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1、冷冻水系统制冷压缩机机械密封失效原因分析及处理 蔡勇军 罗会林/大亚湾核电运营管理有限公司 摘要：2003年以来大亚湾核电站核岛冷冻水系统（DEG）出现的多台制冷压缩机机械密封漏油异常超标的现象，对该故障的根本原因分析及处理过程进行了详细的阐述。关键词：压缩机；制冷机；机械密封；漏油中图分类号：TH45 文献标识码：B文章编号：1006-8155（2008）06-0072-06The Reason Analysis of the Invalidation of Mechanical Seal in Refrigeration Compressor of Cooling Water System
2、 and Its TreatmentAbstract: According to the abnormal leaking oil phenomenon has occurred in mechanical seals of several refrigeration compressors used in DEG of Daya bay nuclear power station, this paper has specified the basic reason of the above fault and its treating process in detail. Key words
3、: compressor; refrigerator; mechanical seal; leaking oil 0 引言大亚湾核电站核岛冷冻水系统（DEG）使用的制冷机为高速离心式制冷机，使用制冷剂为R12(CF2CL2),输入功率500kW。其压缩机高速端转速19000r/min,低速端转速3000r/min。在低速轴处对称安装了两个机械密封，分别避免低速轴承润滑油向内泄漏到齿轮箱，向外泄漏到环境，EOMM中对机械密封向外泄漏润滑油的标准为20滴/min。由于制冷机内部制冷剂与润滑油是相互接触的，压缩机润滑油的泄漏同时也会带来制冷剂R12的泄漏，对大气臭氧层的保护也是不利的。1 事故原因2
4、003年12月至2006年11月共有3台DEG制冷压缩机机械密封漏油超过标准要求的20滴/min，而且均是在更换新机械密封半年内即出现超标现象。由于机械密封漏油超标情况严重，经评价机械密封漏油检修标准由20滴/min改为40滴/min，但漏油程度却不断发展。2006年11月1DEG-101-GF机械密封漏油达到了120滴/min，几乎成线状漏油。机械密封异常漏油更换记录见表1。机械密封更换本来是压缩机解体检修（15000h或3年）的工作内容，由于机械密封的异常失效，转机处被迫组织了多次纠正性抢修。表1 机械密封异常漏油更换记录表功能位置工作票日期漏油程度使用时间2DEG201GF3170802
5、003.12.22254个月超标12个月时更换2DEG201GF4010582004.08.25405个月超标8个月时更换1DEG101GF5310942005.12.17214个月超标10个月时更换1DEG201GF5310952006.01.06204个月超标10个月时更换1DEG201GF5834792006.06.29805个月超标并更换1DEG101GF6372452006.11.081205个月出现超标11个月更换收稿日期：2008-08-05 深圳市 5181242 22BX 压缩机润滑油回路简介如图1所示，螺杆式润滑油泵及电机6浸泡在油箱3中，经过吸入滤网5的过滤，润滑油由油泵
