高溫熱油泵機械密封泄漏分析與對策

王志超孫金龍楊凌云

（中化化肥有限公司，北京 100031）

高溫熱油泵機械密封泄漏分析與對策

王志超孫金龍楊凌云

（中化化肥有限公司，北京 100031）

摘要：通過對高溫導熱油泵使用的單端面波紋管式機械密封進行校核，經過對摩擦副端面比壓、端面線速度和端面溫度的核算，結合導熱油特性曲線，發現摩擦副端面溫度超過導熱油氣化溫度是造成機封端面及波紋管結碳的主要原因。按照機械密封設計規范API 682-2014的使用標準對高溫導熱油泵的機械密封進行改型，通過增加輔助撤熱系統，降低摩擦副端面溫度，解決了高溫導熱油泵的機械密封因結焦碳化問題，為解決同類設備故障開拓了新的工作方向。

機械密封；泄漏；摩擦副；碳化

機械密封在石油化工裝置的機泵類旋轉設備上有著廣泛的應用。但由于選型、設計、安裝和工況等諸多因素的影響，機械密封的使用壽命相差懸殊。為了提高機封壽命，本文以聚苯乙烯裝置240℃導生油泵P-404為研究對象，通過對機封端面比壓、線速度和溫度的校核，查找到了高溫熱油泵機械密封頻繁泄漏的故障原因。通過實施機械密封技術升級，解決了在240℃的高溫工況下，單級離心泵機械密封壽命不足的問題。

1.導生油泵P-404故障介紹

1.1 運行工況

聚苯乙烯裝置高溫導生油泵P-404是脫揮發物器的導生循環泵，為美國GOULDS公司生產的單級離心泵，運行工況見表1。泵用機械密封為丹東克隆公司制造的單端面非集裝波紋管式機械密封。

1.2 介質特性

導生油在裝置內作為熱媒使用，主要成分為：二甲基聯苯、甲基聯苯和三甲基苯基環乙烷；比重0.979kg/m3；在240℃時黏度約為30厘泊；極易揮發，易結碳，微紅顏色，刺激性氣味，輕微毒性。

表1　導生泵的工況

1.3 機械密封故障與現象

經過統計，導生泵P-404兩年內，因機械密封泄漏原因共發生檢修10次，機械密封平均使用壽命僅為1810小時，即2.51月。泄漏發生前，機械密封首先是摩擦副部位出現緩慢輕微的滴漏，并伴有高溫氣化煙霧。滴漏介質呈焦狀，深棕色。滴漏持續1個月后，機封將發生大量泄漏。經過解體檢查，動、靜環的密封面磨損正常，通常在動環摩擦面有可視的輕微磨痕；在機械密封的波紋管內部和摩擦副部位存在嚴重的積碳結焦現象。導生油碳化物填充波紋管全部間隙，嚴重影響了波紋的回彈。少數嚴重情況中，波紋管內導生碳化物高度會高于動環密封面，替代動環與靜環形成摩擦副進行密封工作。此時，當機泵內發生偶然的振動或介質壓力、溫度波動時，碳化物由于沒有足夠的韌性發生破壞，致使機械密封發生泄漏。

