泵機(jī)械密封性能分析和優(yōu)化改進(jìn)

文/袁帥 劉光輝 趙君昌 賈偉峰

輕烴類機(jī)泵密封失效原因分析與改進(jìn)方案的優(yōu)化——本文基于機(jī)械密封的特點(diǎn)和工作原理，對(duì)國(guó)內(nèi)某煉化公司氣體分餾裝置機(jī)泵機(jī)械密封泄漏原因進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)分析,提出了合理的改進(jìn)方案,并且取得了良好的應(yīng)用效果，為同類型機(jī)泵機(jī)封設(shè)計(jì)選型、原因分析、技術(shù)改造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

離心泵是煉化裝置必不可少的動(dòng)力設(shè)備，機(jī)泵是否能夠運(yùn)行正常，直接關(guān)系到裝置安全、生產(chǎn)穩(wěn)定性和連續(xù)性，而正常運(yùn)行的關(guān)鍵主要取決于機(jī)械密封的可靠性。國(guó)內(nèi)外由于機(jī)械密封失效導(dǎo)致發(fā)生多起著火事故，損失巨大。機(jī)械密封近年來已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，可靠性及壽命都得到了大幅提升，但某些機(jī)泵由于配置不合理，實(shí)際工藝參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)存在偏差以及流量、壓力設(shè)置等造成機(jī)械密封運(yùn)行壽命不長(zhǎng)，泄漏頻繁。

國(guó)內(nèi)某石油化工公司70 萬 t/a 氣體分餾裝置，所有輕烴類機(jī)泵均采用串聯(lián)式機(jī)械干氣密封（機(jī)械密封+干氣密封），其中脫丙烷塔進(jìn)料泵設(shè)計(jì)型式為BB5，5 級(jí)葉輪，首級(jí)采用雙吸結(jié)構(gòu)，操作介質(zhì)為經(jīng)過脫硫的液化氣，操作溫度為40 ℃，出口壓力2.72 MPa，機(jī)封沖洗方案選用P11+72/76，首級(jí)密封沖洗液為機(jī)泵二級(jí)出口介質(zhì)外引至P11 系統(tǒng)，抑制密封選用外引0.7 MPa 系統(tǒng)氮?dú)?。開工初期裝置在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，首級(jí)機(jī)械密封頻繁泄漏，導(dǎo)致裝置無法長(zhǎng)期運(yùn)行并存在安全隱患，備件消耗和維修成本也大幅度上升，為降低安全風(fēng)險(xiǎn)及人力物力消耗，全面優(yōu)化勢(shì)在必行。

泄漏事件經(jīng)過及原因分析

裝置投產(chǎn)初期該泵在介質(zhì)性質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求及運(yùn)行工況在性能曲線優(yōu)選范圍內(nèi)的情況下，機(jī)械密封頻繁泄漏。該泵在運(yùn)行過程中，機(jī)封本體過熱并伴隨著尖銳刺耳的摩擦聲。經(jīng)對(duì)失效機(jī)封拆檢，發(fā)現(xiàn)首級(jí)密封動(dòng)環(huán)磨損嚴(yán)重（動(dòng)環(huán)為碳化硅材質(zhì)，靜環(huán)采用硬質(zhì)合金材質(zhì)），并且干氣至放火炬管線單向閥孔板前堵塞嚴(yán)重（為動(dòng)環(huán)磨損造成）。故判斷造成機(jī)械密封失穩(wěn)的主要原因?yàn)槭准?jí)機(jī)封動(dòng)環(huán)與靜環(huán)未形成有效液膜，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中動(dòng)靜環(huán)干摩擦并產(chǎn)生大量摩擦熱。最終導(dǎo)致動(dòng)環(huán)磨損嚴(yán)重，密封失效（見圖1、圖2）。

圖1 一級(jí)動(dòng)環(huán)磨損狀態(tài)

圖2 磨損后抑制密封腔內(nèi)部狀態(tài)

