裝車泵機械密封泄漏原因分析及處理

黃林林 汪元德

（中國石油蘭州石化公司化肥廠)

裝車泵機械密封泄漏原因分析及處理

黃林林*汪元德

（中國石油蘭州石化公司化肥廠)

針對濃硝酸儲運單元裝車泵機械密封頻繁泄漏的問題，通過現場檢修觀察、主要性能參數計算等方法綜合分析了其機械密封失效原因。研究表明，機封端面比壓偏高、無循環沖洗系統，是機械密封故障頻繁的原因。采取降低端面比壓、降低出口管線標高、增加循環自沖洗系統等措施，可使機封使用壽命得到延長，泵檢修頻率由20次/年降低到4次/年。

濃硝酸 機械密封 端面比壓 平衡型 裝車泵 儲運

1 裝車泵簡介

蘭州石化公司化肥廠15萬t／a濃硝酸裝置由山東省化工規劃設計院設計，于2006年4月投產。該裝置主要包括硝酸鎂制備、稀硝酸濃縮、硝酸鎂蒸發和濃硝酸儲運四個單元。其中，濃硝酸儲運單元具有濃硝酸儲存、外送、裝車 （火車、汽車）等流程，儲運能力9.6萬t/a，管道外送能力5.4萬t/a（供苯胺裝置），火車裝車外運能力9.36萬t/a，汽車裝車外運能力0.24萬t/a。濃硝酸儲運單元1#裝車泵用于向苯胺裝置輸送濃硝酸以及向運輸槽車輸送濃硝酸。自濃硝酸裝置開車以來，該裝車泵機械密封頻繁泄漏，2011年至2014年該泵年平均檢修次數達20次，嚴重影響了濃硝酸外送和裝車工作。因此，解決1#裝車泵機械密封的泄漏，延長泵的運行周期，已成為生產中亟待解決的問題。

濃硝酸儲運單元1#裝車泵 （設備號B-101A）為單級離心泵，主要用途為： （1）將7臺濃硝酸儲罐中的98%濃硝酸送往苯胺裝置，輸送距離約為200 m，每8 h輸送1次； （2）將濃硝酸送往

濃硝酸高位槽，通過裝車鶴管裝入運輸槽車。該泵的主要技術參數如表1所示。

表1 1#裝車泵的主要技術參數

1#裝車泵機械密封為單端面內裝式機械密封（見圖1），動、靜環材質均為碳化硅 （SiC）陶瓷。碳化硅 （SiC）是一種新型的、性能非常良好的摩擦副材料，它具有以下優點： （1）質量小，比強度高； （2）具有一定的自潤滑性，摩擦系數小；（3）硬度高，耐磨損，組對性能好； （4）化學穩定性好，耐腐蝕； （5）耐熱性能好，導熱性能良好，耐熱沖擊。同時也具有缺點：質脆，抗機械沖擊性能稍差。

圖1 裝車泵機械密封

2 裝車泵故障情況

該裝車泵自投運以來運行狀況差，機械密封經常泄漏，不但造成人力、物力耗費極大，也造成了環境污染，給裝置生產帶來困難。據統計，2011年至2014年該泵年平均檢修次數為20次。通過檢修發現的情況有： （1）動靜環表面有均勻的環狀溝紋,靜環碎裂，破碎斷面顏色發藍 （見圖 2）；

（2）動靜環上有白色粉末顆粒 （見圖3）。

圖2 靜環損壞情況

圖3 動環上附著的白色粉末顆粒

3 故障原因分析

摩擦副表面出現均勻的環狀溝紋，這是機械密封常見的失效形式。機械密封失效的主要原因有：

（1）采用了非平衡型密封，載荷系數太大，pcv值高，產生大量的摩擦熱，使得介質汽化；

（2）抽空或汽蝕，使密封面出現干的或半干摩擦；

（3）介質不清潔，或出現結晶、結焦等細小的固體顆粒。下面對故障的原因作一分析。

3.1 泵出口壓力p2

98%濃硝酸密度ρ=1.501×103kg/m3，泵的揚程h=60 m，泵入口直徑 D1=65 mm，泵出口直徑D2= 40 mm，泵額定流量Q=30 m3/h。

