雙端面機(jī)械密封在含顆粒介質(zhì)燃料油泵中的應(yīng)用

郭慶峰

（中國(guó)石油大慶煉化公司，黑龍江大慶 163411）

0 引言

某煉化公司動(dòng)力裝置配置6 臺(tái)燃料油泵，是為鍋爐提供燃料供應(yīng)的主要轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備。近年來(lái)，根據(jù)公司生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整，經(jīng)過(guò)煉油裝置提煉后的油漿作為鍋爐的主要燃料，燃料油泵輸送的介質(zhì)也由渣油改為油漿。由于油漿內(nèi)含有催化劑類顆粒性雜質(zhì)，機(jī)械密封因雜質(zhì)堆積造成彈性失效而頻繁泄漏。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該類機(jī)泵的機(jī)械密封使用周期是3000 h 左右，最短的僅為800 h，年檢修頻次達(dá)到10 余次，使用周期均無(wú)法達(dá)到規(guī)定要求。機(jī)械密封突然泄漏將會(huì)影響裝置的安全生產(chǎn)，造成鍋爐因燃料中斷停工。另外，燃料具有易燃性，暴露在大氣中遇到火源將引起火災(zāi)，影響設(shè)備、人身的安全。

例如，2019 年7 月10 日，PY101 燃料油泵因機(jī)封泄漏導(dǎo)致泵的軸向力突然改變，造成高壓端軸承磨損過(guò)熱打火冒煙，不但設(shè)備損壞，同時(shí)也造成鍋爐燃油壓力突降、鍋爐負(fù)荷突降、蒸汽壓力波動(dòng)。

為此，對(duì)油泵機(jī)封實(shí)施改造。改造目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)油泵機(jī)械密封介質(zhì)無(wú)泄漏，壽命≥8000 h，發(fā)生泄漏時(shí)提前預(yù)知并報(bào)警。

1 單端面機(jī)械密封泄漏分析

該裝置燃料油泵原設(shè)計(jì)機(jī)械密封為單端面機(jī)械密封（圖1），沖洗方案為Plan 11，即介質(zhì)從泵體第一級(jí)葉輪的殼體處引出，接入機(jī)械密封壓蓋，對(duì)機(jī)械密封摩擦副進(jìn)行沖洗。動(dòng)環(huán)受到密封腔中液體和彈性元件的壓力，使其端面貼合在靜環(huán)的端面上，形成微小的軸向間隙而達(dá)到密封的目的。

圖1 單端面機(jī)械密封

圖2 是動(dòng)力裝置燃料油泵泄漏的機(jī)械密封，可見機(jī)械密封緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)（大彈簧）、動(dòng)環(huán)組件和靜環(huán)組件附著了大量的類焦炭物質(zhì)，并且大彈簧已經(jīng)完全失去彈性補(bǔ)償功能。

圖2 機(jī)械密封泄漏

根據(jù)檢查結(jié)果，分析機(jī)械密封泄漏原因：

（1）由于油泵的泵送介質(zhì)為燃料油（組分重且含有催化劑顆粒），在機(jī)械密封端面處無(wú)法形成正常的密封液膜，而是在密封面處凝固成顆粒物，這些顆粒物造成端面的不可逆磨損，導(dǎo)致密封泄漏。

（2）由于介質(zhì)含有催化劑類的灰分，在動(dòng)靜環(huán)摩擦高溫處造成機(jī)械密封波紋管或彈簧處堆積結(jié)焦而失去彈性，發(fā)生機(jī)械密封彈性失效，導(dǎo)致機(jī)械密封泄漏。

2 雙端面機(jī)械密封改造方案

通過(guò)對(duì)燃料油泵單端面機(jī)械密封頻繁泄漏的原因進(jìn)行分析得出，只有改善密封端面的工作環(huán)境，才能延長(zhǎng)密封使用壽命，因此需要選用其他介質(zhì)代替油漿作為沖洗液。

2.1 密封型式及沖洗方案的選擇

（1）確認(rèn)機(jī)械密封型式。根據(jù)以上分析內(nèi)容，如果外引介質(zhì)作為沖洗液，則需要改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，將單端面密封改為雙端面密封結(jié)構(gòu)，增加一個(gè)外沖洗構(gòu)造。

（2）確認(rèn)沖洗液。根據(jù)燃料油泵輸送介質(zhì)為油漿的特性，油漿內(nèi)滲水易發(fā)生汽化、抽空等問題，因此不能選用水作為沖洗液。但公司自產(chǎn)產(chǎn)品白油允許微量（＜5.6 g/h）進(jìn)入油漿，并且白油形成的端面液膜穩(wěn)定性比水及催化油漿更好，選用白油對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行沖洗，能夠在一級(jí)端面處形成穩(wěn)定的液膜，徹底杜絕介質(zhì)外漏隱患。

2.2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）選用串聯(lián)的雙端密封結(jié)構(gòu)（圖3），在一級(jí)和二級(jí)密封之間形成一個(gè)密封腔，白油在此區(qū)間流通，同時(shí)白油壓力高于一級(jí)密封腔工作壓力（0.2～0.3 MPa），這樣一級(jí)密封摩擦副在壓差的作用下形成80%以上的白油液膜，二級(jí)密封為100%白油液膜，極大改善密封的工作環(huán)境，也為密封壽命的延長(zhǎng)提供了良好的條件。而且，由于密封白油的壓力始終高于密封腔處油漿壓力，可以實(shí)現(xiàn)介質(zhì)零泄漏。

圖3 雙端面機(jī)械密封

（2）一級(jí)密封端面和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)采用彈簧密閉結(jié)構(gòu)（圖4），使其與泵體內(nèi)的油漿隔離，從根本上杜絕密封端面和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)結(jié)焦失彈問題。

圖4 PLAN 53B 沖洗方案—密封腔結(jié)構(gòu)

（3）增設(shè)密封輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)計(jì)算，密封腔處介質(zhì)壓力為0.3 MPa 左右，外接白油需要加壓到合適壓力（0.5 MPa 左右），因此需增加一個(gè)外在加壓系統(tǒng)。根據(jù)該泵房室內(nèi)面積小、無(wú)管網(wǎng)氮?dú)獾染唧w條件，選用PLAN 53B 沖洗方案。該密封輔助系統(tǒng)（圖5）有氮?dú)狻子?、循環(huán)水3 種介質(zhì)，氮?dú)饧幼⒃谛钅芷鳉饽覂?nèi)，作為提供系統(tǒng)穩(wěn)定壓力的動(dòng)力源；白油作為密封沖洗介質(zhì)在輔助系統(tǒng)與機(jī)封間循環(huán)；循環(huán)水作為冷卻介質(zhì)為循環(huán)的白油降溫。

圖5 密封輔助系統(tǒng)

（4）為增加安全性能，除安裝就地儀表外，還增設(shè)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)密封白油壓力低等異常情況，控制室內(nèi)將收到報(bào)警提示并及時(shí)進(jìn)行處理。

3 投用效果

動(dòng)力裝置改造6 臺(tái)燃料油泵，將密封由單端面改為雙端面結(jié)構(gòu)，沖洗方案由Plan 11 改Plan 11+Plan 53B 的雙結(jié)合型式。經(jīng)過(guò)近一年運(yùn)行、調(diào)整，觀察現(xiàn)場(chǎng)的密封泄漏情況（包括油漿、白油泄漏），密封白油壓力最終定為0.49～0.55 MPa。系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，油漿泄漏問題得以解決。