動設(shè)備試/開車機(jī)械密封溫度高原因分析與解決措施

任小兵 (中國天辰工程有限公司，北京 100081)

0 引言

動設(shè)備開車前設(shè)備試/開車過程中，某項(xiàng)目遇到了部分動設(shè)備機(jī)械密封溫度>100℃的情況。由于機(jī)械密封正常溫度運(yùn)行會對動設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)起到關(guān)鍵性的作用，特別是對于輸送烯烴等易燃易爆介質(zhì)的機(jī)泵，一旦出現(xiàn)機(jī)封溫度短時間(約10 min)內(nèi)持續(xù)升高至(100 ℃)的情況，安全性、可靠性會直接影響項(xiàng)目試車/生產(chǎn)運(yùn)行工作的正常進(jìn)行，造成不可預(yù)估經(jīng)濟(jì)成本急劇上升。該問題的分析與解決對于項(xiàng)目試車/生產(chǎn)運(yùn)行的順利推進(jìn)將起到重要作用。因此，如何通過理論分析和現(xiàn)場實(shí)踐進(jìn)行結(jié)合就成為了解決該問題的關(guān)鍵所在[1-3]。

文章力求通過理論說明和實(shí)踐的結(jié)合加以說明清楚，該篇幅中的內(nèi)容涉及機(jī)械原理和材料、熱力學(xué)等相關(guān)知識，受筆者水平有限，可能分析文案的不是非常貼切，文中如有錯誤亟盼專業(yè)同仁前輩加以批評和指正。

1 機(jī)封原理/常見材料/溫變后果

1.1 機(jī)械密封工作原理

通過與軸垂直做相對滑動的端面(動環(huán)和靜環(huán))在密封腔介質(zhì)壓力和補(bǔ)償彈簧共同作用下，使密封端面間緊密貼合，當(dāng)有壓介質(zhì)通過此間隙時形成液膜，并配和輔助密封進(jìn)而達(dá)到阻值介質(zhì)向外泄漏的軸封裝置。

1.2 機(jī)械密封零部件常用材質(zhì)

1.2.1 端面密封摩擦副的材料

摩擦副材料有硬質(zhì)合金、陶瓷、石墨、剛結(jié)硬質(zhì)合金、SiC、聚四氟乙烯、碳化鎢合金等。

(1)硬質(zhì)合金。具有高硬度、高強(qiáng)度、大彈性模量，以及耐磨損、耐高溫(>600 ℃)和膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，特別適合高溫和工作條件苛刻的場合，缺點(diǎn)：脆性大、加工困難、棱角易碎。

(2)陶瓷。陶瓷通常為金屬氧化物，在大多數(shù)介質(zhì)中具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性(除氟硅酸、氫氟酸、強(qiáng)堿之外)，高的硬度和耐磨性能。缺點(diǎn)：導(dǎo)熱系數(shù)小，沖擊韌性低、易熱裂。

(3)石墨。耐腐蝕和自潤滑性好，摩擦系數(shù)小，耐熱沖擊性好且加工容易。不足之處：機(jī)械強(qiáng)度低，材質(zhì)有孔隙。但是這兩個缺點(diǎn)可以通過浸漬和滲碳等方法來堵塞孔隙以提高其機(jī)械性能。

1.2.2 輔助密封圈的材料

常用的輔助密封圈材料是聚四氟乙烯和橡膠等。

(1)聚四氟乙烯：①優(yōu)良的耐化學(xué)侵蝕、耐老化；②適用溫度廣泛，-180～260 ℃；③低摩擦系數(shù)和不粘性；④填充改性后耐磨性大幅度提高；⑤機(jī)械性能受溫度與符合的影響較顯著，線脹系數(shù)大，導(dǎo)熱系數(shù)小，奇特的冷流性，在20 ℃左右時，體積變化明顯(圖1)。

圖1 聚四氟乙烯的線膨脹系數(shù)與溫度關(guān)系

(2)橡膠O型圈：①結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、表面粗糙度自適應(yīng)性，因此具有自封作用；②摩擦阻力較小、溫度適應(yīng)范圍廣、耐壓性能好。

