高溫?zé)嵊捅脵C(jī)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?zé)嵊捅脵C(jī)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(dǎo)熱油泵使用的單端面波紋管式機(jī)械密封進(jìn)行校核，經(jīng)過對摩擦副端面比壓、端面線速度和端面溫度的核算，結(jié)合導(dǎo)熱油特性曲線，發(fā)現(xiàn)摩擦副端面溫度超過導(dǎo)熱油氣化溫度是造成機(jī)封端面及波紋管結(jié)碳的主要原因。按照機(jī)械密封設(shè)計(jì)規(guī)范API 682-2014的使用標(biāo)準(zhǔn)對高溫導(dǎo)熱油泵的機(jī)械密封進(jìn)行改型，通過增加輔助撤熱系統(tǒng)，降低摩擦副端面溫度，解決了高溫導(dǎo)熱油泵的機(jī)械密封因結(jié)焦碳化問題，為解決同類設(shè)備故障開拓了新的工作方向。

機(jī)械密封；泄漏；摩擦副；碳化

機(jī)械密封在石油化工裝置的機(jī)泵類旋轉(zhuǎn)設(shè)備上有著廣泛的應(yīng)用。但由于選型、設(shè)計(jì)、安裝和工況等諸多因素的影響，機(jī)械密封的使用壽命相差懸殊。為了提高機(jī)封壽命，本文以聚苯乙烯裝置240℃導(dǎo)生油泵P-404為研究對象，通過對機(jī)封端面比壓、線速度和溫度的校核，查找到了高溫?zé)嵊捅脵C(jī)械密封頻繁泄漏的故障原因。通過實(shí)施機(jī)械密封技術(shù)升級，解決了在240℃的高溫工況下，單級離心泵機(jī)械密封壽命不足的問題。

1.導(dǎo)生油泵P-404故障介紹

1.1 運(yùn)行工況

聚苯乙烯裝置高溫導(dǎo)生油泵P-404是脫揮發(fā)物器的導(dǎo)生循環(huán)泵，為美國GOULDS公司生產(chǎn)的單級離心泵，運(yùn)行工況見表1。泵用機(jī)械密封為丹東克隆公司制造的單端面非集裝波紋管式機(jī)械密封。

1.2 介質(zhì)特性

導(dǎo)生油在裝置內(nèi)作為熱媒使用，主要成分為：二甲基聯(lián)苯、甲基聯(lián)苯和三甲基苯基環(huán)乙烷；比重0.979kg/m3；在240℃時(shí)黏度約為30厘泊；極易揮發(fā)，易結(jié)碳，微紅顏色，刺激性氣味，輕微毒性。

表1　導(dǎo)生泵的工況

1.3 機(jī)械密封故障與現(xiàn)象

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)生泵P-404兩年內(nèi)，因機(jī)械密封泄漏原因共發(fā)生檢修10次，機(jī)械密封平均使用壽命僅為1810小時(shí)，即2.51月。泄漏發(fā)生前，機(jī)械密封首先是摩擦副部位出現(xiàn)緩慢輕微的滴漏，并伴有高溫氣化煙霧。滴漏介質(zhì)呈焦?fàn)睿钭厣５温┏掷m(xù)1個(gè)月后，機(jī)封將發(fā)生大量泄漏。經(jīng)過解體檢查，動(dòng)、靜環(huán)的密封面磨損正常，通常在動(dòng)環(huán)摩擦面有可視的輕微磨痕；在機(jī)械密封的波紋管內(nèi)部和摩擦副部位存在嚴(yán)重的積碳結(jié)焦現(xiàn)象。導(dǎo)生油碳化物填充波紋管全部間隙，嚴(yán)重影響了波紋的回彈。少數(shù)嚴(yán)重情況中，波紋管內(nèi)導(dǎo)生碳化物高度會(huì)高于動(dòng)環(huán)密封面，替代動(dòng)環(huán)與靜環(huán)形成摩擦副進(jìn)行密封工作。此時(shí)，當(dāng)機(jī)泵內(nèi)發(fā)生偶然的振動(dòng)或介質(zhì)壓力、溫度波動(dòng)時(shí)，碳化物由于沒有足夠的韌性發(fā)生破壞，致使機(jī)械密封發(fā)生泄漏。

2.機(jī)械密封失效分析

2.1 密封泄漏點(diǎn)

高溫導(dǎo)生油泵P-404使用的是DBM-45型焊接波紋管機(jī)械密封，參數(shù)見表2。密封腔由泵冷卻夾套進(jìn)行水冷卻，摩擦副介質(zhì)由平衡管自沖洗，靜環(huán)無背冷，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表2　 DBM-45型波紋管機(jī)械密封參數(shù)

