高溫急冷油泵機(jī)械密封改造

陳炳華

（中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，200540）

高溫急冷油泵機(jī)械密封改造

陳炳華

（中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，200540）

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司烯烴部2＃烯烴老區(qū)裝置的高溫急冷油泵（E－GA120）的機(jī)械密封平均使用壽命僅5 000 h，給裝置的安全運(yùn)行帶來(lái)了隱患。對(duì)失效的機(jī)械密封進(jìn)行檢查，分析了原有的單端面波紋管密封存在的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行改造，提高了機(jī)械密封的可靠性，減少了檢修維護(hù)工作量，機(jī)械密封的使用壽命也大幅提高。

高溫泵 密封泄漏 串聯(lián)波紋管密封 密封沖洗方案

煉油化工行業(yè)乙烯裝置用于輸送急冷油的泵多為高溫離心泵，采用的密封形式多為單端面波紋管機(jī)械密封，中國(guó)石化上海石油化工股份有限（以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海石化）烯烴部2＃烯烴裝置急冷油塔底循環(huán)泵E－GA120為日本荏原公司生產(chǎn)的BB2型單級(jí)雙吸離心泵，原機(jī)械密封為單端面金屬波紋管密封。在使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該機(jī)械密封壽命短，檢修頻繁，維修成本高。由于缺乏密封突然失效時(shí)的安全保護(hù)，無(wú)法對(duì)機(jī)械密封的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，介質(zhì)一旦泄漏，對(duì)環(huán)境造成極大污染，且易造成火災(zāi)，給裝置安全環(huán)保及運(yùn)行帶來(lái)隱患［1］。

1 泵工藝參數(shù)及機(jī)械密封使用情況

1.1 泵工藝參數(shù)

E－GA120泵的輸送介質(zhì)為急冷油，介質(zhì)溫度高達(dá)195℃，屬于高溫油泵，泵的性能參數(shù)和輸送介質(zhì)的物理參數(shù)如表1所示。

表1 GA120泵工藝參數(shù)及輸送介質(zhì)的物理參數(shù)

1.2 原單端面金屬波紋管密封使用情況

2＃烯烴裝置GA120泵輸送介質(zhì)為急冷油，原機(jī)械密封采用單端面金屬波紋管機(jī)械密封，采用的沖洗方案為Plan32＋62，即從外界引入輕質(zhì)柴油沖洗機(jī)械密封端面和背面急冷蒸汽降低密封軸套和動(dòng)、靜環(huán)的內(nèi)表面溫度，防止超溫。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 單端面金屬波紋管機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

單端面金屬波紋管機(jī)械密封因其具有使用溫度高（可達(dá)400℃）、耐腐蝕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煉油化工行業(yè)的高溫油泵中，其機(jī)械密封壽命可達(dá)到6～8個(gè)月，有的甚至超過(guò)12個(gè)月。但在實(shí)際使用中，單端面金屬波紋管密封也存在適應(yīng)變工況能力差、自動(dòng)化程度低和安全性能低等局限性。在2001—2013年1月共12年的使用過(guò)程中此泵檢修情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 檢修情況統(tǒng)計(jì)

由表2可以看出：泵密封泄漏頻繁，在12年的使用過(guò)程中，該密封壽命短，平均7個(gè)月就出現(xiàn)介質(zhì)泄漏，甚至有時(shí)候2～3個(gè)月便會(huì)泄漏，無(wú)法滿(mǎn)足裝置安穩(wěn)長(zhǎng)周期運(yùn)行的要求，更加不能滿(mǎn)足美國(guó)石油協(xié)會(huì)（API）682標(biāo)準(zhǔn)中機(jī)械密封壽命不低于3年的規(guī)定。

