泵用機械密封泄漏原因分析及其維護

殷瑞哲

山東理工大學機械工程學院（山東淄博　255049）

化工設備

泵用機械密封泄漏原因分析及其維護

殷瑞哲

山東理工大學機械工程學院（山東淄博255049）

介紹了泵用機械密封的特點及種類，針對在實際使用過程中出現的機械密封失效情況進行了分析，列舉了高溫泵機械密封選用實例，對同行業延長機械密封的使用壽命，提高機械密封的密封性能，減少泄漏，提高石化裝置的經濟效益具有一定的借鑒意義。

機械密封 分析 運行和維護

0　前言

關于機械密封的第一個專利于1885年出現在英國，1900年機械密封開始應用于軸承密封，1913年出現了雙端面機械密封專利，1919年出現了單端面機械密封專利[1]。隨著人們環境保護意識的日益增強，美國摩擦學家和潤滑工程師協會（STLE）制定了部分易揮發物質逸出定量控制規定指南，要求機械密封從零泄漏向零逸出、高可靠性、長壽命、低磨損的方向發展。同時為了以延長裝置檢修周期達到延長操作周期的目的，國內許多行業要求機械密封的工作壽命由1年延長到2年，國外已提出將其工作壽命由2年延長到3年[2]。

在石化行業中，大多數泵類設備采用機械密封，它們的正常運轉對生產起著舉足輕重的作用。在實際生產中，常因設備出現故障而影響生產，有資料顯示[3]，在設備故障中，機械密封失效泄漏為主要形式，約占總故障的50%以上。這些設備的正常運轉與否對石化行業裝置的正常操作具有重要的影響，所以了解影響機械密封使用的因素，解決密封泄漏的問題，是降低故障率、保證裝置正常運轉的重要步驟。

1　泵用機械密封簡介

1.1機械密封的特點及種類

機械密封性能可靠、泄露量小、使用壽命長、功耗低、無需經常維修，且能適應生產過程自動化和高溫、低溫、高壓、真空、高速以及各種強腐蝕性介質、含固體顆粒介質等苛刻工況的密封要求[4]。

通用離心泵機械密封種類繁多，型號各異。通常，以使用條件、配套使用的設備等為標準，機械密封可分為以下幾種[5]：波紋管型機械密封，彈簧式機械密封，單端面、雙端面機械密封，平衡式、非平衡式機械密封，旋轉式、靜止式機械密封，內流式、外流式機械密封，接觸式、非接觸式機械密封；單級、雙級（或多級）機械密封。

1.2機械密封的基本結構

機械密封通常由動環、靜環、壓緊元件和密封元件組成。其中動環隨泵軸一起旋轉，動環和靜環緊密貼合組成密封面，以防止介質泄漏。動環依靠密封室中液體的壓力使其端面壓緊在靜環端面上，并在兩環端面上產生適當的比壓和保持一層極薄的液體膜，從而達到密封的目的。

機械密封的基本結構如圖1所示[6]。

圖1　機械密封基本結構

2　泵用機械密封泄漏原因分析

一般泵用機械密封在安裝后都要經過靜態和動態的試壓，以確認其安裝是否正確，試壓過程中出現泄漏時，需及時進行維修。另外，在正常運轉時，機械密封也可能突然出現泄漏，此時可以根據情況進行綜合分析，確認導致泄漏的真正原因，并予以解決。機械密封泄漏的主要原因簡析如下。

2.1材料與介質不匹配

物料的溫度和腐蝕性是選擇材料時應注意的主要因素。高溫可能會使橡膠材料變硬、金屬失去強度、物料腐蝕性增強以及材料熱膨脹；低溫會使橡膠件失彈、金屬變脆、物料黏度升高導致驅動扭矩增加。所用的材料應能耐點蝕和應力腐蝕且不會剝落、溶脹及起泡。一般端面最好選用石墨/碳化硅，該組合的優勢在于摩擦因數低、產生的熱量低、耐腐蝕性優良，而且可短時期干磨。但碳化硅材料較脆，安裝時需加以注意。碳化鎢也是良好的端面材料，但易熱裂且耐腐蝕性不如碳化硅,有時可用碳化鎢/碳化硅來解決有磨粒的工況[7]。