6、出口经油冷器8（油冷器由制冷剂提供冷源）、经过滤器9，分成三路分别送往高速推力轴承、齿轮箱（包括高速径向轴承）、低速推力轴承进行润滑，润滑后的润滑油经压缩机底部回油管靠重力流回油箱。三路润滑油路上分别有3个不同孔径的节流孔板，将润滑油流量控制在设计范围以内。三路润滑油的流量除节流孔板外不能单独调节，只能通过油泵出口调节阀调整控制回油量来控制总体润滑油量。低速轴在推力轴承两端装有两个机械密封，由于系统制冷剂带压，泄漏情况不能完全避免，在联轴器下方装有一个漏油收集瓶。出现泄漏超标也就是漏油收集瓶处观察到的漏油量超过了标准。润滑油调节阀 泄漏油收集瓶图1 润滑油流程内侧机械密封外侧机械密封3 根本原
7、因分析 3.1 机械密封异常失效的故障模式（见表2）针对多次机械密封泄漏超标后解体检查的情况汇总，项目小组对机械密封失效的可能故障模式进行了分析，并逐一进行了排查。表2 机械密封异常失效的故障模式可能的故障模式开展的验证工作可能性对中偏差导致机械密封异常磨损复查中心小静环材质缺陷导致磨损检查静环磨损量中静环O-RING 失效检查静环O-RING小动环O-RING 失效检查动环O-RING中动环卡涩检查动环在轴套上的随动性大轴套O-RING失效检查轴套O-RING小润滑油粘度变化化验润滑油粘度大润滑油清洁度差化验润滑油颗粒度中润滑油压偏高检查测量油压小如图2所示，可能的泄漏点主要有：I摩擦副密封
8、面、II动环O-RING与轴套处、III静环O-RING与压盖处、IV轴套与轴的O-RING处。其中 I、 II处为动密封，III、IV处为静密封。IV II I III 图2 机械密封装配图3.2 原因分析过程针对可能的故障模式，在检修中除更换外侧机械密封外，还有针对性地增加了检查内容，具体检修过程按如下步骤进行：（1）回收氟利昂前，对联轴器对中情况进行了复查；（2）氟利昂蒸馏，回收R12；（3）蒸馏完氟利昂后，对蒸发器和油箱油样进行取样分析；（4）检查吸入端叶轮间隙及叶轮；（5）测量低速轴轴向串动量，拆卸机械密封时对过程进行拍照记录；（6）测量动环弹簧工作尺寸，检查动环随动性；（7）检查动
9、静环O圈、弹簧、轴套等；（8）回装机械密封：检查动环回弹性 ，测量动静环平行度、目测其同心度；（9）回装压缩机；（10）N2查漏，10BAR保压12h；（11）系统抽真空至2mmHg以下，并保真空12h；（12）充注新瓶氟利昂，对中检查；（13） 静态油压检查：启动调试，性能测振。3.2.1 对中偏差 对多台压缩机解体前进行了中心复查，部分制冷机中心偏差超过了标准要求，如2006年6月进行的1DEG-201-GF 更换机械密封工作，复查中心值：电机轴高0.34mm、上下张口0.05mm、左右错位0.17mm、左右张口0.12mm，标准为张口0.1mm、电机高0.10.2mm。对中偏差将影响的是
10、设备的振动，同时对机械密封面与轴的垂直度产生影响，使机械密封磨损加剧。但是所有机组的振动报告显示，即使漏油达到120滴/min，振动也是合格的并没有明显上升趋势。压缩机与电机之间的采用齿套连接的联轴器，对中心要求并不大。而且大部分出现机械密封漏油超标的制冷机，对中复查是合格的，此处不一一列举。所以对中偏差导致机械密封漏油超标的可能性较小。3.2.2 静环材质缺陷导致磨损机械密封动环材料为硬质钢合金、静环材料为碳石墨。如果静环材质发生变化，不耐磨将出现短时间内磨损加剧，出现泄漏的情况。厂家答复现有的静环备件在材质上没有变化。（1）静环平晶检查：新备件静环平晶显示密封面平面度良好，使用后的静环平晶
11、显示不合格。根据以往经验使用后的机械密封摩擦副一般平晶都很难达到检查标准要求，所以对机械密封摩擦副一般拆卸后都进行更换，大型机械密封可以返厂进行翻新（如APP给水泵机械密封）。（2）厚度检查:通过厚度检查可以判断出静环的磨损量是否超出标准要求。根据JB/T 4127.1-19991的规定：在纯净水做介质的工况下，磨损率要求小于0.02mm/100h。2003年以来的6次纠正性更换机械密封静环的工作中，有一半的旧机械密封的磨损量超过国家标准的要求。如1DEG-201-GF在更换机械密封运行1552h后机械密封漏油超标，测量旧静环的厚度为18.57mm，新环厚度为19mm，得出静环的磨损量为0.4