2 故障現(xiàn)象及原因分析

歷次機(jī)械密封失效的主要表現(xiàn)為：密封端面磨損較嚴(yán)重，動(dòng)、靜環(huán)密封面有裂紋；密封端面和波紋管結(jié)焦嚴(yán)重，波紋管失去彈性補(bǔ)償作用；靜環(huán)座氟橡膠“O”型圈變形，靜密封作用失效；現(xiàn)場(chǎng)地面和泵體上急冷油堆積，環(huán)境差，具有火災(zāi)隱患。機(jī)械密封解體后零部件損壞情況如圖2所示。

圖2 金屬波紋管結(jié)焦情況

根據(jù)上述現(xiàn)象，對(duì)失效原因進(jìn)行分析。

（1）機(jī)械密封端面材質(zhì)抗變形能力較差。原密封端面材質(zhì)為碳化硅（SiC）－硬質(zhì)合金，動(dòng)環(huán)片SiC為陶瓷類(lèi)產(chǎn)品，屬于脆性材料，抗沖擊能力差，強(qiáng)度偏低，密封件易產(chǎn)生熱變形、熱裂而失效。機(jī)械密封端面之間的急劇升溫會(huì)導(dǎo)致端面溫升過(guò)高，密封件產(chǎn)生熱變形，摩擦磨損嚴(yán)重和不均，導(dǎo)致機(jī)械密封材料的機(jī)械性能降低，密封環(huán)產(chǎn)生熱裂［2］。

（2）沖洗液沖洗冷卻效果差。機(jī)械密封沖洗管線濾網(wǎng)堵塞造成機(jī)械密封干摩擦，損壞動(dòng)、靜摩擦副。另外，機(jī)械密封腔內(nèi)介質(zhì)因摩擦導(dǎo)致溫度升高，當(dāng)溫度高于200℃后，有少量結(jié)焦物析出，焦?fàn)钗镎掣皆跈C(jī)械密封周邊及端面，加快機(jī)械密封端面的磨損，大量結(jié)焦物堆積在波紋管上，使得波紋管失去彈性補(bǔ)償作用，導(dǎo)致機(jī)械密封失效，介質(zhì)大量泄漏。

（3）輔助材料耐熱限偏低。原機(jī)械密封的輔助密封圈的材質(zhì)為全氟橡膠，其耐熱限為－18～280℃，易產(chǎn)生熱漲變形，不能保證在較高溫度下具有足夠的彈性來(lái)吸收振動(dòng)而保持密封［3］。

（4）機(jī)械密封適應(yīng)變工況能力差。當(dāng)流體機(jī)械處于變工況（變壓力、變轉(zhuǎn)速、頻繁開(kāi)停等）時(shí)，機(jī)械密封的始終處于不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，極易出現(xiàn)早期失效。

（5）輔助系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，缺乏對(duì)機(jī)械密封突然失效的安全保護(hù)，無(wú)法對(duì)機(jī)械密封的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，只能靠人工巡檢的方法對(duì)機(jī)械密封的泄漏進(jìn)行觀測(cè)，容易造成處理滯后并導(dǎo)致急冷油噴出，引起高溫油泵著火事故，對(duì)操作人員人身安全造成威脅。

3 整改措施

根據(jù)機(jī)械密封失效原因分析結(jié)果，從機(jī)械密封的形式、材質(zhì)、基本參數(shù)、結(jié)構(gòu)和輔助系統(tǒng)等方面做如下改進(jìn)。

（1）將原來(lái)的單級(jí)密封改為串聯(lián)式雙密封，其中一級(jí)密封（介質(zhì)側(cè)）是內(nèi)密封，與原單端面密封作用相同，起密封介質(zhì)作用，二級(jí)密封（大氣側(cè)）是外密封，起安全保護(hù)作用。當(dāng)一級(jí)密封發(fā)生泄漏后，由于二級(jí)密封的作用，從一級(jí)密封泄漏的介質(zhì)仍然不能泄漏到大氣中去，二級(jí)密封的保護(hù)使周?chē)h(huán)境不受密封泄漏物的影響，極大地降低了由于單密封突然失效造成介質(zhì)大量泄漏至現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)致火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。由于二級(jí)密封處于安全的相對(duì)低溫和潔凈的環(huán)境下運(yùn)行，該密封運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的單端面接觸式波紋管機(jī)械密封。