2.2溫度變化范圍廣

端面溫差較大或溫度變化速率過大時，產生的熱變形過大，會使密封泄漏的幾率增大。一般來說，溫度變化范圍不應超過10℃，降溫速率不應大于1 ℃/min。為防止密封腔內溫度變化速率過大，應采取冷卻措施。例如，某廠催化裂化裝置塔頂循環回流油泵由于工藝溫度變化較大，經常造成動環產生裂紋，軸封使用壽命最短的只有12 d。后將原UK2500型機械密封改為耐溫差范圍較大的金屬波紋管機械密封，并采取了冷卻措施，新機械密封的使用壽命可超過10個月[8]。

2.3加工精度不夠

機械密封端面粗糙度和整體形狀誤差對其性能有較大影響。實際運轉中的機械密封在絕大多數工況下處于混合摩擦狀態，其彈簧壓力和密封介質壓力形成的總的外部載荷由密封端面間的液膜壓力和微凸體接觸共同承擔，潤滑區存在由液膜黏性剪切引起的摩擦力，微凸體接觸區存在由微凸體變形引起的邊界摩擦力甚至干摩擦力，從而引起相應的密封零件的磨損[9-10]。

表面粗糙度越大,端面間隙越大,泄漏就越嚴重。例如某熱油泵機械密封安裝初期密封良好，工作一段時間后，由于端面磨損使表面粗糙度增大，密封間隙隨之增大，導致泄漏量增大，直至失效[11]。

2.4安裝質量有問題

在機械密封的安裝方面，經常出現的問題是轉子竄量超標、密封的預緊力過大或過小、螺絲釘的緊力不均勻、靜環與軸線不垂直、對中不好、泵振動超標等[12]。

轉子竄量超標有3種原因：一是軸承安裝有誤，如軸承壓蓋沒有把緊或軸承背帽沒有固定好；二是軸承的選型不合適；三是葉輪背帽沒有把緊。處理方法為：（1）把緊軸承壓蓋，固定好軸承背帽；（2）調整推力軸承,使軸的軸向竄動量不大于0.125 mm；（3）重新把緊葉輪的背帽。

2.5介質顆粒侵入摩擦面

在動環硬度高時，顆粒侵入摩擦面只會在石墨環上或嵌入石墨環上擦出溝紋；動環硬度低時，則顆粒侵入摩擦面會造成石墨環嚴重磨損，同時動環自身擦傷也越來越大。此外，如果動環或靜環端面泄漏入口端的加工倒角過大，也會導致較大顆粒沿著斜面進入摩擦面，引起早期磨損。

郝木明等[13]針對內徑開槽的螺旋槽型上游泵送機械密封易于吸入固體顆粒而產生磨損的缺陷，研制開發出新型上游泵送機械密封端面結構，在密封性能、摩擦性能等方面明顯優于普通的接觸式機械密封，且與內徑開槽上游泵送機械密封相比，其防固體顆粒的能力提升明顯。

3　高溫泵用機械密封的選用

泵用機械密封的選用是否正確合理，關系到能否延長設備的有效運行時間。對煉油企業來說，常見的高溫熱油泵包括催化裂化油漿泵、回煉油泵、常壓塔底泵、初餾塔底泵、減壓塔底泵、延遲焦化的輻射進料泵等，其特點為[14]：（1）使用溫度高，一般為350℃左右；（2）介質黏度大，工作溫度下的黏度為（0.06～2）×10-4m2/s；（3）含有固體顆粒，包括催化劑（如催化油漿泵）、機械雜質和天生的焦炭。這些特殊的使用環境容易引起泵的機械密封故障，造成泄漏，威脅生產安全。

