液化氣泵機械密封泄漏分析及改造

龔 文，司春旭，王進(jìn)旭

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750021）

0 引言

寧夏石化公司氣分裝置脫乙烷塔回流泵為單級臥式懸臂式離心泵，機泵功率30 kW，轉(zhuǎn)速2950 r/min，揚程95 m。機械密封為四川日機生產(chǎn)的干氣機械密封，介質(zhì)為混合C3，運行溫度60 ℃：流量70.2 m3/h，入口操作壓力2.8 MPa，出口操作壓力3.2 MPa。機械密封采用PLAN72+PLAN76 沖洗方案，機械密封為集裝式彈簧機械密封。一級密封沖洗液為自泵出口引至一級密封的混合C3，實現(xiàn)對一級密封端面的沖洗、冷卻和潤滑作用；二級密封為干氣密封，干氣為自裝置外引入的低壓氮氣，將一級密封泄漏的液化氣引至低壓瓦斯系統(tǒng)。

1 機械密封故障現(xiàn)象

對歷次泄漏后的機械密封拆開檢查，總結(jié)故障現(xiàn)象：①機械密封軸套有過熱發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，一級動環(huán)密封端面也出現(xiàn)過熱發(fā)藍(lán)現(xiàn)象；②一級密封靜環(huán)O 形圈在機械密封使用5 個月后開始出現(xiàn)老化、龜裂現(xiàn)象；③機械密封泄漏前易出現(xiàn)明顯的端面嗚叫現(xiàn)象，拆檢發(fā)現(xiàn)一級密封動環(huán)接觸面凸臺磨損到0.5 mm 以內(nèi)，原設(shè)計凸臺高度為3.5 mm；④檢查機械密封泄漏前機泵入口回流罐液位存在偏低現(xiàn)象，通過化驗發(fā)現(xiàn)進(jìn)入氣分裝置液化氣中C2含量過高，最大值12.11%，遠(yuǎn)大于工藝設(shè)計參數(shù)（＜2%）。

2 機械密封失效分析

分析認(rèn)為4 點原因?qū)е乱夯瘹獗脵C械密封泄漏。①當(dāng)介質(zhì)中C2 含量過高時，泵容易發(fā)生氣蝕，造成密封腔內(nèi)壓力降低或者劇烈波動，影響密封端面液膜的穩(wěn)定；②機械密封沖洗介質(zhì)在一級密封腔處流動緩慢，密封腔處的介質(zhì)熱量積聚導(dǎo)致機封密封面在運行時端面有較大溫升，端面附近輕組分的烴類介質(zhì)發(fā)生氣化，導(dǎo)致端面無液體進(jìn)行有效潤滑，發(fā)生干摩擦使一級密封面動環(huán)處磨損嚴(yán)重，介質(zhì)側(cè)O 形圈高溫老化甚至發(fā)生碳化現(xiàn)象（圖1）；③當(dāng)回流罐液位偏低或在裝置開停工時，介質(zhì)中含有的固體雜質(zhì)被帶入端面，造成機械密封磨損和破壞原來極薄的液膜的連續(xù)性[1]；④機械密封動環(huán)凸臺磨損后（圖1），由于靜環(huán)內(nèi)圓周結(jié)垢，導(dǎo)致靜環(huán)內(nèi)徑與軸套之間的間隙過小，彈簧座的滑移外徑處有積碳，動環(huán)石墨環(huán)磨損物影響密封彈性組件的彈性補償能力，使彈性組件追隨性變差，造成密封面開啟后無法閉合，加劇泄漏變?yōu)閲娐2]。

圖1 O 形圈老化，動環(huán)凸臺磨損

3 處理措施

3.1 選擇更合理的密封材料

液化氣泵改造前機械密封O 形圈材質(zhì)為氟橡膠，動環(huán)端面材質(zhì)為浸樹脂石墨，靜環(huán)材質(zhì)為碳化硅。為了提高密封材料的耐高溫性能，動環(huán)材質(zhì)更換為浸金屬石墨。浸樹脂石墨雖然可獲得較高的密度，但其使用溫度低，高溫摩擦磨損性能較差，適合做腐蝕環(huán)境中的密封件。浸金屬石墨繼承了石墨材料耐高溫，耐磨損等特性，同時提高機械強度[3]；將O 形圈材質(zhì)更換為全氟醚橡膠。全氟醚橡膠具有更好的耐化學(xué)性、耐熱性，表面沒有滲透、開裂和針孔等缺陷，長期工作溫度為（-39～288）℃，短期可達(dá)315 ℃，在低于脆化溫度下仍具有一定塑性，硬而不脆，可彎曲。

3.2 優(yōu)化機械密封結(jié)構(gòu)配置

為了解決端面發(fā)熱問題，考慮通過降低機械密封端面比壓的方式減少端面承受的載荷。由于端面比壓由介質(zhì)作用力及彈簧比壓共同作用，而介質(zhì)作用力相對穩(wěn)定，因此通過將彈簧比壓由原來的0.31 MPa/cm2降低 至0.21 MPa/cm2，使機械密封端面比壓整體降低近30%，圖2。通過以上調(diào)整，較好的控制了端面熱量的產(chǎn)生，延長了O 形圈和動環(huán)密封的使用壽命。

圖2 一級密封動環(huán)彈簧改至8 個

3.3 優(yōu)化操作條件

平穩(wěn)操作，嚴(yán)格控制脫乙烷塔回流罐液位≥40%，并加大脫水頻次，要求每4 h 脫水1 次；嚴(yán)格控制罐區(qū)來液化氣中C2 組分及其穩(wěn)定性，并要求C2 組分≤10%，當(dāng)回流罐壓力＞0.3 MPa時，及時泄C2 至低壓瓦斯系統(tǒng)。

3.4 改進(jìn)機械密封沖洗方案

從泵排出口到密封腔管線上增加節(jié)流孔板，再從一級密封腔和泵入口處增加一條泄壓線，減小一級密封腔處的壓力，從而降低該處溫度。

4 結(jié)束語

分析液化氣機泵機械密封故障原因，提出從機械密封材質(zhì)及結(jié)構(gòu)和操作方面的改進(jìn)措施。改進(jìn)后，脫乙烷塔回流泵由改造前最長周期不到5 個月延長至可連續(xù)運行1 a 以上，降低了裝置的安全平穩(wěn)運行風(fēng)險以及檢修頻率，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。