原因分析

根據(jù)API682 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，對(duì)于接觸式濕密封（不含抑制密封）的密封腔設(shè)計(jì)壓力應(yīng)比流體最大飽和蒸氣壓高30%以上，或比流體最高溫度高至少20 ℃時(shí)的壓力，并且密封在合理工況范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)壽命不低于25 000 h，現(xiàn)實(shí)卻遠(yuǎn)未達(dá)到使用要求。

1.沖洗液流量過低

該泵原設(shè)計(jì)機(jī)械密封P11 沖洗液為二級(jí)葉輪出口外引DN15管路，經(jīng)三通分兩路給驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封，作為首級(jí)沖洗液使用。機(jī)械密封在運(yùn)轉(zhuǎn)壽命尾聲會(huì)出現(xiàn)沖洗管線兩側(cè)溫差上升（一側(cè)為二級(jí)出口溫度，一側(cè)為環(huán)境溫度），溫度低的一側(cè)機(jī)封本體過熱，短時(shí)間內(nèi)失效，造成該現(xiàn)象的主要因素為機(jī)泵兩端沖洗流量嚴(yán)重分配不勻（分流后流量會(huì)成指數(shù)下降），流量低的一側(cè)由于動(dòng)靜環(huán)摩擦副端面無冷卻潤(rùn)滑沖洗介質(zhì)，造成動(dòng)靜環(huán)干磨超溫?fù)p壞，進(jìn)而密封失效。

表1 密封報(bào)警參數(shù)對(duì)比值

2. 機(jī)泵本體設(shè)計(jì)缺陷

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量， 喉部襯套間隙為2 mm（ 規(guī)范要求為0.2 ～0.5 mm），襯套與機(jī)體設(shè)計(jì)兩處φ5mm 的通孔（如圖3）。喉部襯套的作用為使泵軸與金屬襯套之間保持一定間隙，以此來保證密封腔壓力。該設(shè)計(jì)失去了對(duì)密封腔壓力的控制，過流部位由于間隙過大，造成介質(zhì)在腔內(nèi)停留時(shí)間過短，從而導(dǎo)致流量增大，腔內(nèi)壓力降低。

圖3 機(jī)泵喉部襯套

3.沖洗液壓力過低

經(jīng)化驗(yàn)分析介質(zhì)在20 ℃時(shí)飽和蒸氣壓為0.711 MPa。根據(jù)規(guī)范要求，密封腔壓力至少要大于該溫度下的飽和蒸氣壓0.35 MPa。對(duì)運(yùn)行階段機(jī)封內(nèi)壓蓋開孔實(shí)測(cè)機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的密封腔壓力，機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)前驅(qū)動(dòng)端及非驅(qū)動(dòng)端密封腔壓力接近入口壓力為0.9 MPa,運(yùn)轉(zhuǎn)后兩端密封腔壓力為0.95 MPa，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。加之沖洗介質(zhì)經(jīng)泵升壓后，存在一定溫升，其要求的密封腔壓力更高一些。推斷導(dǎo)致密封頻繁泄漏的直接原因?yàn)槊芊馇粔毫υＡ浚╒PM）不夠，促使密封腔內(nèi)介質(zhì)發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，說明在該區(qū)域已經(jīng)進(jìn)入氣液混相，并馬上進(jìn)入完全氣相狀態(tài)。導(dǎo)致摩擦副之間無法建立有效液膜。

方案優(yōu)化與實(shí)施效果

為使流體滿足所需壓力、流量和溫度的要求，有如下幾種方法可以實(shí)現(xiàn)：

（1）利用冷卻沖洗液以降低密封腔流體溫度，使其飽和蒸氣壓根據(jù)溫度的降低而降低。

（2）通過向后移動(dòng)耐磨環(huán)或堵住葉輪平衡孔來提高密封腔的壓力。

（3）利用外部沖洗流體提高密封腔壓力。

（4）將喉套間隙減小來提高密封腔壓力。

根據(jù)實(shí)際情況，方案2 和方案4 涉及到機(jī)泵本體動(dòng)改，改造后對(duì)軸串量會(huì)產(chǎn)生不可避免的影響，而方案1、方案3 及機(jī)封本體動(dòng)改三種方式操作最為簡(jiǎn)便實(shí)用。