（2）一級(jí)密封摩擦副端面材質(zhì)由SiC－硬質(zhì)合金改為硬質(zhì)合金－硬質(zhì)合金，密封動(dòng)環(huán)片材料換為硬質(zhì)合金后可提高強(qiáng)度，與SiC環(huán)片相比其抗變形能力更強(qiáng)，可提高密封機(jī)械性能。

（3）對(duì)靜環(huán)結(jié)構(gòu)的改造。由柔性石墨壓裝改為熱裝鑲嵌，使環(huán)片抗變形能力增強(qiáng)［4］，鑲嵌結(jié)構(gòu)確保傳動(dòng)更加可靠。

（4）波紋管材質(zhì)改造。根據(jù)API 682標(biāo)準(zhǔn)中1.2和6.1.66可知，工作溫度不高于176℃的金屬波紋管密封的波紋管采用哈氏合金（Hastelloy C－276）制造，工作溫度不高于400℃時(shí)金屬波紋管密封的波紋管采用高溫合金（Inconel 718），此泵的進(jìn)料溫度已達(dá)到195℃，故將波紋管材質(zhì)改為Inconel 718，以確保波紋管在高溫環(huán)境下保持良好的機(jī)械性能。

（5）改進(jìn)機(jī)械密封面提高密封穩(wěn)定性

①機(jī)械密封端面的寬度由3 mm增加至3.5 mm。對(duì)于大規(guī)格密封，適當(dāng)?shù)亩嗣鎸挾葲Q定端面受力面積，從而降低破壞和變形的可能性，是保證密封性能的基礎(chǔ)。

②端面載荷因子決定了機(jī)械密封的承載能力，原密封載荷因子（K）為［5］：

式中：d1——密封面內(nèi)徑，143.5 mm；

d2——密封面外徑，149.5 mm；

db——滑移直徑，145.6 mm。

現(xiàn)一級(jí)密封載荷因子：

式中：d1——密封面內(nèi)徑，141.3 mm；

d2——密封面外徑，148.3 mm；

db——滑移直徑146.7 mm。

對(duì)于平衡型機(jī)械密封，其載荷因子的取值范圍通常為0.55～0.85，適當(dāng)加大載荷因子能有效降低密封泄漏量。

③合適的端面比壓是保證機(jī)械密封長(zhǎng)期安全運(yùn)行的重要因素，端面比壓過(guò)小，則機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中穩(wěn)定性較差，容易造成端面打開(kāi)導(dǎo)致泄漏；端面比壓過(guò)大，則機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量熱量，容易造成端面間液膜破壞導(dǎo)致磨損加劇，影響機(jī)械密封使用壽命。原機(jī)械密封端面比壓（Pc）為：

式中：Ps——彈簧比壓，0.261 MPa；

P——機(jī)械密封介質(zhì)壓力，0.45 MPa；

λ——反壓力因子，0.3。

現(xiàn)用機(jī)械密封端面比壓為：

Pc＝Ps＋（K－λ）P＝0.495 MPa

式中：Ps——彈簧比壓，0.21 MPa；

P——機(jī)械密封介質(zhì)壓力，0.6 MPa；

λ——反壓力因子，0.3。

改造后能有效提高機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性并保證機(jī)械密封的使用壽命。

（6）對(duì)壓蓋結(jié)構(gòu)的改造。在壓蓋上增加了泵送環(huán)，使沖洗液更接近機(jī)械密封端面，更有效地降低機(jī)械密封端面運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱量，從而降低端面溫度，減小環(huán)片受熱變形程度，同時(shí)改善沖洗液結(jié)焦情況，提高機(jī)械密封效果及使用壽命。