12、3mm。按JB /T4127.1-1999 的要求运行1552h磨损量应为0.31 mm。机械密封静环磨损情况见图3，动环磨损情况见图4。一般机械密封的使用寿命要求为15000h, 按JB/T 4127.1-1999的磨损量可知软材质摩擦副的可磨损量应为23mm。也就是说即使静环密封面磨损达到0.43mm，也应该由动环弹簧进行自动补偿，不应出现泄漏超标的情况。所以，静环材质问题导致泄漏的可能性较小。 图3 静环磨损情况 图4 动环磨损情况3.2.3 静环O-RING和轴套O-RING失效这两处密封均为静密封，拆卸下的O-RING表面无破损、划痕，且弹性良好，与其接触的轴、轴套、压盖表面光滑，所
13、以通过检查基本排出了静环O-RING和轴套O-RING失效导致泄漏的可能性。3.2.4 动环O-RING 失效动环O-RING 安装在轴套与动环之间，由于动环与轴套之间存在径向和轴向的相对运动，所以此处的密封为动密封。检查拆卸下的动环O-RING，有一定的扭曲现象。主要原因为O-RING内径与轴套外径配合紧力过大，O-RING 原始尺寸为78.85.33mm，而安装中在轴套上要越过多个台阶，并且紧力很大，最大处台阶即O圈槽前直径95.6mm。同时安装O-RING的槽宽度过大为7mm，即O-RING 在槽的轴向有1.67mm的间隙可以滚动，使得动环在沿轴向运动时O-RING扭曲变形（如图5动环O
14、-RING变形情况）。当动环产生扭曲变形后，可能导致密封效果恶化出现泄漏，但O-RING 与动环、轴套的配合紧力较大，有较大的压缩量，所以直接原因为动环O-RING变形的可能性较小。动环O-RING 存在扭曲变形 图5 动环O-RING变形情况 图6 机械密封装配图 3.2.5 动环卡涩 在对机械密封漏油的压缩机进行拆卸的过程中，均对动环在轴套上的随动性进行了检查，即拆除压盖和静环后，用手按压动环。正常情况下，动环可以被按下，松开后弹簧力会自动将动环弹起。但是，所有的出现异常的机械密封，动环不能自动弹起，而是卡涩在轴套上。由于动环卡涩，引起机械密封泄漏的可能性很大。因为机械密封的摩擦副的闭合力
15、主要靠弹簧力，随着静环的磨损而厚度减小，动环将在弹簧力的作用下沿轴向补偿静环较小的厚度。如果动环始终卡涩在安装位置，静环厚度减小后，密封面的闭合力减小，当闭合力接近油压产生的开启力时，将出现泄漏。而且静环使用时间越长，静环磨损越大，泄漏情况也将越严重。机械密封装配图见图6。另外，动环卡涩还将对动静环密封面的平行度产生影响。因为动环没有随动，本来依靠弹簧力保证的平行度会被破坏，所以随着设备的运转，动环卡涩会加剧静环的磨损。3.2.6 动环卡涩的原因(1) 弹簧的影响测量新弹簧尺寸，长度比原弹簧短0.50mm左右，弹性系数基本相同，弹簧压缩量是由厂家设计、不用也无法调节。弹簧工作时的压缩量为4.2
16、mm，弹簧原长18mm，全部压缩后长度7.5mm，即全部压缩量10.5mm，工作压缩量为全部压缩量的2/5左右。用弹力计可测出工作长度时全部弹簧的弹力约为120N。石墨环密封面内径94mm，面宽3.3mm，动环密封面内径91.5mm，面宽5mm，则密封带面积为0.001m2。密封油压为0.8MPa左右，面积平衡比约为0.6，则密封面压比约为0.6MPa，基本满足一般密封压比要求。也就是说，原油封动环、静环贴紧力大，密封性强。(2) 动环O-RING紧力的影响O-RING 原始尺寸为78.85.33mm，安装O-RING处轴套的内径为86.2mm。而且安装中在轴套上要越过多个台阶，并且紧力很大，
