尿液泵機械密封故障的分析和處理

劉 濤，裴銀輝

（中石油塔西南化肥廠，新疆 澤普 844804）

1 概 述

我廠尿素裝置有兩臺尿液泵，其作用是把尿液（濃度73.8%，溫度84℃）增壓送入蒸發系統進行蒸發提濃。此泵為單級懸臂式結構，其軸端密封為集裝式機械密封，具體結構如圖1所示。

這兩臺泵機械密封運行情況很差，經常泄漏，故障率很高。僅2009年～2010年兩年間，兩臺泵因機械密封泄漏造成的檢修達11次，共消耗機械密封9套。如此高的故障率是不正常的。不僅造成機械密封配件消耗，材料成本增加，而且檢修的人工成本也大幅增加。

2 故障現象

（1）新機械密封安裝后通常20來天會出現輕微的泄漏。隨著運行時間的增加，泄漏會逐漸增大。有時機械密封泄漏會突然變大。

（2）倒泵后，有時能正常運行，有時會立即出現機械密封泄漏的情況。

拆檢發現如下情況：機械密封波紋管上有時有白色結晶尿素；機械密封動靜環有磨損的痕跡，有時有裂紋。

3 原因分析

根據故障現象和拆檢情況，判斷機械密封泄漏是波紋管和動靜環失效導致的。

圖1 尿液泵軸端密封結構示意

3.1 機械密封波紋管失效原因

尿液泵泵送介質為濃度73.8%尿液，這是一種非常容易結晶的物質。尿液泵機械密封沒有設置沖洗液，尿液在機械密封波紋管處處于不流動狀態，故極易產生結晶；一旦尿液在機械密封波紋管上結晶，會使得波紋管補償作用部分失去或全部失去，從而導致泄漏發生。

尿液泵停泵后，操作人員會用脫鹽水對泵體進行沖洗。但是機械密封波紋管處是死角，波紋管上的尿素結晶不一定能沖洗干凈，也會使波紋管補償作用部分或全部失去。這樣，下次啟泵時機械密封就會泄漏。

3.2 機械密封動靜環失效原因

尿液泵機械密封在原始設計上沒有密封沖洗液，因為考慮到沖洗液進入泵體隨尿液進入蒸發提濃系統后，稀釋了尿液，對尿素產品中的水分指標產生不利影響，影響產品質量，故此泵的機械密封未加密封沖洗液。

由于機械密封沒有沖洗液，動靜環摩擦產生的熱量無法散發，而且介質溫度也較高，達到84℃，這就導致動靜環溫度高，使得動靜環磨損加劇，因此動靜環無法達到預期使用壽命，短時間就發生失效而產生泄漏。動靜環材質為硬質合金，這種材質的特點是硬而脆，長時間的熱量積累無法散發，溫度升高到一定程度，動靜環會發生熱裂失效，產生泄漏。

4 改進措施

4.1 機械密封增加沖洗液的改造

據上述分析，為防止尿液結晶，并帶走動靜環的摩擦熱量，最好的方法是對機械密封動靜環處通入沖洗液（其位置如圖1所示）。

由于泵送介質是易結晶物質，故不采用自沖洗方案。考慮采用 《API682－2002用于離心泵和回轉泵的軸封系統》API682方案32——單密封通過外部來源進行沖洗。為方便配管，選取尿液泵旁的脫鹽水作為沖洗液，溫度為60～70℃。

按表1選擇機械密封沖洗液流量。尿液泵密封軸徑為55mm，沖洗液流量應達到4L／min，即0.24m3／h。

表1 一般介質泵用機械密封的沖洗液流量

考慮到沖洗液進入泵體可能會影響產品質量，進入泵體的沖洗液必須控制在工藝可以接受的范圍內（要求進入泵體的沖洗液不能超過0.1m3／h）。所以應在沖洗液管線加一限流孔板。

限流孔板孔徑參考 《JB／T 6634－93機械密封系統用孔板》，理論上孔板流量確定公式如下：

式中：Q——流量，L／min；

d0——孔板小孔直徑，mm；

H——孔板壓頭降，m（液柱）；

C0——孔流量系數。

孔板流量系數C0＝0.17；沖洗水壓力為1.5MPa，尿液泵密封腔壓力為0.3MPa，其壓差為1.2MPa，則H≈120m。

經計算，孔板孔徑d0＝1mm時，流量Q為1.417L／min（即0.085m3／h），可滿足工藝要求。

4.2 機械密封增加急冷液的改造

進入泵體的沖洗液只有所需流量的1／3，不能滿足要求，所以還要增加一股急冷液，用來帶走動靜環的摩擦熱。即采用 《API682－2002用于離心泵和回轉泵的軸封系統》API682方案62——單密封外部急冷。

急冷液的作用是帶走動靜環的摩擦熱，降低動靜環溫度。在機械密封壓蓋上開急冷孔（如圖1）通入急冷液，急冷液直接通入靜環后面，流過靜環和機械密封壓蓋中間的通道，并從機械密封壓蓋上的排放孔排出。由于靜環密封圈和動靜環的作用，急冷液不會進入泵體。急冷液可回收，也可直接排放。

急冷液選取用作沖洗液的脫鹽水。尿液泵機械密封急冷液流量大致為7～9L／min，約為沖洗液流量的2倍。由于尿液泵已通入1.417L／min的沖洗液，急冷液流量取下限Q＝7L／min。沖洗水壓力為1.5MPa，則H≈150m。據式（1）計算得急冷液管線限流孔板孔徑d0＝2.07mm。取整得孔板孔徑d0為2mm。

5 結 語

實施改造后12個月內，尿液泵機械密封運行良好，沒有更換過，也沒有因機械密封故障而進行過檢修。可見本次故障分析判斷是正確的，所進行的改造也達到了預期的效果。

［1］顧永泉.機械密封實用技術 ［M］.北京：機械工業出版社，2001.

［2］胡國楨，石流，閻家賓.化工密封技術 ［M］.北京：化學工業出版社，1990.