1.2.3 彈簧及其他零件材料

彈簧：彈性好、耐介質(zhì)腐蝕，彈性強(qiáng)度大。

波紋管：焊接性能良好，彈性較大，耐腐蝕性較好。通常見到的波紋管材料有鎳基合金、銅基和鐵基以及鈦材料等。

1.3 機(jī)械密封溫度變化引起的后果

(1)液膜破壞；(2)磨損加快；(3)端面燒灼變形；(4)液體汽化，結(jié)晶析出或凝固物產(chǎn)生；(5)化學(xué)侵蝕機(jī)具；(6)蠟化；(7)材料損壞或脆化；(8)嚴(yán)重泄漏發(fā)生。

2 機(jī)封溫度高現(xiàn)象及理論分析

2.1 問題背景

2022年4月12日B項(xiàng)目PP裝置PP-1102A機(jī)泵(OH2型)帶介質(zhì)丙烯試/開車期間，短時間(約10 min)出現(xiàn)機(jī)封溫度升高至100 ℃的情況(圖2)。

圖2 機(jī)泵

初步排除可能影響的因素后，按照試車節(jié)點(diǎn)和工藝條件要求進(jìn)行了其他機(jī)泵(VS6型號/BB5型號)帶介質(zhì)丙烯試/開車，均出現(xiàn)了同樣的問題—短時間內(nèi)機(jī)封溫度升至100 ℃的情況，處于安全考慮不得不做出暫且停機(jī)的處理決定。由于該類關(guān)鍵動力設(shè)備整體出現(xiàn)的以上問題直接影響該項(xiàng)目按期投料開車，經(jīng)濟(jì)效益(日產(chǎn)約720 t聚丙烯)角度出發(fā)該問題亟待解決。

2.2 機(jī)械密封運(yùn)行溫度升高及降低溫度原理

動設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時，在動、靜環(huán)接觸端面間由于摩擦的原因會在密封腔內(nèi)產(chǎn)生大量的熱，為了防止介質(zhì)受熱發(fā)生汽化，必須將端面間產(chǎn)生的熱量及時移除。通常采取安裝冷卻裝置或者沖洗的方式來降低密封腔內(nèi)的溫度以達(dá)到設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

2.3 機(jī)械密封運(yùn)行溫度高原因分析

2.3.1 工藝方面

通過現(xiàn)場實(shí)地查看，試車流程有一個共同點(diǎn)—封閉系統(tǒng)，即：儲液罐→管道1→機(jī)泵→管道2→儲液罐。系統(tǒng)存在內(nèi)部循環(huán)做功的情況，可能會造成系統(tǒng)內(nèi)能增加溫度升高的情況。

2.3.2 機(jī)封密封液冷卻水

冷卻水路流量和壓力不足問題。

2.3.3 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)熱量傳導(dǎo)

機(jī)封靠近電機(jī)驅(qū)動端側(cè)溫度高于非驅(qū)動端，由此分析可能是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)溫度導(dǎo)致熱量傳導(dǎo)引起機(jī)泵機(jī)械密封溫度較高。

2.3.4 密封沖洗液管路不暢

有堵塞或安裝盲板，造成管理不暢。

2.3.5 密封液蓄能器充壓不符合技術(shù)參數(shù)要求

蓄能器的作用在于補(bǔ)充密封液壓力(維持密封腔出于一定壓力)，合理的充壓數(shù)值有利于系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3.6 端面比壓

端面比壓的合適選擇對于機(jī)械密封長周期安全運(yùn)行具有重要意義。比壓如果選取過大，端面間會產(chǎn)生大量的熱，不僅造成端面磨損加劇、破壞密封間液膜的情況發(fā)生，同時設(shè)備能耗增大，經(jīng)濟(jì)性能降低。