（7）輔助系統(tǒng)的改造。機(jī)械密封沖洗系統(tǒng)由Plan32＋62改為Plan32＋53A，新沖洗系統(tǒng)的功能在于采用沖洗、循環(huán)、熱對(duì)流的工作方式，控制機(jī)械密封的溫度、潤(rùn)滑效果，建立較理想的工作環(huán)境，提高機(jī)械密封的可靠性，延長(zhǎng)使用壽命。對(duì)于一級(jí)密封，仍然從外界引入輕質(zhì)柴油進(jìn)行冷卻，對(duì)于二級(jí)密封，用密封油（又稱(chēng)隔離油）進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)冷卻、潤(rùn)滑。密封油的循環(huán)是靠裝在二級(jí)密封靜環(huán)座上的泵效應(yīng)零件——泵送環(huán)的推動(dòng)和密封油的自然熱對(duì)流的共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。二級(jí)密封腔密封油的壓力高于一級(jí)密封液體腔壓力0.14～0.17 MPa，隔絕了介質(zhì)從密封腔泄漏到大氣中的可能性。若一級(jí)密封發(fā)生失效，密封油由二級(jí)密封腔進(jìn)入一級(jí)密封腔，阻止介質(zhì)向外泄漏，極大地提高了密封的安全性。運(yùn)行過(guò)程中一旦第一級(jí)密封發(fā)生大量泄漏，密封油罐液位及壓力均會(huì)報(bào)警等待處理。機(jī)械密封改造內(nèi)容整理匯總成表3，改造后機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表3 原密封方案與現(xiàn)密封方案對(duì)照

圖3 改造后的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)原單端面金屬波紋管機(jī)械密封存在端面摩擦磨損嚴(yán)重、使用壽命短、安全性差等突出問(wèn)題，通過(guò)對(duì)機(jī)械密封的形式、材質(zhì)、基本參數(shù)、結(jié)構(gòu)和輔助系統(tǒng)等方面做出改進(jìn)。改造后的串聯(lián)式機(jī)械密封減少了端面摩擦磨損，改善端面潤(rùn)滑狀態(tài)，具有使用壽命長(zhǎng)、無(wú)泄漏、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，已連續(xù)使用了16個(gè)月，減少了維修工作，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境也得到了良好的改善，達(dá)到了預(yù)期的效果，確保了機(jī)械密封能夠長(zhǎng)期，穩(wěn)定，可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)通過(guò)機(jī)械密封成功改造經(jīng)驗(yàn)，為烯烴部其余幾臺(tái)高溫介質(zhì)泵的改造提供了技術(shù)支撐，也為國(guó)內(nèi)同類(lèi)裝置高危泵的機(jī)械密封選擇提供參考。

［1］ 王明武.高溫泵新型波紋管串聯(lián)式機(jī)械密封的應(yīng)用［J］.潤(rùn)滑與密封，2010，35（3）：121－123.

［2］ 王金剛.石化裝備流體密封技術(shù)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2007.

［3］ 田伯勤.新編機(jī)械密封實(shí)用技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)知識(shí)出版社，2005.

［4］ 顧永全.機(jī)械密封實(shí)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［5］ 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1987.

Transformation of M echanical Seal of High－tem perature Quenching Oil Pum p

Chen Binghua
（Olefin Division，SINOPEC Shanghai Petrochemical Co．，Ltd．200540）

As the average performance life of the high－temperature quenching oil pumps（E－GA120）in 2＃olefin plant of SINOPEC Shanghai Petrochemical Co.，Ltd.was only 5 000 h，there are potential safety hazards for the operation of plant.The disabled mechanical seal was checked，and problems in seal of original single face corrugated pipe were analyzed.Transformation wasmade on the pipe to improve the reliability ofmechanical seal and reduce the work amount ofmaintenance，and prolong the performance life ofmechanical seal.

high－temperature pump，leakage of seal，seal of series corrugated pipe

1674－1099 （2014）06－0025－04

TE964

A

2014－09－22。

陳炳華，男，1988年出生，2010年畢業(yè)于常州大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)，助理工程師，現(xiàn)從事化工轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行管理工作。