2.機械密封失效分析

2.1 密封泄漏點

高溫導生油泵P-404使用的是DBM-45型焊接波紋管機械密封，參數見表2。密封腔由泵冷卻夾套進行水冷卻，摩擦副介質由平衡管自沖洗，靜環無背冷，結構如圖1所示。

表2　 DBM-45型波紋管機械密封參數

圖1　 機封安裝結構示意圖

根據安裝結構，機械密封可能發生泄漏的密封點有：

（1）波紋管背側的靜密封點，如圖1中標注5所示的密封O環。

（2）靜環與泵體之間的靜密封點，如圖1中標注4所示的密封墊。

（3）動、靜摩擦副，即圖1中標注2.3所示的接觸面。

上述密封點中的兩處靜密封點通過螺栓把緊等安裝措施，即能夠實現工況下的設備運行。因此摩擦副的密封效果將是本文討論的主要內容。

2.2 PC、VC、PV值的計算

根據設計，影響摩擦副密封效果的主要因素有：端面比壓PC、端面線速度VC和端面溫度T。根據表2的相關參數：

（1）波紋管的有效作用直徑，

（2）波紋管彈率

其中：

n=2—波紋管層數；

E=20×104N/mm2——波紋管材料彈性模量；

t=0.127mm——波片厚度；

i=9——波數；

B=7mm——波紋管膜片寬度。

（3）波紋管機封載荷系數

（4）膜壓系數

λ=（2d2+d1）/3（d2+d1）=0.51（5）軟環摩擦副端面面積

（6）波紋管機封工作高度時彈力

其中：

△t=4mm—波紋管工作狀態時的壓縮量。

（7）波紋管機械密封彈簧比壓

（8）波紋管機械密封端面比壓

其中：pL=0.5MPa—密封腔內壓力。

（9）摩擦副端面線速度

其中：n=1450r/min—轉速；

（10）PV=3.12MPa·m/s

中等潤滑、浸漬金屬石墨—反應燒結SiC配對的機械密封摩擦副的許用值[PV]為19.6MPa·m/s。

由上面的計算結果可知，泵P-404的摩擦副端面比壓PC=0.75MPa；摩擦副端面線速度VC=4.15m/s；摩擦副PV值小于許用值。因此端面比壓、端面線速度、PV值不是引起密封泄漏的根本原因。下面對摩擦副端面溫度T進行分析。

2.3 密封失效分析

當摩擦副端面溫度過高時，會造成摩擦副端面密封液膜高溫氣化。部分氣化的導生油在密封腔內運動，一部分氣相介質滲過摩擦副，破壞了摩擦副端面密封液膜，造成了摩擦副的局部干摩擦。摩擦副的局部干摩擦又將加劇摩擦溫度的升高和動環材料的磨損。在波紋管內部，氣相導生油受熱碳化，堆積在密封腔內，隨著碳化物的積累，結焦逐漸在波紋管內部及密封面附近堆積，最后發展到影響機械密封摩擦副的正常工作，進而導致機械密封失效，引發介質泄漏。

2.3.1 摩擦副端面溫度的計算

利用邁爾估算公式進行計算：

式中：

T——摩擦副端面溫度，℃；

T0——摩擦副周圍的介質溫度，℃；

f——摩擦系數（取0.07，查流體動密封）；

pc——端面比壓，MPa（0.75）；

V——端面線速度，m/s（4.15）；

b——密封面寬度，m（0.0023）；

CW——散熱系數（0.2）；

λaλb——導熱系數W/（m*K），（λa=5，λb=100，查機械設計手冊第二卷）。

將2.2計算結果代入上式可得：

T=T0+23.86

依據上述計算結果，因動靜環磨擦產生的溫升為23.86℃。因此摩擦副周圍的介質溫度T0決定了泵密封效果。

2.3.2 介質溫度T0的推算

經過對泵P-404的實際測量，機械密封靜環壓蓋外表溫度134℃；冷卻夾套泵端外表溫度168℃；冷卻水進出口溫差6℃。根據溫度梯度變化趨勢和密封安裝結構，摩擦副部位的介質溫度T0測算為145℃。

因此，P-404泵機封摩擦副端面溫度

T=T0+23.86=168.86℃

2.3.3 密封失效原因分析

（1）根據泵體結構，密封冷卻水由軸承箱一側DN15管口進入，流經軸承箱外壁冷卻腔體后，進入機封冷卻水套零件對密封部位進行冷卻，最后由出口排出。由于冷卻水進出口壓差小于0.05MPa，溫度差僅為6℃。這種工況表明密封腔內介質冷卻是不充分的。但冷卻效果有待量化。

（2）在機械密封沖洗中，摩擦副部位是介質自沖洗結構。沖洗介質由泵渦殼外側經導管接入密封腔，對摩擦副進行自潔。經測量，沖洗液進出口管線無溫差。這證明摩擦熱不能被沖洗液帶走。

密封腔內導生油的壓力與泵的入口壓力基本一致，操作壓力為0.1MPa。由導生油在不同溫度下的飽和蒸汽壓曲線圖2可知，導生油在壓力為0.1MPa的飽和蒸汽壓為0.2psia，氣化溫度130℃。也就是說導生油在0.1MPa的壓力和130℃的溫度下即會發生氣化。而摩擦副端面溫度為168.86℃。