2.3.7 密封沖洗液量

沖洗液量一般根據(jù)密封系統(tǒng)的熱平衡原理確定。機(jī)封熱量主要由以下產(chǎn)生：泵內(nèi)介質(zhì)流體傳導(dǎo)至密封端面處的熱量、旋轉(zhuǎn)密封導(dǎo)致的攪拌熱、動靜摩擦副間的摩擦熱。熱量散失的方式主要有：密封腔夾套冷卻、自然冷卻和壓蓋急冷。機(jī)封處產(chǎn)生的熱量與散失的熱量的差值即為沖洗液該攜帶移除的熱量。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，沖洗量通?？刂圃?～30 L/min較為合適。

特別需要注意得是，對易于揮發(fā)性介質(zhì)或溫度較高的介質(zhì)，沖洗液流量需適當(dāng)加大。

2.3.8 沖洗壓力的影響

沖洗壓力適當(dāng)為最好，沖洗壓力如果太大，注入的沖洗量會過大，能耗增大不經(jīng)濟(jì)。沖洗壓力如果太小，沖洗液又不足以進(jìn)入密封腔內(nèi)。一般認(rèn)為：沖洗壓力的確定與沖洗方式、流體介質(zhì)壓力及流體壓力變化等情況有關(guān)。泵用機(jī)械密封工作壓力在2 MPa以下，壓力變化不大時沖洗壓力比密封腔內(nèi)的大壓力大0.05～0.20 MPa，壓力變化較大時其差值可取0.1～0.2 MPa。

2.3.9 沖洗密封流體的要求

(1)清潔、對泵內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量無影響；(2)不影響泵的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，例如，不引起汽蝕或抽空的發(fā)生；(3)熱導(dǎo)性能好，成本低廉；(4)阻塞液壓力高于1.0 MPa的情況，選用低黏度流體更有利于沖洗；(5)對于烴類介質(zhì)選擇合成油(白油：ISO VG 65 或者ISO VG 15)或蠟油比較合理。

2.3.10 機(jī)封冷卻方式

機(jī)封冷卻方式可分為直接冷卻和間接冷卻兩種方式。直接冷卻就是沖洗流體直接接觸密封端面帶走熱量。間接冷卻就是沖洗流體和密封摩擦副端面接觸，通過水冷器/冷卻水套的裝置移除沖洗液攜帶的熱量，以達(dá)到降低摩擦副端面的目的。

間接冷卻分為換熱器冷卻和夾套冷卻。換熱器冷卻分為密封腔內(nèi)/外置式換熱器、套管冷卻器、盤管冷卻器等。夾套冷卻分為壓蓋夾套冷卻、密封腔夾套冷卻等?？諝狻⑺驼羝ǔＳ米鱾鳠峤橘|(zhì)。一般來說，直接冷卻要要比間接冷卻效果好一些，但其對冷卻液的要求較高。

2.3.11 密封端面液膜閃蒸

液態(tài)烴(丙烯)作為易揮發(fā)介質(zhì)，極易汽化產(chǎn)生相變。機(jī)封冷卻系統(tǒng)發(fā)生通路不暢工況時，摩擦副端面及介質(zhì)流體的攪拌所產(chǎn)生的熱量會引起液態(tài)烴(丙烯)的飽和蒸汽壓上升，當(dāng)其飽和蒸汽壓高于密封腔的工作壓力時，動靜端面間的液膜會產(chǎn)生閃蒸爆裂，潤滑作用失效，進(jìn)而引起密封端面發(fā)生干摩擦，導(dǎo)致機(jī)械密封的溫度升高。

2.3.12 密封端面上汽化

(1)密封端面的摩擦熱同時取決于壓力和速度，PV值過高，如圖3所示(產(chǎn)生的摩擦熱，輕則汽化液膜，密封失效；嚴(yán)重磨損密封端面，產(chǎn)生瑕疵，更甚端面摩擦副出現(xiàn)裂紋，機(jī)封報廢)；

