催化油漿泵密封失效分析及對(duì)策

孟德明

摘要：本文主要敘述了我公司為廣東某煉油廠解決催化裂化裝置用油漿泵機(jī)械密封泄露的問題。

關(guān)鍵詞：機(jī)械密封結(jié)構(gòu) 波紋管 失效 懸浮物

由于泵送介質(zhì)（油漿）溫度高（360℃左右），密度大，且含有催化劑等固體顆粒，顆粒堅(jiān)硬且易聚集，其中催化劑顆粒含量大于11g/l，密封端面磨損嚴(yán)重，甚至產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象;國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的DBM95型機(jī)械密封波紋管處雜質(zhì)（催化劑顆粒，主要成分為Al2O3和SiO2）沉積嚴(yán)重，出現(xiàn)彈性失效現(xiàn)象。平均使用周期僅為20天左右，成為裝置安全生產(chǎn)的隱患。本文著重從密封工況對(duì)機(jī)械密封的影響，探討解決該設(shè)備隱患的方法。

一、原密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剖析

1結(jié)構(gòu)形式及材料

原機(jī)械密封形式為波紋管集裝式機(jī)械密封。該機(jī)封靜環(huán)材質(zhì)為碳化硅（SiC），動(dòng)環(huán)材質(zhì)為石墨，動(dòng)環(huán)輔助密封圈材質(zhì)為柔性石墨，其余各材料為不銹鋼。

2原機(jī)械密封的輔助系統(tǒng)

該泵的機(jī)械密封采用了外沖洗結(jié)構(gòu)。沖洗液（30℃臘油，沖洗液壓力為0.6Mpa）經(jīng)機(jī)封壓蓋進(jìn)入密封腔，對(duì)密封端面進(jìn)行沖洗，帶走摩擦熱，隔斷油漿進(jìn)入密封腔，改善端面摩擦狀態(tài)。

二、原機(jī)械密封主要失效原因分析

通過數(shù)次檢修及對(duì)原機(jī)械密封的解剖分析，發(fā)現(xiàn)引起機(jī)械密封熱裂失效泄漏的原因主要有以下幾個(gè)方面：

原因一：泵送介質(zhì)，即油漿中懸浮物主要為催化劑顆粒、重質(zhì)產(chǎn)物以及鹽類聚集物。催化劑顆粒主要為Al2O3及SiO2，硬度大且易粘附在機(jī)封表面上。工藝人員雖采取了多方調(diào)整包括從分餾塔中注入油漿阻垢劑，仍不能阻止催化劑顆?；烊胗蜐{中。拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)泵入口過濾器堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)已損壞的機(jī)封統(tǒng)計(jì)分析，靜環(huán)密封面均較好，而所有動(dòng)環(huán)密封面整體均有不同程度損傷，且多數(shù)產(chǎn)生端面裂紋現(xiàn)象。這是主要因?yàn)橛蜐{中懸浮物進(jìn)入了密封端面，劃傷了動(dòng)環(huán)密封面，并破壞了液膜的連續(xù)性，從而引起泄漏。正常密封時(shí)，密封面處于邊界潤(rùn)滑或半液體潤(rùn)滑狀態(tài)，兩表面被一層具有分層結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑性能的邊界膜分開，當(dāng)密封面間混有催化劑顆?；騽?dòng)環(huán)密封面上有磨損時(shí)，兩密封面間液膜厚度明顯增厚。

原因二：由于波紋管與軸套間隙較小，懸浮物易在波紋管表面上聚集粘附，使波紋管不能進(jìn)行軸向拉伸壓縮，失去彈性。這樣，波紋管就無法提供隨介質(zhì)壓力變化的軸向作用力，起不到補(bǔ)償作用，使端面液膜壓力減小，造成液膜反壓系數(shù)下降，以致于端面比壓下降，引起密封失效。

原因三：動(dòng)環(huán)輔助密封圈采用柔性石墨，靠緊固套壓縮密封。柔性石墨易受高溫老化、介質(zhì)聚合粘結(jié)，與軸套之間磨損和腐蝕等因素影響，降低密封性能;同時(shí)軸套、固定環(huán)及動(dòng)環(huán)基座三者的加工尺寸偏差也影響柔性石墨的密封性能。維修中動(dòng)環(huán)不易安裝，且動(dòng)環(huán)水平度難以保證，影響動(dòng)靜環(huán)密封面間的貼合程度，延長(zhǎng)機(jī)械密封磨合期。檢修完畢后，機(jī)泵預(yù)熱投備用時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)軸套外側(cè)介質(zhì)滴漏，維修人員無法判斷介質(zhì)泄漏途徑是從摩擦副間泄漏或從波紋管尾座與軸套間配合處泄漏或者兩者兼而有之。

原因四：機(jī)械密封壓蓋中的沖洗孔孔徑偏小，易被催化劑顆粒堵死，造成沖洗量受到限制。入口壓力波動(dòng)時(shí)，封液可能無法進(jìn)入密封腔，使密封腔內(nèi)充滿油漿。摩擦副運(yùn)行工況變得極為惡劣，縮短了機(jī)械密封的使用壽命。

綜上所述，由于原機(jī)械密封沖洗系統(tǒng)的局限性，部分介質(zhì)油漿進(jìn)入密封腔中，催化劑顆粒粘結(jié)在沖洗口的周圍，使沖洗液流量減少，造成油漿更多的進(jìn)入密封腔內(nèi)，形成惡性循環(huán)。最終導(dǎo)致沖洗孔堵塞，沖洗液中斷，摩擦副溫度升高，動(dòng)環(huán)因此產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋。密封腔內(nèi)油漿中催化劑顆粒結(jié)焦，造成波紋管彈力減少，動(dòng)環(huán)失去軸向補(bǔ)償作用。另一方面，催化劑顆粒進(jìn)入摩擦副密封表面之間。因動(dòng)環(huán)材質(zhì)為石墨材料，其硬度低于催化劑顆粒硬度。動(dòng)環(huán)面造成劃傷，進(jìn)一步增大密封間隙，導(dǎo)致機(jī)械密封失效。

