高壓甲銨泵軸端密封系統故障原因分析及對策

邰建新尤文卿 單來民 李亞軍

（塔里木油田公司石化分公司)

高壓甲銨泵軸端密封系統故障原因分析及對策

邰建新*尤文卿 單來民 李亞軍

（塔里木油田公司石化分公司)

高壓甲銨泵機械密封動靜環、O形圈易失效，通過對密封沖洗水和緩沖水、介質、O形圈材質以及操作參數等方面的分析計算，論證了機械密封失效的原因。在保證密封水的壓力、流量符合設計要求的前提下，提高密封水供應的可靠性，可以避免介質在密封腔內結晶，有效地解決機械密封過早失效問題。

高壓泵機械密封密封圈動靜環壓力故障原因

中國石油塔里木石化分公司熔融尿素裝置高壓甲銨泵采用美國圣達茵公司HMP 5000型雙級高速臥式離心泵。該高壓甲銨泵轉速10 826 r/min，流量102 m3/h，進口壓力1.77 MPa，出口壓力15.5 MPa，介質溫度79℃。該泵的一級密封腔內壓力約1.8 MPa，二級密封腔內壓力約8 MPa，一級軸端采用雙端面平衡型機械密封，中間引入從二級級間出來經限流孔板降壓至大約2.25 MPa的緩沖水。一部分緩沖水經限流孔板降壓后引入介質側機械密封腔內，用于內沖洗，防止介質在動靜環端面上結晶；另一部分緩沖水直接就地排放。外側機械密封用于密封甲銨液，內側機械密封用于密封緩沖水。二級軸端采用雙級平衡型機械密封并串聯布置。為緩解高壓密封困難，機械密封級間引入4.75 MPa的緩沖水，用于降低動靜環端面內外側的壓差，同時向葉輪側（非齒輪箱側）機械密封動靜環內端面通入略高于密封腔內壓力的內沖洗水，防止甲銨液在腔內和動靜環端面之間結晶，損壞動靜環。齒輪箱側的機械密封用于密封級間引入的緩沖水。整個軸端密封系統所需的密封沖洗水和緩沖水由2臺（一開一備）高壓往復泵提供。油封由最早的碳環節流式密封改為機械密封。該泵的結構如圖1所示，泵的軸端密封結構如圖2所示。沖洗水的工藝流程如圖3所示。

圖1 高壓甲銨泵結構

圖2 泵的軸端密封結構

圖3 密封沖洗水/緩沖水工藝流程圖

該泵從2009年11月試車以來，機械密封損壞泄漏多次，頻繁出現早期失效，采取了一系列措施和提高維護水平后，機械密封的可靠性和使用壽命大大提高。

1 甲銨泵機械密封主要問題

（1）二級介質側機械密封端面腐蝕磨損嚴重，尤其是靜環更為嚴重，動環與軸套之間輔助O形圈、補償環（靜環）組件內O形圈溶脹、失彈。

（2）甲銨液、密封緩沖水竄入軸承箱，潤滑油乳化。

2 機械密封損壞原因分析

（1）密封水管線堵塞，密封沖洗水壓力、流量不足，使得介質側機械密封腔內甲銨液介質在內端面得不到有效沖洗。端面配對軟、硬材料分別是石墨和碳化鎢，石墨環對5～20 μm的顆粒極其敏感。甲銨液進入端面間結晶，石墨環極易被磨損失效，同時甲銨液具有腐蝕性，腐蝕加劇磨損，磨損又加劇腐蝕。密封水壓力、流量不足還會導致機械密封的冷卻、潤滑效果差，從而引起密封端面過熱，使得端面液膜汽化及熱應力過大，輔助O形圈過早老化失效。

（2）密封端面比壓過大。密封端面上的總載荷力Fg可以用下式表示：

式中Ff——流體壓力載荷，N；

Fsp——彈簧預加載荷，N。

密封面上的總承載能力W由下式表示：

式中Wf——流體膜承載能力，N；

Wc——微凸體承載能力，N；

Wst——流體膜靜壓承載能力，N；

Wdyn——流體膜動壓承載能力，N。

要達到穩定密封，須滿足Fg=W。若Fg＞W，液膜受損，密封失效。密封端面比壓過大主要是密封裝配時補償環的彈簧預緊比壓Fsp或密封腔內壓力Ff升高所致。前者可以基本排除。密封沖洗水/緩沖水總管壓力（測點壓力變送器代號為PIT329C）、沖洗水壓力（測點現場壓力表代號為PI329B）均曾超過10 MPa（壓力升高是管線堵塞導致），超過設計值8.38～9.90 MPa，緩沖水壓力（測點PIT329B）超過5MPa(管線堵塞或介質側機械密封泄漏導致)，這些因素的影響會使端面比壓超過設計值，引起密封端面過熱、液膜汽化，密封提早失效。