圖3 材料PV值-磨損率曲線

(2)密封輔助設(shè)施未能應(yīng)用于溫度較高的泵；

(3)沖洗液回路不通暢或者中斷；

(4)冷卻設(shè)施結(jié)垢，冷卻能力下降；

(5)密封腔中的壓力隨著泵入口壓力的下降也下降；

(6)由于輕烴泵中輕組分含量的增加等因素可能會引起的密封端面更易汽化。

2.3.13 密封腔中有氣體或者沒有灌泵就啟動

密封干摩擦。

2.3.14 密封輔助系統(tǒng)

密封沖洗液未建立循環(huán)：(1)密封液內(nèi)帶氣體；(2)泵校環(huán)反裝。

3.4 機(jī)械密封運(yùn)行溫度高可能原因排除

3.4.1 工藝方面

(以PP-3101為例，BB5型)經(jīng)過調(diào)取DCS系統(tǒng)運(yùn)行曲線查閱，機(jī)泵運(yùn)行期間系統(tǒng)溫度由29.2℃升至29.4 ℃。由此可見，工藝系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)造成機(jī)封溫度上升至100 ℃的情況可以排除。

3.4.2 機(jī)封密封液冷卻水流量壓力

冷卻水管路系統(tǒng)仔細(xì)排查，水流可構(gòu)成循環(huán)回路，系統(tǒng)壓力正常，水量充足排除循環(huán)水路不暢問題。

3.4.3 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)熱量傳導(dǎo)

經(jīng)過實(shí)際溫度檢測，電機(jī)驅(qū)動端溫度符合國標(biāo)低于85 ℃，這與機(jī)封實(shí)際檢測到的溫度大于100 ℃不相符，同時由于非驅(qū)動端由電機(jī)冷卻風(fēng)扇的存在，可以解釋非驅(qū)動端溫度低于驅(qū)動端的情況。由此分析，可以排除該因素的影響。

3.4.4 密封沖洗液管路不暢(有堵塞或安裝盲板)

逐段拆檢沖洗液管路，未發(fā)現(xiàn)管路有堵塞或者暗裝盲板的情況存在，管路通暢。

3.4.5 密封液蓄能器充壓不符合技術(shù)參數(shù)要求

現(xiàn)場嚴(yán)格按照蓄能器銘牌要求進(jìn)行充氣(氮?dú)猓瑲鈮阂灶A(yù)充壓力為準(zhǔn))，可以排除該潛在因素的影響。

3.4.6 端面比壓

經(jīng)機(jī)封廠家專家討論認(rèn)為每臺機(jī)封端面比壓均根據(jù)工藝條件計算得出，符合要求。

3.4.7 密封沖洗液量

在預(yù)充壓力基礎(chǔ)上加入量適當(dāng)沖洗液至密封液循環(huán)管內(nèi)壓力至工作壓力，可以認(rèn)為沖洗液量符合要求。

3.4.8 沖洗壓力的影響

在預(yù)充壓力基礎(chǔ)上加入量適當(dāng)沖洗液至密封液循環(huán)管內(nèi)壓力至工作壓力，可以認(rèn)為沖洗液壓力符合要求。

3.4.9 沖洗密封流體的要求

采用Shell ondina X415_TDS GtL 機(jī)械白油，該白油是基于殼牌氣液技術(shù)的碳?xì)浠衔镆后w，具有高度飽和烷基結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格履行國際處方純凈度要求，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。

3.4.10 機(jī)封冷卻方式

現(xiàn)場出現(xiàn)機(jī)封溫度高的泵均采用外置式冷卻器間接冷卻方式，是否可以判斷問題所在需要實(shí)踐檢驗(yàn)。

3.4.11 密封端面液膜閃蒸

機(jī)泵試車期間壓力控制以設(shè)備參數(shù)為準(zhǔn)，技術(shù)上避免了由密封腔的工作壓力低于液態(tài)烴的飽和蒸汽壓時，引起端面液膜產(chǎn)生閃蒸爆裂，潤滑失效，造成密封端面干摩擦的情況。

