水環(huán)泵機(jī)械密封失效分析與改造

羅 杰

（中石化金陵分公司，江蘇南京 210033）

0 引言

某煉油廠常減壓蒸餾裝置水環(huán)泵機(jī)械密封故障頻繁，平均使用壽命僅為6個月，遠(yuǎn)達(dá)不到SH/T 3156—2009《石油化工離心泵和轉(zhuǎn)子泵用軸封系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》所規(guī)定的不間斷連續(xù)運(yùn)行不低于25 000 h的規(guī)定。本文從機(jī)械密封拆解狀況入手，經(jīng)仔細(xì)分析得出了適用于現(xiàn)場實(shí)際情況的修改方案。通過實(shí)施后的運(yùn)行情況得出該方案是可行的，對今后解決其他機(jī)械密封泄漏問題具有一定的借鑒意義。

1 泵及機(jī)械密封的型式

該裝置水環(huán)泵為塔頂不凝氣增壓并輸送至下游裝置，其主要靠泵腔容積的變化來實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作平穩(wěn)可靠、操作簡單的特點(diǎn)。該不凝氣水環(huán)泵型號為2BEY1-20-1ED2-980，吸氣流量1200 Nm3/h，進(jìn)氣壓力0.02 MPa（G），排氣壓力0.25～0.27 MPa（G），進(jìn)氣溫度45℃，轉(zhuǎn)速980 r/min，原軸封采用雙端面彈簧機(jī)械密封，沖洗方案為PLAN53A。通過隔離液儲罐向有壓雙重密封提供隔離液。正常運(yùn)行時，隔離液由螺旋套維持循環(huán)[1]，隔離罐壓力高于密封腔內(nèi)液體的壓力。

2 機(jī)械密封的拆解情況

經(jīng)對機(jī)械密封進(jìn)行拆解，并核對各個部件及相關(guān)安裝尺寸，發(fā)現(xiàn)有如下問題：

（1）螺旋套外表面有明顯擦痕，覆蓋面約為螺旋套寬度1/3，但蹭擦寬度不一，緊固螺栓松動（圖1）。

圖1 螺旋套磨損

（2）二級機(jī)械密封O形密封圈呈高溫炭化狀，明顯受高溫失效（圖2）。

圖2 O形密封圈炭化

（3）軸套表面的緊固螺栓處和密封環(huán)處有明顯劃痕，原因為螺旋套松動后與軸套發(fā)生相對位移，產(chǎn)生摩擦（圖3）。

圖3 軸套磨損

（4）動、靜環(huán)密封面磨損量較小，但有明顯偏磨現(xiàn)象，二級密封環(huán)發(fā)生斷裂（圖4）。

圖4 密封環(huán)偏磨、斷裂

（5）軸和泵腔體同心度偏差較大，經(jīng)測量泵非驅(qū)動端軸同心度向下偏差0.28 mm，與SH/T 3156—2009規(guī)定的同心度偏差應(yīng)≤0.125 mm嚴(yán)重不符。另外，測量機(jī)械密封安裝位置的軸徑向圓跳動為0.03 mm，符合SH/T 3156—2009所要求的小于0.05 mm。

3 故障分析

針對以上拆解發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合多年來該機(jī)械密封的使用安裝情況，可以判斷密封組件異常摩擦是造成機(jī)械密封失效的直接原因，而造成摩擦的原因主要為安裝精度低和軸承箱設(shè)計缺陷。

3.1 安裝精度低

受制于現(xiàn)場維修條件采用臥式安裝（廠家建議立式安裝），正常情況下，軸套和泵蓋之間間隙為2 mm，單側(cè)維修機(jī)械密封時（此時軸承箱拆除），轉(zhuǎn)子下沉導(dǎo)致軸套不能安裝。此時需將軸托起，機(jī)械密封安裝完成后撤出千斤頂?shù)乃查g，轉(zhuǎn)子的自重著力于軸套，會導(dǎo)致軸套輕微變形，而密封環(huán)在此過程也有可能受損（圖5），大大減少機(jī)械密封的使用壽命。

圖5 水環(huán)泵泵軸

3.2 軸承箱設(shè)計缺陷

經(jīng)測量，泵非驅(qū)動端軸同心度向下偏差0.28 mm，原因為軸承箱沒有設(shè)置定位止口或定位銷，軸承箱自重較大產(chǎn)生向下的位移，單純靠螺栓緊固不能有效精確對軸承箱定位。同心度偏差大，是造成機(jī)械密封內(nèi)件異常摩擦的原因之一。