三、改造對(duì)策及措施

1 該機(jī)泵機(jī)械密封失效的主要原因?yàn)槟チ希ㄖ饕獮榇呋瘎╊w粒）磨損。磨料顆粒尺寸為 0.3～3μm時(shí)，磨損最為嚴(yán)重。針對(duì)磨料磨損，防止外來磨料進(jìn)入密封和從密封流體中分離出固體磨粒是非常重要的措施。此外，正確選用耐磨材料和采用硬-硬材料組合也是很有效的措施。因此，簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)地改變機(jī)封輔助備件結(jié)構(gòu)形式，減少進(jìn)入密封腔的油漿量，改善運(yùn)行工況;并選用DBM95A型波紋管機(jī)械密封替代原DBM95型波紋管機(jī)械密封，以期解決該設(shè)備的隱患。

2 本文認(rèn)為，在保證波紋管壓縮量的情況下，將波紋管的尾座與軸套制成一體，確保密封面的垂直度，即軸套增設(shè)一法蘭凸臺(tái)，，使得動(dòng)環(huán)背部軸向密封強(qiáng)行變成徑向密封，減少密封泄漏途徑，避免波紋管組件重復(fù)調(diào)整和密封圈的損壞，確保機(jī)封密封性能的可靠性和一次組裝成功率，降低安裝難度和強(qiáng)度。

3 沖洗系統(tǒng)

3.1沖洗通道

在外界沖洗系統(tǒng)不變的情況下，將沖洗通道孔徑由原Φ5擴(kuò)大至Φ8。一方面沖洗液不致于流速過大，使磨擦副受到侵蝕磨損;另一方面可使沖洗液流動(dòng)更暢通，避免催化劑顆粒粘結(jié)堵塞通道，及時(shí)帶走摩擦熱，防止端面過熱，保證機(jī)封長(zhǎng)壽命運(yùn)行。

可見，增設(shè)底套后，進(jìn)入密封腔的油漿量大為減少。

3.2 提高沖洗液壓差

因冷卻水壓力基本不變（0.39-0.44Mpa），要改變并不現(xiàn)實(shí)。故此只有改變封油壓力，將沖洗液壓力提高至0.7Mpa，使沖洗液與油漿壓差維持在0.25-0.3Mpa。這樣沖洗液在入口壓力波動(dòng)情況下依然能進(jìn)入密封腔中，隔斷油漿進(jìn)入密封腔，冷卻摩擦副，改善運(yùn)行工況。

3.3? 機(jī)封組件

3.3.1端面材質(zhì)改型

摩擦副中動(dòng)環(huán)材質(zhì)選用表面噴涂氧化鉻（Cr2O3），靜環(huán)材質(zhì)選用YG6，該配合屬于“硬質(zhì)合金—硬質(zhì)合金”形式。由于二者硬度不同，可防止動(dòng)靜環(huán)密封面同時(shí)損傷，也避免了產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象。這樣，即使少量催化劑顆粒混入摩擦副之間，也因摩擦副的耐磨性，摩擦副也不易產(chǎn)生劃傷，從而保證了密封效果。

3.4效果

改造前該機(jī)泵有效運(yùn)行時(shí)間僅為20天左右。最長(zhǎng)運(yùn)行一個(gè)月，最短僅為一個(gè)星期的時(shí)間。2006年10月改造后，連續(xù)運(yùn)行最長(zhǎng)累積可達(dá)6000小時(shí)。其間經(jīng)過長(zhǎng)周期高負(fù)荷運(yùn)行和頻繁的切換運(yùn)行而無泄漏故障，可見，這次改造措施是相當(dāng)成功的。

四、結(jié)論

面對(duì)該油漿泵頻繁的故障檢修，本文針對(duì)影響機(jī)封壽命的不良因素，采取有效的改造措施，確保了油漿泵的安穩(wěn)運(yùn)行：

1 在沖洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變的情況下，將機(jī)封壓蓋上的沖洗孔孔徑適當(dāng)加大，使得催化劑顆粒不易粘結(jié)堵塞沖洗通道。

2 摒棄動(dòng)環(huán)輔助密封圈。將軸套與固定環(huán)制成一體，使軸向密封與徑向密封合二為一，軸向密封強(qiáng)行變?yōu)閺较蛎芊?。從而減少了泄漏途徑，降低了檢修難度和強(qiáng)度。

3 軸套尾部增設(shè)底套。底套與軸套相配合，形成迷宮間隙。從而阻止油漿中的催化劑顆粒進(jìn)入密封腔，改善機(jī)械密封的運(yùn)行工況，防止摩擦副因雜質(zhì)磨料磨損。

4 將摩擦副材質(zhì)改為硬質(zhì)合金，即“硬質(zhì)合金—硬質(zhì)合金”的形式。增加了摩擦副的耐磨性，避免摩擦副間混入少量雜質(zhì)而受到劃傷損壞;動(dòng)靜環(huán)硬度不同，避免兩者同時(shí)損壞，達(dá)到延長(zhǎng)機(jī)械密封使用周期的目的。

改造后該機(jī)泵能夠長(zhǎng)周期安穩(wěn)運(yùn)行，說明這次改造是成功的。