3.4.12 密封端面上汽化

(1)查閱機(jī)泵額定參數(shù)(以PP-3101為例[OH2型])：額定參數(shù)：V=1 480 r/min，端面比壓由該機(jī)封本身給定；查閱機(jī)泵額定參數(shù)(以PP-1102為例[BB5型])：額定參數(shù)：V=2 960 r/min，端面比壓由該機(jī)封本身給定故可以判定PV值固定；查閱機(jī)泵額定參數(shù)(以PP-6202 為例[VS6型])：額定參數(shù)：V=2 950 r/min，端面比壓由該機(jī)封本身給定。不同類型/轉(zhuǎn)速/比壓的機(jī)泵(機(jī)封)均出現(xiàn)溫度升高的情況，該情況大致可以判斷要么整體機(jī)封參數(shù)設(shè)計有有誤要么外在其他條件有缺陷。

(2)所有機(jī)封均采用PLAN-53B機(jī)封密封輔助系統(tǒng)。

(3)由D/G/H分析可知系統(tǒng)內(nèi)本身沖洗液量和管路是滿足要求的，是否有回路不暢/沖洗中斷情況需進(jìn)一步分析和實(shí)踐檢驗(yàn)。

(4)冷卻設(shè)備為新設(shè)備，第一次通入冷卻水，發(fā)生結(jié)垢造成冷卻能力降低的可能性幾乎可以排除。

(5)同K的分析可知，該情況可以排除。

(6)同I的分析可知，該情況可以排除。

3.4.13 密封腔中有氣體或者沒有灌泵就啟動

嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，可以排除該情況。

3.4.14 密封輔助系統(tǒng)

密封沖洗液未建立循環(huán)：

(1)密封液內(nèi)帶氣體。采取小量多次加密封液且機(jī)封油罐頂部排氣的操作工藝，基本可以排除帶氣的情況。

(2)泵校環(huán)反裝。拆檢一套新的備件雙軸封機(jī)封和PP-1102B雙軸封機(jī)封現(xiàn)場查驗(yàn)，泵效環(huán)均正裝，故該情況也排除。

4 機(jī)封溫度高問題歸結(jié)和解決措施

經(jīng)過以上理論分析和現(xiàn)場大量實(shí)踐，大致可以排除操作和工藝方面的問題，主要問題敘述如下。

4.1 機(jī)械密封參數(shù)設(shè)計不當(dāng)

該問題機(jī)封廠家認(rèn)為可能性不大。

4.2 熱力不平衡

拆檢沖洗液水冷器，內(nèi)部盤管管徑較細(xì)，可能存在換熱不均，沖洗液所帶的熱量無法被移除，進(jìn)而溫度持續(xù)升高，直至達(dá)到?jīng)_洗液汽化，沖洗液循環(huán)中斷的情況。

4.3 解決措施

2022年4月24日嘗試更換一臺較大型號的水冷器(盤管)，更換后現(xiàn)場試/開車效果良好(溫度≈60℃)，其余全部水冷器按照計劃依次更換完畢(歷時月余)。

4.4 試/開車成功意義

(1)直接影響經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值：試/開車的關(guān)鍵動力設(shè)備 PP-1101A(BB5型)、PP-3101A/B(OH2型)、PP-3201(OH2)、PP-6202A(VS6型)機(jī)封水冷器更換完成歷時約20天，聚丙烯價格當(dāng)時約8 000元/t，產(chǎn)量約30 t/h。

(2)無形價值：積極解決問題的態(tài)度贏得B項(xiàng)目業(yè)主的高度認(rèn)可，對于進(jìn)一步向外界展示公司立德、擔(dān)當(dāng)、創(chuàng)新、進(jìn)取的企業(yè)形象起到了積極作用。

5 結(jié)語

動設(shè)備試車是一門跨多個專業(yè)學(xué)科的綜合學(xué)問。任何可能的因素都需要逐一加以分析和排除，做好該工作需要綜合的專業(yè)理論知識儲備和現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的高度結(jié)合。