助密封圈的材料應(yīng)能適應(yīng)介質(zhì)特性，具有較好的耐老化性、耐高溫性、耐低溫性，永久變形量適宜，高壓時(shí)應(yīng)具備抗爆性，在滿足使用工況下應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性。彈性原件材料應(yīng)強(qiáng)度高、耐介質(zhì)腐蝕、耐疲勞、長(zhǎng)期工作彈性不會(huì)降低。

完整的機(jī)封密封設(shè)計(jì)包括機(jī)封本體和支持系統(tǒng)，兩者同等重要。機(jī)封支持系統(tǒng)主要包括沖洗、冷卻、過(guò)濾等部件。機(jī)封的沖洗、冷卻介質(zhì)可以是從應(yīng)急泵出口側(cè)引入的循環(huán)冷卻水或密封腔內(nèi)的潤(rùn)滑油。使用循環(huán)冷卻水作為沖洗、冷卻介質(zhì)時(shí)，應(yīng)從泵體流道、泵整機(jī)結(jié)構(gòu)上控制循環(huán)冷卻水中雜質(zhì)或懸浮顆粒的含量，必要時(shí)應(yīng)設(shè)置旋液分離器進(jìn)行過(guò)濾；使用潤(rùn)滑油作為沖洗、冷卻介質(zhì)時(shí)，應(yīng)借助其他密封型式做好油腔密封，加注油前清潔油腔。

機(jī)封密封設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)考慮端面比壓Pc、彈簧比壓Ps進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算、幾何尺寸計(jì)算、機(jī)封摩擦功率計(jì)算，校驗(yàn)所選摩擦副組對(duì)材料Rcv 值。

機(jī)封密封設(shè)計(jì)對(duì)動(dòng)環(huán)內(nèi)徑與泵軸配合公差、靜環(huán)外徑與泵蓋配合孔配合公差、機(jī)封安裝段泵軸軸徑向圓跳動(dòng)公差、泵軸外徑尺寸公差及粗糙度Ra、機(jī)封安裝尺寸等均有較高要求，這些關(guān)鍵尺寸務(wù)必嚴(yán)格按公差要求加工。

1.2.2 油封密封設(shè)計(jì)

油封密封是應(yīng)急泵密封的主要型式之一。油封密封主要用于密封潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂，防止雜質(zhì)進(jìn)入密封腔，以保證軸承及其他精密轉(zhuǎn)動(dòng)零件正常工作。

應(yīng)根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)、溫度、壓力、線速度、潤(rùn)滑條件、使用工況等因素選用油封的結(jié)構(gòu)型式和材料。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意泵軸的同心度、泵軸與油封座孔孔徑中心的同軸度會(huì)影響油封的性能、唇口與泵軸過(guò)盈量、唇口與泵軸接觸寬度，此外，應(yīng)重點(diǎn)注意與油封接觸的泵軸直徑公差、工作表面的粗糙度與硬度。

1.2.3 氈圈油封密封設(shè)計(jì)

氈圈油封是在殼體槽內(nèi)填充毛氈圈，以堵塞泄露間隙達(dá)到密封的目的。適用線速度≤5 m/s。

1.2.4 填料密封設(shè)計(jì)

填料密封由填料盒、填料壓蓋、填料及連接件等組成。由于填料密封的機(jī)理，填料密封在使用一段時(shí)間后需要及時(shí)調(diào)整填料壓蓋壓緊程度；填料磨損嚴(yán)重時(shí)需提前更換填料；填料密封功率損耗較大，直接影響應(yīng)急搶險(xiǎn)泵的瞬態(tài)水力性能；為了實(shí)現(xiàn)水封環(huán)內(nèi)冷卻介質(zhì)的循環(huán)，往往需要設(shè)計(jì)較大體積的冷卻水腔或從泵內(nèi)引水注入水封環(huán)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。一般而言，填料密封作為應(yīng)急輔助密封配合機(jī)械密封使用。

填料密封實(shí)際選用材料由泵送介質(zhì)的壓力、pH值、溫度等因素確定。

2 保障措施

為保障應(yīng)急泵具備優(yōu)良的密封系統(tǒng)，應(yīng)從設(shè)計(jì)質(zhì)量、加工質(zhì)量、總裝質(zhì)量、操作維保幾方面加強(qiáng)控制。