（3）輔助O形圈設計材質為丁晴橡膠，該材質在甲銨液環境下容易溶脹失效，導致O形圈卡澀補償環（靜環為補償環），失去追隨性和浮動性。此外，主泵備用時密封沖洗水全部停止，而密封腔內仍有甲銨液，會加速輔助O形圈的溶脹失效。

（4）密封沖洗水/緩沖水泵多次損壞，密封水壓力、流量多次供應不足，使得密封沖洗水/緩沖水總管壓力低于6.0 MPa，主泵聯鎖跳車，一定程度上降低了機械密封的使用壽命。

（5）因二級介質側機械密封失效，使得級間密封腔內緩沖水壓力（PIT329B）升高，齒輪箱側機械密封的端面壓力增大，從而使得齒輪箱側機械密封提早失效。若此時泄漏量增大，又因泄漏排放口F（如圖3所示）凍堵，沿軸向泄漏的水或甲銨液與水混合物在齒輪箱側機械密封與油封（結構型式也為一簡易機械密封）之間憋壓，同時油封組件中的O形圈老化失效（在油封組件背面有燒花、積炭現象，表明潤滑油出現超溫，溫度高使得O形圈提早老化失效），沿軸向泄漏的水或甲銨液與水混合物將竄入軸承箱。

3 采取的措施

（1）更換損壞的機械密封各零部件，嚴格控制檢修質量，確保機械密封各部件的軸向位置與間隙合適。

（2）修復密封沖洗水/緩沖水泵，加大維護保養力度，確保該泵可靠。

（3）將進機械密封前沖洗水管線斷開，啟動密封水泵，對管路再次進行全面沖洗，避免顆粒雜質進入機封內。

（4）將原密封水管線的蒸汽伴熱改為電伴熱，同時加強密封水總管上的溫度監測，確保冬季密封水管線不凍堵。

（5）主泵啟動之前，先啟動密封水泵運行一段時間，避免密封腔內沉積的結晶甲銨液在啟泵瞬間損壞密封端面。

（6）操作上確保潤滑油溫度、軸承溫度在正常范圍內，避免超溫。

（7）增大潤滑油的化驗頻次，以便根據潤滑油的各項指標判斷設備的運行狀況。

（8）密切關注測點PIT329C、PIT329B、PIT329A、PI329B、PI329A，根據這些測點的數值以及測點PIT329C與PI329B之間的差值、測點PIT329C與PIT329B之間的差值、測點PIT329A與PI329A之間的差值，判斷各段密封沖洗水或緩沖水的流量、壓力及其對機封的影響。

（9）密切關注軸兩端密封排水口（工藝流程圖中的E、F口）的情況。一旦排水口有水排出，說明機械密封已有泄漏。若排出的水中有氨味，說明內外兩側機械密封均已泄漏。若水中無氨味，說明僅靠近齒輪箱側的機械密封有泄漏。

4 效果評價

通過采取以上一系列措施，高壓甲銨泵機械密封的使用壽命得到了較大的提高，已累計運行16 000 h未發生一次故障，同時也解決了軸承箱潤滑油進水或進甲銨液的問題。

[1] 呂瑞典.化工設備密封技術[M].北京：石油工業出版社，2006.

Shaft End Seal System Failure Analysis and Countermeasurs of HP Methylamine Pump

Tai Jianxin You Wenqing Shan Laimin Li Yajun

Rotating and stationary seal ring and O-ring of HP methylamine pump mechanical seal are prone to be failure.Through the analysis and calculation of seal flush water and buffer water,medium,material of O-ring,operation parameters and so on,demonstrates the failure causes of mechanical seal.Under the promise of that the pressure and flow quantity accord with the design requirement,raising the reliability of seal flush and buffer water supplying could avoid medium crystallization in the seal cavity,and could efficiently solve the failure problems of mechanical seal.

HP pump;Mechanical seal;Seal ring;Rotating and stationary ring;Pressure;Failure cause

TQ 051.21

*邰建新，男，1973年生，高級工程師。庫爾勒市，841000。

2012-02-18）