高溫熱油泵廣泛采用的機械密封結構形式有2種：一種是彈簧式機械密封，由于易出現高溫失彈現象現已較少使用；另一種是金屬波紋管機械密封。

（1）采用帶有旋轉結構的金屬波紋管機械密封。該密封在旋轉離心力的作用下可以自身清洗波紋管，減少波紋管外圍沉積和內側結焦，并能防止因急冷造成的波紋管變形。泵類設備轉速一般為2950 r/min且機械密封線速度遠小于25 m/s，因此可以選用旋轉結構[15]。

（2）采用開槽斜面擠緊軸套金屬波紋管機械密封。山東石大科技集團有限公司針對高溫泵的特點采用了該類機械密封[16]，其特點是定位傳動可靠,安裝拆卸方便且不傷軸，并配置有限位板,便于泵外調整密封的壓縮量。波紋管內徑一側設45°斜角，用來分散應力，延長波紋管壽命。輔助密封采用柔性石墨替代合成橡膠,可以承受高達425℃的溫度。

（3）波紋管組件材料選用特種耐高溫合金。高溫油泵機械密封對于波紋管補償組件材質有特殊的要求，但是部分生產企業為了降低成本，波紋管組件材料并沒有選用特種耐高溫合金，而是選用普通非耐高溫合金，造成密封在高溫情況下波紋管失彈。此外，還應避免波紋管組件扭斷，例如，在某些減壓裝置中，往往存在系統負壓，密封環如果采取硬質合金配對，端面就會因缺少潤滑而容易造成波紋管組件扭斷[17]。

4　泵用機械密封的運行和維護

如果機械密封選型合理，則大部分的故障是由運行或維護不當造成的，主要表現在：啟動前排氣、灌泵不徹底，工藝壓力波動較大，設備在非工作工況下運行,操作失誤或密封沖洗、冷卻不當等。針對以上問題，在日常運行和維護中應該注意以下幾個事項[18-19]：

（1）泵啟動前排氣應充分，保證密封腔內充滿液體。輸送凝固介質時，應采用蒸汽對密封腔進行加熱以使介質熔化。泵啟動后若有輕微泄漏現象，應觀察一段時間，如果連續運行4 h后，泄漏量仍不減小，則應停泵檢查。

（2）檢查機械密封及附屬裝置和管線安裝是否齊全并符合要求，密封輔助系統是否投用。

（3）熱油泵停運后不能馬上停止封油腔及端面密封的冷卻水，應待端面密封處油溫降到80℃以下時，再關停冷卻水,以免損壞密封零件。

（4）泵的操作壓力應平穩，壓力波動不大于0.1 MPa。在運轉中,應避免發生抽空現象,以免造成密封面干摩擦及密封破壞。

5　結語

（1）從加工精度、密封結構、安裝、維修質量等方面入手對泵用機械密封進行分析與改進，同時提高工藝人員現場操作水平，是確保機械密封穩定、長期安全運轉的有效方法。

（2）石化高溫油泵運行工況復雜，其輸送的介質不僅溫度很高，有些還帶有大量雜質，因此，其軸封部位往往是最為薄弱的環節，可靠性直接影響泵的正常運行。采用有效的波紋管機械密封結構、材質可避免密封失效，從而延長泵的使用壽命、降低裝置能耗、提高經濟效益。

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The Leakage Reason Analysis and Maintenance of Pump Mechanical Seal

Yin Ruizhe

The types and characteristics of pump mechanical seals are introduced,the failures in actual application process are analyzed and examples of selection of high-temperature pump mechanical seals are listed,which provide a reference for intra-industry to improve the service life and sealing performance of mechanical seals,reduce leakage and improve the economic benefits of petrochemical plants.

Mechanical seal;Analysis;Operation and maintenance

TH 136

殷瑞哲 男 1995年生 本科在讀

2015年6月