圖1　 機(jī)封安裝結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)安裝結(jié)構(gòu)，機(jī)械密封可能發(fā)生泄漏的密封點(diǎn)有：

（1）波紋管背側(cè)的靜密封點(diǎn)，如圖1中標(biāo)注5所示的密封O環(huán)。

（2）靜環(huán)與泵體之間的靜密封點(diǎn)，如圖1中標(biāo)注4所示的密封墊。

（3）動(dòng)、靜摩擦副，即圖1中標(biāo)注2.3所示的接觸面。

上述密封點(diǎn)中的兩處靜密封點(diǎn)通過螺栓把緊等安裝措施，即能夠?qū)崿F(xiàn)工況下的設(shè)備運(yùn)行。因此摩擦副的密封效果將是本文討論的主要內(nèi)容。

2.2 PC、VC、PV值的計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)，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(jù)表2的相關(guān)參數(shù)：

（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(shù)；

E=20×104N/mm2——波紋管材料彈性模量；

t=0.127mm——波片厚度；

i=9——波數(shù)；

B=7mm——波紋管膜片寬度。

（3）波紋管機(jī)封載荷系數(shù)

（4）膜壓系數(shù)

λ=（2d2+d1）/3（d2+d1）=0.51（5）軟環(huán)摩擦副端面面積

（6）波紋管機(jī)封工作高度時(shí)彈力

其中：

△t=4mm—波紋管工作狀態(tài)時(shí)的壓縮量。

（7）波紋管機(jī)械密封彈簧比壓

（8）波紋管機(jī)械密封端面比壓

其中：pL=0.5MPa—密封腔內(nèi)壓力。

（9）摩擦副端面線速度

其中：n=1450r/min—轉(zhuǎn)速；

（10）PV=3.12MPa·m/s

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

由上面的計(jì)算結(jié)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(jìn)行分析。

2.3 密封失效分析

當(dāng)摩擦副端面溫度過高時(shí)，會(huì)造成摩擦副端面密封液膜高溫氣化。部分氣化的導(dǎo)生油在密封腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)，一部分氣相介質(zhì)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(dòng)環(huán)材料的磨損。在波紋管內(nèi)部，氣相導(dǎo)生油受熱碳化，堆積在密封腔內(nèi)，隨著碳化物的積累，結(jié)焦逐漸在波紋管內(nèi)部及密封面附近堆積，最后發(fā)展到影響機(jī)械密封摩擦副的正常工作，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械密封失效，引發(fā)介質(zhì)泄漏。

2.3.1 摩擦副端面溫度的計(jì)算

利用邁爾估算公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

T——摩擦副端面溫度，℃；

T0——摩擦副周圍的介質(zhì)溫度，℃；

f——摩擦系數(shù)（取0.07，查流體動(dòng)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(shù)（0.2）；

λaλb——導(dǎo)熱系數(shù)W/（m*K），（λa=5，λb=100，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第二卷）。

將2.2計(jì)算結(jié)果代入上式可得：

T=T0+23.86

依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，因動(dòng)靜環(huán)磨擦產(chǎn)生的溫升為23.86℃。因此摩擦副周圍的介質(zhì)溫度T0決定了泵密封效果。

2.3.2 介質(zhì)溫度T0的推算

經(jīng)過對泵P-404的實(shí)際測量，機(jī)械密封靜環(huán)壓蓋外表溫度134℃；冷卻夾套泵端外表溫度168℃；冷卻水進(jìn)出口溫差6℃。根據(jù)溫度梯度變化趨勢和密封安裝結(jié)構(gòu)，摩擦副部位的介質(zhì)溫度T0測算為145℃。

因此，P-404泵機(jī)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(jù)泵體結(jié)構(gòu)，密封冷卻水由軸承箱一側(cè)DN15管口進(jìn)入，流經(jīng)軸承箱外壁冷卻腔體后，進(jìn)入機(jī)封冷卻水套零件對密封部位進(jìn)行冷卻，最后由出口排出。由于冷卻水進(jìn)出口壓差小于0.05MPa，溫度差僅為6℃。這種工況表明密封腔內(nèi)介質(zhì)冷卻是不充分的。但冷卻效果有待量化。