可見，摩擦副液膜超溫氣化是導生泵P-404機械密封頻繁泄漏的根本原因。

因此，改善工況條件下機封內導生油氣化結焦的情況需要降低摩擦副的工作溫度。在改造升級中，應考慮增加輔助冷卻系統，對密封面進行沖洗，使摩擦副工作溫度低于130℃。

圖2　導生油在不同溫度下的飽和蒸汽壓曲線圖

3.改進措施

為增加輔助系統，根據設備結構，新機械密封選擇了四川日機密封件公司設計生產的串聯式集裝機械密封。密封各部材質及主要參數見表3，彈簧比壓PS、端面比壓PC、摩擦副端面線速度VC、 PV 值見表4，符合工作要求。

表3　密封各部材質及主要參數

表4　關鍵參數計算結果

3.1 輔助系統的選擇

根據API682-2014方案的選擇，主密封沖洗液從泵出口引出，經冷卻器降溫后，送至密封腔，對密封面進行降溫，沖洗密封端面后返回泵腔，即Plan21方案。

輔助密封方案選擇為：通過外部儲液器向無壓雙重密封提供緩沖液，即Plan52方案。正常運行時，泵送環維持循環。儲液器工作時向廢氣回收系統排放氣體，壓力約為常壓，低于密封腔內液體的壓力，實現緩沖液的正常流動。

3.2 輔助系統的建立

為了不使沖洗液流速過高而引起沖蝕，沖洗液壓力與軸封箱壓力差應小于0.5MPa。P-404泵額定工況時出入口壓差為0.4MPa，因此選擇冷卻后的導生油作為主密封的沖洗液，接入密封部位，可以滿足要求。在沖洗結構上，沖洗介質從出口管線排氣管接入，沖洗液密封入口利用原有泵蓋的沖洗孔。

沖洗液溫度的確定。由于P-404泵介質溫度240℃，為實現摩擦副端面溫度T＜130℃的目的，應盡可能地降低摩擦副周圍的介質溫度T0。機械密封改造中，采用冷卻器對沖洗液進行冷卻，冷卻器設計為盤管式，殼程為冷卻水，冷卻面積0.9m2。經過實測，冷卻后的沖洗液溫度為93.6℃，摩擦副的工作溫度為120.6℃。這使介質氣化結焦的問題從根本上得以解決。

緩沖液的選擇。第一，按照API 682的要求，緩沖液最好在操作溫度下具有10m2/s～32m2/s的運動粘度。第二，由于工作中將有少量的隔離緩沖液泄漏到工藝介質中或有少量的工藝介質漏到緩沖液體中。因此副密封的緩沖液必須與導生油具有相容性，并不會污染導生系統。第三，沖洗液要潔凈且對密封面有潤滑作用。根據上述條件，在新機械密封設立獨立的外部緩沖罐，緩沖介質選擇為礦物白油。

由于結構的變化，原軸承和機械密封冷卻被單獨進行。獨立的機封冷卻也保證了冷卻效果。

4.改進效果

按照上述要求，新機械密封改造后，各部位溫度對比變化明顯，具體情況見表5。經過測量和計算，應用新機械密封后摩擦副周圍介質溫度T0=109℃，磨擦產生的溫升為11.6℃，摩擦副端面溫度120.6℃，低于導生油飽和蒸汽溫度130℃。解決了導生油氣化引起的密封端面結碳和密封失效問題。自改造運行以來，高溫導生泵P-404已穩定運行9個月，工作正常，無泄漏。

表5　處理前、后溫度對比（℃）

結論

根據密封技術的進展，機械密封的額定壽命已經提高到25000h。為了實現這樣的目標，結合設備工況條件選擇適當的密封結構，必要時增加密封冷卻輔助系統，將摩擦副工作溫度控制在介質氣化溫度以下是非常重要的。對高溫熱油泵，應重點研究在工況壓力下的介質飽和蒸汽壓對機械密封的影響。根據介質特性確定機械密封結構和工作參數，保證摩擦副的工作溫度和壓力，從而實現機械密封的可靠性和可用性。

[1] DOWTHERM Q.Heat Transfer Fluid[M]. P5-10.

[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，2006.

[3]機械設計手冊聯合編寫組.《機械設計手冊》第二卷[M].北京：化學工業出版社P10.121，10.124.

[4]王汝美.實用機械密封技術問答[M].北京：中國石化出版社，2004：42-43，93-103.

[5]顧永泉.流體動密封[M].北京：石油大學出版社，1996：185-187.

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