2.1 設(shè)計(jì)質(zhì)量保障

（1）應(yīng)急泵的密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往需要設(shè)計(jì)者熟悉和掌握相關(guān)配套零部件（如電機(jī)、液壓馬達(dá)、聯(lián)軸器等）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這在研發(fā)輕便型應(yīng)急泵時(shí)尤為重要。應(yīng)急泵密封腔密封設(shè)計(jì)往往需參考驅(qū)動(dòng)機(jī)等內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。某系列應(yīng)急泵為嚴(yán)格控制尺寸、重量，即采取潛水電機(jī)與泵體外殼一體式結(jié)構(gòu)，其密封系統(tǒng)與電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)連成一體。

（2）關(guān)于應(yīng)急泵主要水力元件（包括葉輪、導(dǎo)葉、泵體）的水力性能研究是決定泵整機(jī)性能的關(guān)鍵。良好的水力設(shè)計(jì)是密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量的基礎(chǔ)。

水力性能研究CFD 方法在數(shù)模計(jì)算中采用不可壓縮流體的連續(xù)方程和Navier－Stokes 方程來(lái)模擬水泵內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài)。N-S 方程主要解決速度壓力耦合問(wèn)題，采用壓力校正，可以得到壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的收斂解。應(yīng)急泵CFD 仿真可建立數(shù)學(xué)模型、幾何物理模型，并對(duì)物理模型定義邊界條件。

基于水力性能研究，應(yīng)急泵整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在主要水力組件（如葉輪、導(dǎo)葉、泵體）的設(shè)計(jì)。根據(jù)應(yīng)急泵水力設(shè)計(jì)、汽蝕性能、葉輪形式、軸向力平衡方式、軸承形式、驅(qū)動(dòng)方式、吸入方式、裝卸方式等方面的要求，進(jìn)行應(yīng)急泵的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括應(yīng)急泵密封設(shè)計(jì)。

（3）應(yīng)急泵軸封腔尺寸按ANSI/API 610 第11 版《石油、石化和天然氣工業(yè)用離心泵》標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)。

（4）應(yīng)急泵內(nèi)部如設(shè)置有水冷夾套，應(yīng)另做靜水壓強(qiáng)試驗(yàn)。

（5）葉輪一般應(yīng)先后做靜平衡、動(dòng)平衡，靜平衡精度一般按G6.3 級(jí)，動(dòng)平衡精度一般按G2.5 級(jí)或G6.3級(jí)。

（6）泵蓋剛度設(shè)計(jì)應(yīng)有保障，以免剛度不夠產(chǎn)生變形造成密封泄露。

2.2 加工質(zhì)量保障

確保應(yīng)急泵各零部件符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

2.3 總裝質(zhì)量保障

（1）機(jī)械密封是精度很高的機(jī)械部件，能否采用正確的安裝方法，將直接影響其使用壽命和運(yùn)行效果。安裝前，應(yīng)清洗機(jī)械密封，查看密封端面是否完好無(wú)損；安裝過(guò)程中，應(yīng)輕拿輕放。

（2）軸承在各類應(yīng)急泵中廣泛使用，軸承如不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，往往導(dǎo)致應(yīng)急泵泄露，甚至伴隨發(fā)生其他嚴(yán)重故障。應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模，規(guī)范軸承的清洗方式、裝配工藝，配備必要的壓裝設(shè)備或熱套設(shè)備、工具。

清潔度是軸承質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，目前一般采用汽油或水基清洗劑手工刷洗，以免軸承粘附的微顆粒在工作中脫離，形成泄露隱患。軸承的壓裝質(zhì)量直接影響應(yīng)急泵軸承密封腔的密封質(zhì)量。軸承與泵蓋軸承體安裝腔一般為過(guò)度配合，軸承壓裝到位較困難，壓不到位、壓偏現(xiàn)象，往往造成油封松動(dòng)、摩擦，導(dǎo)致密封漏油。軸承的安裝目前一般采用冷壓法、溫差法或溫差法與冷壓法結(jié)合。

（3）確保所采購(gòu)的機(jī)封、O 形圈、油封、氈圈油封等密封元件均符合要求。

（4）應(yīng)急泵與驅(qū)動(dòng)機(jī)連接時(shí)應(yīng)找正，常采用專用工裝，借助百分表讀數(shù)確定是否符合要求。如某款大流量應(yīng)急泵泵軸與原動(dòng)機(jī)軸同心度允許調(diào)動(dòng)量為±0.3～0.5 mm。