17、最大处台阶即O圈槽前直径95.6mm。所以O-RING紧力过大是动环卡涩的主要原因。(3) 其他因素影响在拆卸机械密封时可以发现较多的石墨泥附着在动环O-RING处。这些杂质的附着有可能导致O-RING摩擦系数增大进而导致动环卡涩。动环内表面、轴套O-RING槽的外表面的粗糙度也会影响，动环摩擦力的大小。但检查发现上述位置表面光滑，没有异常。3.2.7 润滑油粘度的变化2005年10月以前，现场6台DEG制冷机使用的润滑油为Mobil Vactra Oil Extra Heavy（01058054），由于厂家原油品停产，润滑油被替代后现使用Gargoyle ArcticSHC 228（9000
18、0867），两润滑油最大的差别是原润滑油运动粘度为147cst，替代后的润滑油为97 cst，运动粘度不同可能导致滴油差异；润滑粘度的下降可能也是导致泄漏的一个主要原因。通过查询漏油超标的历时检修可以发现：换新油前，出现漏油超标4次，每年一次。而且程度都不严重。换油后，不到一年的时间出现4次。所以，换油可能与泄漏有直接原因，但并不是所有换油的压缩机都出现漏油超标的现象。厂家答复：润滑油粘度的变化不会导致润滑油泄漏量有明显的增加，而且厂家其它机组并没有出现换油后泄漏超标的情况。3.2.8 润滑油压的影响润滑油压在调试时调节好后，会对油压调节阀进行锁死，并打上铅封，所以油压在正常运行期间一般不会发
19、生变化。润滑油压的减小对机械密封漏油有一定的作用。1DEG-201-GF 2006年5月2日漏油达到38滴/min，调整油压（高速端油压由0.32MPa调整到0.30MPa）后,漏油减小到28滴/min。但是调整油压只能通过调整油泵出口母管回油阀来实现，在调小低速端油压的同时，高速端及齿轮箱的油压也相应下降。而且高速端的油压预度较小，对油压变化更敏感。所以调整油压一般都是通过将高速端油压调整到可接受的最小值0.30MPa，如果高速端油压低于0.30MPa，高速轴承温度会明显上升。采用调整油压的方式来减小油压是有风险的，同时只能在一定范围内起到作用。3.2.9 润滑油清洁度的影响冷冻油经过主过滤
20、器后再进入低速轴承室，加上轴承表面磨损良好，故此处油中本身的颗粒度对密封面的影响很小。从油箱取油样化验结果显示，润滑油颗粒度合格。主要的颗粒还是石墨环中磨下而没有及时冲走的粉末。磨损杂质沉积在动、静环与轴套的间隙内，相当于减小了动静部件的间隙，使轴的振动或串动容易传递给动、静环，带来密封面的轻微移动。同时可能增加动环补偿的阻力。 4 处理措施通过以上的分析，机械密封漏油超标可能是动环卡涩、润滑油粘度变化、静环磨损后产生的杂质无法被冲洗带走等多方面因素造成的。在短时间内对后两方面的原因，无法开展工作进行处理。所以工作的重点集中在如何避免动环卡涩上。动环卡涩的主要原因是动环O-RING产生的摩擦力
21、太大，导致弹簧力无法克服摩擦力，使动环进行正常的补偿活动。 所以分别采取了更换动环O-RING密封形式和增加弹簧力两方面措施。以往的情况表明：机械密封泄漏超标情况一般出现在更换机械密封半年左右，通过油压调整，扩大标准等措施，大多可以维持到接近一年时进行更换。为了避免在夏季出现机械密封漏油超标，而被迫检修对机组安全生产带来的影响，转机处制定了在冬季制冷机年检时对漏油接近20滴/min的压缩机全部进行机械密封更换的方案。由于2006年末 2DEG-201GF/2DEG-301-GF都进行预防性的15000h解体检修工作，所以2006年末对6台DEG制冷机压缩机都进行了更换机械密封工作。4.1 将轴
22、套O-RING槽深度加深O-RING槽与轴套间的间隙为4.8mm，动环O-RING的线径为5.33mm，压缩量为0.53mm，安装动环后紧力较大，很容易卡涩。为减小紧力，可以考虑适当增加O-RING槽的深度来减小O-RING的压缩量，进而减小动环在轴套上的紧力。但是如图2所示轴套上有两个安装动环的定位销，其长度将O-RING槽挡住，无法进行车削处理。定位销与轴套是热胀过盈配合，如果强行将定位销排除，很难将其稳固地回装，因此经讨论后排除了该方案。4.2 改变动环密封圈型式由于近几年实现一核DEG制冷机完全自主维修后，与厂家联系日益减少，所以厂家在技术上也大都没有回应。经了解，香港有数台澳大利亚S
