渣浆泵机械密封在粘土层中掘进易损坏的原因

　　1 机械密封的基本原理

　　渣浆泵机械密封装置由动环与静环组成密封端面，转动部分由动环、动环座套和保护轴套等组成。动环与动环座套之间用螺栓连成一体，保护轴套上的键使动环与泵轴一起转动。静止部分由静环、静环座推环、调整弹簧和端盖组成，弹簧通过静环座推环使静环与动环紧密贴合，并保持合适间隙约3～5µm，静环O形密封环阻止静环与静环部件间的泄漏，并吸收运行时所产生的振动。动环由锁紧环通过锁紧螺栓紧固后抱紧轴套形成定位，确保动环座套在轴套上的位置，锁紧环还可以避免因泵的轴向窜动导致动环与静环的端面间隙产生变化。当泵转动时，动静环之间不断产生相对运行，在运行接触端面形成一层很薄的水膜不但起着动静环的密封作用，还起着平衡压力和润滑、冷却端面的作用。端盖上的限位板确保机械密封在运输途中不会因为震动等导致动静环之间的间隙变化，在机械密封安装定位后拆除

　　2 机械密封故障的分析

　　2.1 机械密封使用状况

　　本标段盾构环流系统配置的渣浆泵全部采用机械密封的型式，自掘进开始至掘进到530m时开始安装P2.2中继泵，渣浆泵未出现机械密封的故障。掘进到850m时，P2.2泵的机械密封失效后更换新的机械密封，掘进到1180m时安装中继泵P2.3泵，掘进至1205m时P2.2中继泵的机械密封失效，更换新的机械密封后，掘进至1229m时，P2.2中继泵的机械密封又失效。机械密封的使用寿命分别为320m、355m和24m。

　　由上可知，机械密封的使用寿命较短，尤其是在全断面粘土层或有少量岩层段掘进时，机械密封失效的情况更严重。一旦密封失效，机械密封的冷却水先渗漏出来，如果仍继续使用，短时间内就会出现严重的漏泥浆现象，若泵腔内泥浆压力大，会出现喷浆。机械密封失效的情况均出现在盾构进入粘土层段。

　　2.2 故障分析

　　泥水平衡盾构在粘土层中掘进，受切削下的粘土团的影响，渣浆泵容易出现抽空并形成负压，当管路畅通后管路压力突然上升形成水锤，对泵腔产生巨大冲击，导致泵体震动剧烈。正常情况下，发现泵有抽空现象时应立刻降低泵的转速，减小水锤对泵腔的冲击。然而在实际操作过程中，尤其是在掘进粘土层过程中抽空现象非常频繁，操作者容易出现麻痹心理，从而导致泵的零部件包括机械密封损坏频繁。

　　2.3 解剖机械密封，查找损坏原因

　　明确了机械密封在粘土层中的使用工况之后，对已经损坏的机械密封进行解剖分析，根据具体的损坏情况查找原因。

　　1)机械密封的状况 机械密封拆解后，各传动机构无变形，各连结构件无影响性能的损伤，辅助密封(橡胶O型圈)无影响密封性能的损伤，能可靠工作。动环与静环的密封端面已经磨损严重，静环端面局部有严重集瘤，应该是端面过度压缩产生刚性接触才会导致如此严重的磨损。静环(窄环)端面磨损严重，静环承磨台磨进动环(宽环)达1.5mm，静环端面磨损量1.5mm。

　　2)机械密封内各部件的位置关系 正常状态下，动环与静环的密封端面间隙在3～5µm，基本接触在一起，静环承磨台端面与动环端面的间隙是2.5mm。对损坏的机械密封进行磨损量检测，然后进行复原，并测绘各部件的相互位置关系，发现动环座套产生了窜动，向静环方向窜动了约4.5mm，从而导致动环与静环产生刚性接触，造成密封端面磨损从而失效。测绘静环端面的磨损量约3mm，静环承磨台面上的凹槽深度为0.5mm，动环端面上的凹槽深1.5mm，说明动环与静环端面相对运动了4.5mm。进一步解剖发现，轴套上有明显的动环座套圆形缺口位移的痕迹，位移量约4mm，进一步说明了动环座套位移的方向和距离。

　　3)动环座套位移原因分析 根据泥水盾构在粘土层中的掘进工况分析，当渣浆泵抽空出现负压并紧接着产生水锤作用时，泵腔内的压力波动范围可以达到10～15bar。由于P2.2泵的位置处于环流系统的尾端，其之前的P2.3泵是定速泵，一旦P2.1泵出现负压，经过P2.3定速泵之后，加剧了P2.2泵吸口处的负压;管路流量恢复之后，P2.2泵的泵腔内产生水锤作用，瞬间的压力波动会超过15bar。泵腔内压力波动大，机械密封的动环座套被强大的压力推动而产生了位移。由于机械密封的动环座套是通过锁紧环和锁紧螺栓锁紧在轴套上的，正常情况下具备抵抗8bar以内的压力波动。由于在粘土层中掘进泵腔压力超过了锁紧环的锁紧力范围，导致动环座套产生位移，使动环端面和静环端面产生刚性接触，致使端面磨损而无法形成密封水膜，会导致机械密封失效。

　　3 解决方案

　　3.1 更换成填料密封

　　针对以上原因分析，说明机械密封适用于泵腔压力波动较小的流体输送系统中，比如环流系统中的P1.1泵，由于输送介质是均匀泥浆，泵腔内压力波动非常小，此泵的机械密封一直使用状态良好。在粘土层中掘进时，排泥管路中的压力波动无法避免，所以机械密封不适用于泥水盾构在粘土层中掘进，可以改用填料密封。填料密封的优点在于压力波动大小不会影响密封效果，密封箱或者轴套产生轴向窜动与否不影响填料的密封性。这样，就可以避免粘土层中因为机械密封经常失效而导致的会停机更换配件的情况，可以提高掘进效率。

　　3.2 改进机械密封

　　现有机械密封的动环座套定位是通过锁紧环受挤压力抱紧轴套形成对轴套的摩擦力来实现定位，压力波动足够大之后，产生的推力就会大于锁紧环在轴套上的摩擦力，从而推动动环座套位移。所以提高锁紧环的锁紧力是关键。具体可以采用如下2种方法：①在锁紧环上安装定位螺栓，并在轴套上钻定位孔，机械密封定位后，将定位螺栓锁死，使锁紧环与轴套形成刚性连接，提高锁紧力;②在锁紧环安装的一段对应轴套上的位置加工外螺纹，并将锁紧环内圆加工成对应的内螺纹，将锁紧环与轴套的锁紧改成螺纹连接方式，较大限度地提高锁紧环的锁紧力，对动环座套形成有效定位，抵抗泵腔内的压力波动。

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