（2）在機(jī)械密封沖洗中，摩擦副部位是介質(zhì)自沖洗結(jié)構(gòu)。沖洗介質(zhì)由泵渦殼外側(cè)經(jīng)導(dǎo)管接入密封腔，對摩擦副進(jìn)行自潔。經(jīng)測量，沖洗液進(jìn)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(nèi)導(dǎo)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(dǎo)生油在不同溫度下的飽和蒸汽壓曲線圖2可知，導(dǎo)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(dǎo)生油在0.1MPa的壓力和130℃的溫度下即會(huì)發(fā)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(dǎo)生泵P-404機(jī)械密封頻繁泄漏的根本原因。

因此，改善工況條件下機(jī)封內(nèi)導(dǎo)生油氣化結(jié)焦的情況需要降低摩擦副的工作溫度。在改造升級中，應(yīng)考慮增加輔助冷卻系統(tǒng)，對密封面進(jìn)行沖洗，使摩擦副工作溫度低于130℃。

圖2　導(dǎo)生油在不同溫度下的飽和蒸汽壓曲線圖

3.改進(jìn)措施

為增加輔助系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)，新機(jī)械密封選擇了四川日機(jī)密封件公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的串聯(lián)式集裝機(jī)械密封。密封各部材質(zhì)及主要參數(shù)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(zhì)及主要參數(shù)

表4　關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.1 輔助系統(tǒng)的選擇

根據(jù)API682-2014方案的選擇，主密封沖洗液從泵出口引出，經(jīng)冷卻器降溫后，送至密封腔，對密封面進(jìn)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(chǔ)液器向無壓雙重密封提供緩沖液，即Plan52方案。正常運(yùn)行時(shí)，泵送環(huán)維持循環(huán)。儲(chǔ)液器工作時(shí)向廢氣回收系統(tǒng)排放氣體，壓力約為常壓，低于密封腔內(nèi)液體的壓力，實(shí)現(xiàn)緩沖液的正常流動(dòng)。

3.2 輔助系統(tǒng)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(yīng)小于0.5MPa。P-404泵額定工況時(shí)出入口壓差為0.4MPa，因此選擇冷卻后的導(dǎo)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(jié)構(gòu)上，沖洗介質(zhì)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(zhì)溫度240℃，為實(shí)現(xiàn)摩擦副端面溫度T＜130℃的目的，應(yīng)盡可能地降低摩擦副周圍的介質(zhì)溫度T0。機(jī)械密封改造中，采用冷卻器對沖洗液進(jìn)行冷卻，冷卻器設(shè)計(jì)為盤管式，殼程為冷卻水，冷卻面積0.9m2。經(jīng)過實(shí)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(zhì)氣化結(jié)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(yùn)動(dòng)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(zhì)中或有少量的工藝介質(zhì)漏到緩沖液體中。因此副密封的緩沖液必須與導(dǎo)生油具有相容性，并不會(huì)污染導(dǎo)生系統(tǒng)。第三，沖洗液要潔凈且對密封面有潤滑作用。根據(jù)上述條件，在新機(jī)械密封設(shè)立獨(dú)立的外部緩沖罐，緩沖介質(zhì)選擇為礦物白油。

由于結(jié)構(gòu)的變化，原軸承和機(jī)械密封冷卻被單獨(dú)進(jìn)行。獨(dú)立的機(jī)封冷卻也保證了冷卻效果。

4.改進(jìn)效果

按照上述要求，新機(jī)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(jīng)過測量和計(jì)算，應(yīng)用新機(jī)械密封后摩擦副周圍介質(zhì)溫度T0=109℃，磨擦產(chǎn)生的溫升為11.6℃，摩擦副端面溫度120.6℃，低于導(dǎo)生油飽和蒸汽溫度130℃。解決了導(dǎo)生油氣化引起的密封端面結(jié)碳和密封失效問題。自改造運(yùn)行以來，高溫導(dǎo)生泵P-404已穩(wěn)定運(yùn)行9個(gè)月，工作正常，無泄漏。

表5　處理前、后溫度對比（℃）

結(jié)論

根據(jù)密封技術(shù)的進(jìn)展，機(jī)械密封的額定壽命已經(jīng)提高到25000h。為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，結(jié)合設(shè)備工況條件選擇適當(dāng)?shù)拿芊饨Y(jié)構(gòu)，必要時(shí)增加密封冷卻輔助系統(tǒng)，將摩擦副工作溫度控制在介質(zhì)氣化溫度以下是非常重要的。對高溫?zé)嵊捅茫瑧?yīng)重點(diǎn)研究在工況壓力下的介質(zhì)飽和蒸汽壓對機(jī)械密封的影響。根據(jù)介質(zhì)特性確定機(jī)械密封結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，保證摩擦副的工作溫度和壓力，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封的可靠性和可用性。

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