SM190型艉轴密封装置漏水故障分析与排除

韩利昆，毕国稳，张 凯

(1.92330部队装备部，山东青岛 266102;2.4808工厂威海修船厂，山东威海 264200)

0 前言

某污水接纳船使用的SM190型水润滑艉轴密封装置，建造出厂2年后就开始异常漏水，其中左密封装置漏水尤为严重。由于缺乏必要的技术资料，维修人员不能掌握该装置的结构和工作原理，虽对其进行了多次调整，不但没有解决问题，反而使漏水加剧，并使其中的辅助密封气胎严重损坏，最后不得不进厂上排修理。

1 SM190型艉轴密封装置结构与原理

如图1所示，SM190型艉轴密封装置属于外装式平衡型水润滑机械密封。该装置由静环总成、动环总成和水、气管路3大部分组成。静环总成包括密封座、气胎和静环等，动环总成包括动环、动环座、衬套、夹环等。静环总成固定在船体艉轴管上，动环总成通过夹环固定在艉轴上，并随艉轴转动。

密封装置的工作原理是:安装时给动环总成弹簧一个预紧压缩量，使动环与静环端面紧贴在一起，当艉轴转动时，动环随之转动，与静环端面产生相对摩擦，形成润滑水膜，阻挡水从此端面通过，从而起到密封作用。艉轴静态时动、静环两端面紧贴在一起，水同样不能通过此端面。动环座在衬套上可轴向自由滑动，使动环在弹簧的作用下克服“O”形胶圈的阻力始终紧贴在静环上，保证一定的比压，并补偿艉轴轴向窜动和安装误差。“O”形胶圈的作用是防止水从动环座与衬套配合面之间泄漏。

该密封装置采用冗余设计，机械密封为主密封，同时串联设置了气胎辅助密封，其工作原理是:当机械主密封发生故障时，向气胎充入一定压力的压缩空气，气胎膨胀周向抱住艉轴，起到应急密封作用，然后可以在船不进坞 (或上排)的情况下对密封装置进行检查、修理和调整。该密封装置工作时动、静环端面需要水润滑和冷却。

该密封装置的特点是，采用了渗氮的不锈钢(1Cr18Ni9Ti)作为静环，以橡胶为基体的高分子材料作为动环 (以下简称橡胶动环)，组成一对硬/软匹配的密封副。橡胶动环邵氏硬度约76度，其优点是弹性好适应性强，缺点是能承受的比压小，耐高温能力差，在含泥沙的浅水中工作时耐磨性差。

图1 SM190型艉轴密封装置结构图

2 拆检与勘验

2台密封装置分解后发现，左密封装置动环烧损，端面厚度减少约3 mm，端面中间部位有1条周向烧蚀沟槽，宽约8 mm，深1 mm，表面干硬，没有橡胶应有的弹性，说明已经烧损改变特性。动环座与衬套卡住不能相对滑动，分解后看到动环座与衬套配合面上积了一层水垢，厚度约0.2 mm。测量动环座与衬套之间的距离L值为12 mm，从结构尺寸计算得弹簧压缩量δ=21－L=9 mm。静环表面完好。气胎内环表面有陈旧性撕裂和烧损，说明损坏已久。

右轴密封装置基本正常，动环表面有磨损，但没有产生烧损。但动环座与衬套也卡住不能相对滑动，表面积有水垢。测得L值为16.5 mm，即弹簧压缩量δ为4.5 mm。

3 原因分析

1)端面漏水原因分析。

该型密封装置设计泄漏量为平均300 mL/h，符合GJB 2479－1997《舰艇艉轴管密封装置通用规范》要求。据船员反映初始漏水时并不大，滴水不成线。分析该密封装置初始漏水有几方面原因:①该船任务是在港区接纳污水，因而停靠码头时间较长，密封装置长时间不运转，动环座与衬套配合面容量积起一层水垢，增加了相对滑动的摩擦阻力，导致动环座卡住失去弹性补偿作用而漏水;②港区水浅泥沙含量较大，橡胶动环不抗泥沙磨损，异常磨损造成泄漏;③不排除密封装置供水不足或不供水，常见的情况有管路、阀件堵塞，或工作时忘了打开供水阀，使相对摩擦的动、静环端面得不到润滑和冷却，造成动环端面烧损而漏水。

漏水后船员使用气胎辅助密封在水下对左密封装置进行调整，按照使用说明书要求调整弹簧压缩量，但说明书没给出设计压缩量，只提到此值由服务人员现场安装时确定。实际操作过程是逐渐缩小L值，增大弹簧压缩量δ，直至密封装置不漏水。勘验时测得的弹簧压缩量δ为9 mm。调整后时间不长，左密封装置漏水更加严重。