23、ULZER生产的 UNITURBO 22BX制冷机与大亚湾核电站使用的机型完全一样。通过与其维护商香港卓贤公司的技术交流，发现在澳洲生产的机组中动环密封圈采用的是方型密封圈，而我厂一直采用的是O-RING（至于为什么我厂使用的是O-RING的原因，询问厂家没有答复）。卓贤公司反映，安装方型密封圈动环在轴套上的紧力不大。同时卓贤公司同意将其库存的唯一一个方型密封圈无偿提供给我厂使用。通过技术部门NCRMRM06187A认可后，在1DEG-101-GF上使用方型密封圈。增加调整垫片方型密封圈图7 动环方型密封圈及增加调整垫示意图在实际安装中发现方型密封圈更适合现有轴套，方型密封圈宽度与轴套上的槽宽
24、基本一致，这样可以避免密封圈在轴套内的扭曲。使用方型密封圈后动环在轴套上的紧力明显减小。安装时试验动环压下后，可以成功弹起。4.3 增加调整垫以增大弹簧力 动环卡涩的原因是弹簧力不足以克服动环密封圈产生的摩擦力，因此增加弹簧力也可以避免动环的卡涩。经测量现有弹簧备件确实在长度上小于原弹簧备件0.5mm，在弹性系数没有变化的情况下，同样的压缩量将产生较小的弹簧力。原弹簧在更换后没有保留，为增加弹簧力，在轴套弹簧安装位置预加一个0.8mm的钢垫片（材料20钢），如图6所示位置。通过NCRMRM06194A论证可行后在3台制冷机上使用了该方案。在安装过程中发现弹簧力增加后，动环在被压下后回弹速度加快
25、。该方案的风险：弹簧力的增加将增大动静环密封面的压力，如果压力过大将导致静环磨损加快。在确定垫片厚度时考虑：原弹簧比新弹簧长0.5mm，目前的泄漏可能与润滑油粘度变化有关，所以在0.5mm的基础上再增加一定的厚度，最终确定使用0.8mm的垫片。动环方型密封圈及增加调整垫示意图见图7。5 处理结果共有4台DEG制冷压缩机通过NCR采用了以上两个方案，其余2台由于2007年将进行改造没有采用该措施。所有制冷机再鉴定时轴封泄漏都为数分钟一滴。经过半年的运行，目前最大的泄漏量为1滴/min。表3 压缩机处理记录功能位置采用的处理方案工作票号处理时间再鉴定情况目前泄漏情况1DEG101GFNCRMRM0
26、6187A 使用方型密封圈6372452006.11.121滴/5min1滴/3min1DEG201GF未采取额外措施NANANA已改造1DEG301GFNCRMRM06194A 增加弹簧调整垫6498112006.12.31滴/3min1滴/5min2DEG101GF未采取额外措施NANANA已改造2DEG201GFNCRMRM06194A 增加弹簧调整垫6409102007.2.21滴/5min1滴/min2DEG301GFNCRMRM06194A 增加弹簧调整垫5784242007.3.3未见泄漏1滴/5min6 结论大亚湾核电站核岛冷冻水系统制冷压缩机出现的机械密封漏油超标可能是多种原因造成的，由于漏油的同时也有氟利昂的泄漏，必需高度重视。在夏季DEG制冷机的重要性显得尤为突出，所以尽量利用冬季年检进行一些工作来避免高温季节抢修对机组的影响。根据蒙特利尔条约的规定：中国将在2010年禁止使用采用氟利昂R12的制冷机。目前一核DEG制冷机正在按计划进行改造，2007年将完成两台制冷机的改造。改造后的制冷机采用半封闭式压缩机（电机与压缩机一体），将彻底杜绝机械密封漏油超标的情况。但是改造工作要持续到2010年才能全部完成，在此之前仍然要关注压缩机机械密封漏油问题。 参 考 文 献1 JB/T 4127.1-1999 机械密封技术条件S.9