優(yōu)化沖洗液流量及壓力

該泵原設(shè)計(jì)為二級(jí)葉輪出口外引DN15 管路，經(jīng)三通分兩路給驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封作為首級(jí)沖洗液使用。優(yōu)化設(shè)計(jì)為，驅(qū)動(dòng)端沖洗管路維持原設(shè)計(jì)不變，非驅(qū)動(dòng)端采用外引泵出口高壓介質(zhì)作為沖洗液?jiǎn)为?dú)沖洗，維持管徑不變的同時(shí)，沿途增設(shè)截止閥、孔板（φ3mm、φ4mm、φ5mm、φ8mm 4 種規(guī)格，初選φ3mm）、現(xiàn)場(chǎng)壓力表及渦街流量計(jì)（如圖4），使驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端沖洗液流量及壓力均得到保障，以此來增加密封腔壓力和沖洗流量。

圖4 改造后沖洗示意圖

優(yōu)化機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

結(jié)合以往改造經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)此類臨近飽和蒸氣壓的輕烴類使用工況，對(duì)動(dòng)環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加端面開深槽結(jié)構(gòu)，降低密封面的產(chǎn)熱量，前置獨(dú)立節(jié)流裝置以此營(yíng)造機(jī)械密封獨(dú)立密封腔壓力，節(jié)流環(huán)設(shè)計(jì)為碳化硅材質(zhì)，雙邊預(yù)留0.1 mm 余量，以此避免介質(zhì)壓力過大造成密封腔超壓（如圖5）。節(jié)流環(huán)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)隨著沖洗介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)調(diào)整至最佳位置，既保證了密封腔壓力，又與沖洗液通流部位達(dá)到平穩(wěn)過流。

圖5 改造前沖洗示意圖

利用冷卻沖洗液降低流體溫度

該泵密封腔外部設(shè)計(jì)為可通入冷卻液夾套形式，為下進(jìn)上出，內(nèi)螺紋聯(lián)接形式，可利用裝置服務(wù)站所提供的循環(huán)冷卻水引至夾套，通過調(diào)整流量來控制密封腔內(nèi)部溫度，以此來降低介質(zhì)溫度，使其飽和蒸氣壓降低，以保證液膜維持良好。

實(shí)施效果

改進(jìn)后運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)測(cè)，機(jī)封本體溫度45 ℃左右，密封腔壓力實(shí)測(cè)1.0 MPa，非驅(qū)動(dòng)端新增沖洗管線表壓為1.1 MPa,密封腔壓力為1.08 MPa，流量為1.44 m3/h，機(jī)械密封本體及沖洗管線溫度無異常，且運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期效果。該優(yōu)化方案有效地解決了之前密封頻繁泄漏的問題，延長(zhǎng)了機(jī)械密封的使用壽命,直接節(jié)省了大量的維修費(fèi)用和配件費(fèi)用,更避免了裝置非計(jì)劃停工,保障了安全運(yùn)行，提高了裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)論

綜上所述，機(jī)械密封在輕烴類機(jī)泵上的應(yīng)用由于介質(zhì)的特殊性和復(fù)雜性，為保證穩(wěn)定工作，密封端面之間一般要求形成穩(wěn)定的液膜，避免干摩擦，從而導(dǎo)致密封發(fā)熱和增加磨損。因此由于介質(zhì)汽化而引起的液膜破壞是制約性能的主要因素。所以從設(shè)計(jì)選型階段就要結(jié)合實(shí)際，不僅要從機(jī)械密封上優(yōu)化選擇，而且在機(jī)泵選型制造階段及工藝條件上也要重視，最大化地提升設(shè)備運(yùn)行的合理性和科學(xué)性。 ●