當(dāng)機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)時，機(jī)械密封內(nèi)部組件發(fā)生不均勻摩擦。運(yùn)轉(zhuǎn)時的巨大摩擦力導(dǎo)致螺旋套緊固螺栓的松動，在軸向力和旋轉(zhuǎn)力的長時間共同作用下，螺旋套會在軸向和環(huán)向發(fā)生不規(guī)則運(yùn)動，從而導(dǎo)致軸套和螺旋套磨損、密封環(huán)受沖擊斷裂。在實(shí)際使用過程中，密封壓蓋溫度偏高也是該現(xiàn)象的客觀反映。

二級機(jī)械密封O形密封圈炭化的主因為機(jī)械密封發(fā)生泄漏后，特別是隔離液泄漏后，機(jī)械密封失去冷卻作用，摩擦產(chǎn)生的熱量聚集導(dǎo)致O形密封圈炭化。

3.3 密封沖洗線設(shè)計缺陷

原泵Plan53A隔離液進(jìn)出孔LBI、LBO設(shè)計為水平方向接管，因LBO孔沒有設(shè)在高點(diǎn)，無法將壓蓋腔體內(nèi)的氣體排凈，導(dǎo)致密封端面上半部沒有浸在隔離液中（圖6）。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時，端面無法形成穩(wěn)定的液膜，發(fā)生干摩擦。在實(shí)際使用中，隔離液罐底經(jīng)常排放出帶黑色粉末狀混懸液體，就是密封端面磨損造成的。

圖6 水環(huán)泵密封沖洗線

4 解決措施

優(yōu)化后的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的密封結(jié)構(gòu)

（1）針對軸套在安裝過程中可能存在變形的情況，將整體軸套設(shè)計成兩節(jié)，這樣既減小密封的安裝難度，同時因軸套長度減短，減小密封臥式安裝時軸套整體產(chǎn)生的變形量，進(jìn)一步避免螺旋套外圓與壓蓋發(fā)生蹭擦[2]。

（2）針對螺旋套蹭擦的情況，考慮到泵轉(zhuǎn)速較低（980 r/min），在保證泵送流量的前提下增大螺旋套與壓蓋之間的間隙，經(jīng)試驗，由原來的單邊間隙0.5 mm改為0.65 mm。

（3）針對密封沖洗線設(shè)計的缺陷，在密封壓蓋高點(diǎn)處設(shè)置排氣孔（圖7），用于設(shè)備運(yùn)行前排除壓蓋腔體內(nèi)的氣體，確保密封端面始終處于浸潤中，防止端面發(fā)生干摩擦加速端面磨損、減少密封壽命。

（4）針對多次發(fā)生機(jī)封安裝完成后，一級密封發(fā)生內(nèi)漏的現(xiàn)象，在一級靜環(huán)處設(shè)置限位裝置（圖7），避免壓力因工藝波動，導(dǎo)致一級靜環(huán)被推出[3]。

（5）針對軸承箱設(shè)計的缺陷，對軸承箱增加定位銷，減少安裝誤差，保證轉(zhuǎn)子和泵腔體同心度。

5 改進(jìn)效果及建議

改進(jìn)后機(jī)械密封已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行一年半，目前運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)生機(jī)械密封泄漏現(xiàn)象，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，降低了設(shè)備維修和維護(hù)費(fèi)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，保證了裝置的長安穩(wěn)運(yùn)行。通過此次改造不難發(fā)現(xiàn)，對于一些結(jié)構(gòu)特殊的設(shè)備，需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)的特殊性，在機(jī)械密封設(shè)計時，對密封的安裝和結(jié)構(gòu)做出適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)調(diào)整，以確保機(jī)械密封安裝完成后達(dá)到預(yù)期的安裝精度，才能保證密封的性能和使用壽命。

此次機(jī)械密封的改造時間緊促，是在未改動現(xiàn)場設(shè)備結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)施的，方案難免未盡完善，進(jìn)一步改進(jìn)的措施建議如下：①對軸承箱托架進(jìn)行機(jī)加工，增加朝天窗口，使密封沖洗液水平進(jìn)、垂直出，保證整個密封端面液膜狀態(tài)良好；②當(dāng)前機(jī)械密封使用時，隔離液進(jìn)出溫差為32℃，遠(yuǎn)大于SH/T 3156—2009規(guī)定的隔離液為礦物油時最大溫差應(yīng)為16℃，可考慮增設(shè)隔離液外置密封沖洗液泵送泵，取消螺旋套，建立機(jī)械密封使用良好環(huán)境，也能避免因安裝原因或結(jié)構(gòu)缺陷造成螺旋套磨損。