为了弄清弹簧压缩量增大后漏水更加严重的原因，重点对该密封装置动、静环比压和接触形状加以仔细分析，如图2。

图2 动环接触形状

如原理所述，动环与静环端面密封需保持一定的比压，而橡胶动环接触面需要水润滑和冷却，比压小容易漏水，但润滑和冷却好;比压大密封性好，但润滑和冷却差。图2(a)为动环原始形状，密封带宽度b=13.5 mm。当密封装置在合适的比压下，动环接触形状应如图2(b)所示，接触宽度为Δb，接触面之间能形成一层水膜，起到润滑与冷却作用。如果比压过大，接触形状如图2(c)所示，接触宽度Δb=b，接触面难以形成一层水膜，产生干摩擦并发热和烧蚀，形成图2(d)所示形状。因为接触面两侧有水和空气冷却，温度分布呈中间高两侧低，最终形成内凹烧蚀形态。由此可见，船员调整时增大了弹簧压缩量δ，使密封装置比压过大，接触面润滑与冷却不足，导致橡胶动环烧蚀，最终造成漏水加重。

2)气胎撕裂烧损原因。

左密封装置漏水加重后，船员为了控制漏水，静态时采用气胎进行辅助密封，但动态时又忘了给气胎泄气，结果在气胎抱住艉轴情况下运转，使气胎撕裂烧损。辅助密封气胎充气后绝对禁止艉轴转动。

4 密封装置端面比压及弹簧压缩量确定

1)推荐比压确定及弹簧压缩量δ计算。

该密封装置使用说明书没有给出推荐比压或设计弹簧压缩量δ值，查阅众多资料也没发现有水润滑密封装置橡胶动环的推荐比压。因其工作原理和使用条件与水润滑橡胶轴承相类似，我们借用了水润滑橡胶轴承比压推荐值来计算。按照国际主流设计准则，水润滑橡胶轴承推荐比压Pc值为0.1～0.15 MPa。

根据胡克定律，橡胶动环的接触面正应力为:

当 Pc=0.15 MPa时，得 δ=5.68 mm。

按照推荐的比压0.1～0.15 MPa计算，该密封装置弹簧压缩量应为2.51 mm≤δ≤5.68 mm。

图3 橡胶动环剖面图

2)试验确定最佳弹簧压缩量δ。

为了验证上述计算，并寻求最佳δ值，对密封装置进行台架试验。试验完全模拟实船条件和工况，艉轴工作转速350 r/min，设置一组δ值，覆盖了理论计算值，然后观察试验情况并对结果进行评判，其结果见表1。

表1 一组不同弹簧压缩量δ值的试验结果

试验结果表明，当弹簧压缩量δ为2.5～3.5 mm时，密封装置工作效果较好，满足该型艇使用要求，当δ=3 mm时，工作效果最佳。

5 故障排除结果

原因分析清楚后，后续的排故修理就水到渠成。更换了损坏的动环、气胎及全部橡胶密封件，调整弹簧压缩量为3 mm，经台架试验合格后再装船。航行试验时，艉轴最高转速350 r/min，冷却水压力0.045 MPa。左、右密封装置静态不漏，动态时略有水滴甩出， 泄漏量大约为16 mL/h。之后，该船艉轴密封装置工作一直良好。

通过排故修理实践，我们还总结出该型密封装置几点安装调整经验:①调整应使静态时密封副之间不漏水，动态时保证一定的泄漏量，大约20 mL/h最佳，这样可以起到润滑和冷却的作用，延长动环的使用寿命;②气胎辅助密封只能在维修和调整时使用，气胎处于充气状态时严禁转动艉轴，使用完毕后，必须要放干净气胎里面的压缩空气;③工艺螺钉的作用是用来调节弹簧压缩量δ，和运输时连接动环座与衬套，调整完毕后应拆除工艺螺钉并保管好，不拆除会使弹簧失去补偿作用，导致异常泄漏。

［1］陈德才，崔德容.机械密封设计制造与使用［M］.机械工业出版社，1993.

［2］顾永泉.机械密封实用技术 ［M］.机械工业出版社，2001.

［3］刘鸿文.材料力学I［M］.第4版.高等教育出版社，2007.

［4］刘建华，李文星.水润滑橡胶轴承的设计研究［J］.机械设计与制造，2011.

［5］GJB 2479－1995，舰艇艉轴管密封装置通用规范 ［S］.