（5）泵體螺母應(yīng)對(duì)稱均勻緊固。

（6）總裝過(guò)程中應(yīng)注意環(huán)境清潔。

2.4 操作維保

（1）操作者應(yīng)基本了解所使用應(yīng)急泵的類型、驅(qū)動(dòng)方式、工作原理、結(jié)構(gòu)，掌握基本的維護(hù)保養(yǎng)知識(shí)，熟悉操作及注意事項(xiàng)。

（2）工作過(guò)程中應(yīng)注意觀察應(yīng)急泵有無(wú)異常振動(dòng)和雜音。如振動(dòng)過(guò)大或有明顯雜音，應(yīng)立即停泵檢查。

（3）工作過(guò)程中應(yīng)適時(shí)觀察應(yīng)急泵出水流量有無(wú)異常變化。

（4）應(yīng)注意應(yīng)急泵進(jìn)水管路發(fā)生汽蝕時(shí)泵腔內(nèi)水流量嚴(yán)重不足，甚至出現(xiàn)抽空現(xiàn)象，會(huì)造成機(jī)械密封摩擦副過(guò)度磨損，引發(fā)密封失效。

（5）定期檢查應(yīng)急泵潤(rùn)滑油液位有無(wú)異?；蛐孤?、潤(rùn)滑油有無(wú)變質(zhì)。工作過(guò)程中應(yīng)留心觀察應(yīng)急泵有無(wú)潤(rùn)滑油泄露。

（6）工作過(guò)程中應(yīng)適時(shí)觀察液位，若應(yīng)急泵取水區(qū)域液位低于規(guī)定最低水位，應(yīng)停泵。液位過(guò)低時(shí)勉強(qiáng)運(yùn)行會(huì)造成應(yīng)急泵損壞。

（7）抽完海水或者排澇污水后，應(yīng)及時(shí)用清水沖洗應(yīng)急泵及泵管路。

（8）根據(jù)應(yīng)急泵的類型、驅(qū)動(dòng)方式等因素，設(shè)計(jì)詳細(xì)的定期檢修單，做好定期檢修。應(yīng)急泵的定期檢修可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、及時(shí)修理，可最大限度延長(zhǎng)應(yīng)急泵使用壽命，且維修成本低。定期檢修時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注機(jī)封、O 形圈、油封、氈圈油封、密封墊片、密封填料等質(zhì)量狀況，重點(diǎn)檢查潤(rùn)滑油脂的品種、加注量是否合適或有無(wú)泄露，查看應(yīng)急泵與驅(qū)動(dòng)機(jī)的連接或應(yīng)急泵地腳螺栓的連接是否緊固以及應(yīng)急泵關(guān)鍵零件如泵軸、葉輪、密封口環(huán)、泵蓋軸承體、軸承等有磨損、銹蝕、變形等。

3 結(jié)束語(yǔ)

遠(yuǎn)程大流量供排水、應(yīng)急大流量排澇、森林消防、城市管網(wǎng)應(yīng)急排水等領(lǐng)域?qū)?yīng)急泵的性能參數(shù)、取水方式、驅(qū)動(dòng)方式等需求都不盡相同，因此各類應(yīng)急泵的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往存在差異，然而密封的原理都是一樣的?；趦?yōu)良的水力設(shè)計(jì)前提，應(yīng)急泵的密封系統(tǒng)由一種或多種密封元件組成，各密封元件本身的質(zhì)量、對(duì)應(yīng)的密封處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量、加工質(zhì)量以及整機(jī)安裝質(zhì)量等最終構(gòu)成應(yīng)急泵密封系統(tǒng)質(zhì)量。本文進(jìn)行應(yīng)急泵的密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)及保障措施探討即以密封系統(tǒng)的組成單元——密封元件及對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著手分析，并探討了相關(guān)的保障措施，最終落實(shí)在實(shí)際工作中。筆者所在企業(yè)先后研制的某幾系列應(yīng)急泵分屬不同類型，經(jīng)過(guò)各地客戶多次實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證均可滿足連續(xù)正常作業(yè)≥15 d，其密封性能的可靠、優(yōu)異、穩(wěn)定已在全國(guó)幾十個(gè)城市得到充分驗(yàn)證并獲得充分肯定。