入口流速

出口流速

由伯努利方程

式中 p1——泵入口壓力；

p2——泵出口壓力。

由于z2≈z1，因此可將泵出口壓力視為

泵入口壓力p1為濃硝酸罐靜壓。若濃硝酸罐（DN4200）液位為2 m，則

泵出口壓力

由于該泵葉輪無平衡孔，因此密封腔流體壓力pL約等于泵出口壓力p2，即pL≈p2＝0.884 MPa。

3.2 密封流體壓力作用比壓pe及平衡系數β

對軸套及機械密封進行測量可知，平衡直徑db＝35 mm，密封端面內徑d1＝38 mm，密封端面外徑d2＝45 mm。因此平衡系數β可按下式計算：

密封流體壓力作用比壓

式中 Δp——機械密封內外側流體壓力差；

pL——密封腔流體壓力;

patm——大氣壓力。

經查資料可知，對于內裝非平衡式機械密封，通常取平衡系數β＝1.1～1.3。顯然，該泵機封平衡系數偏高。

3.3 彈簧比壓ps

該機封的壓縮量為3 mm，通過計算得彈簧比壓為0.27 MPa。經查資料可知，對于內裝式機械密封，通常取彈簧比壓ps＝0.05～0.3 MPa，彈簧比壓符合要求。

3.4 密封端面間液膜平均壓力pm及反壓系數λ

經查資料可知，對于內裝式機械密封，一般液體反壓系數λ＝0.5。因此，密封端面間液膜平均壓力pm可按下式計算：

3.5 端面比壓pc

經查資料可知，內裝式機械密封端面比壓pc＝0.3～0.6 MPa，顯然，該泵機封端面比壓pc偏高。

3.6 工作pcv值

經查資料可知，靜環碳化硅、動環碳化硅摩擦副材料組合的許用工作pcv值 ［pc］v＝14.5 MPa·m/s，該泵機封pcv符合要求。

3.7 其他方面

該泵機械密封為非平衡型密封，由上述計算可知，雖然pcv值滿足要求，但平衡系數偏高，端面比壓偏高，動靜環摩擦副產生的摩擦熱較大，且該機封無自沖洗管線，機封運行時的熱量無法帶走，機封冷卻效果差。由圖2可知，靜環破碎斷面顏色變藍，機封動環由于端面溫度高，受熱不均而發生碎裂。因此，機封端面比壓偏高，無循環沖洗系統，是機封動靜環出現環狀溝紋、破裂的主要原因。

泵入口管線、出口管線均設有排酸導淋閥。在開泵過程中，需打開導淋閥排出泵體和管線內氣體。操作人員在開泵過程中可能會發生排氣不完全的情況，這會導致機封動靜環干磨。因此，操作維護不到位是機封動靜環出現環狀溝紋、破裂的次要原因。

機械密封動靜環一般采用一硬一軟配對使用，在介質中有固體顆粒等特殊情況時才選用硬對硬配對使用。

由圖3可見，機封上附著有白色粉末顆粒，可能為硝酸鹽 （硝酸銨等）結晶物。但是該機封動、靜環材質均為碳化硅 （SiC）陶瓷，為硬對硬結構，機封材質的選擇是正確的。因此，濃硝酸介質中的粉末固體顆粒不是機封出現環狀溝紋的主要原因。

4 改進措施

4.1 降低機封端面比壓

由機封端面比壓pc的計算式

可知，降低端面比壓可采取的措施有：降低泵密封腔壓力pL、降低平衡系數β、調整降低彈簧比壓 ps。

（1）通過切割葉輪，降低泵出口壓力p2，就可降低密封腔壓力pL、端面比壓pc。

葉輪直徑D＝200 mm，若通過葉輪切割將額定揚程調整為h1＝40 m，則根據葉輪切割定律

通過計算可知，該泵比轉速Ns＝45.59。查閱資料知，比轉速Ns≤60時，葉輪最大切割量為20%。因此，取葉輪直徑為170 mm，切割量為15%，滿足要求。這時，額定揚程為

泵出口壓力為

（2）改為平衡型機械密封，降低平衡系數β。

經查資料可知，對于內裝平衡式機械密封，通常可取平衡系數β＝0.55～0.85，故取β＝0.70。

由下式

計算得出平衡直徑db＝40.23 mm，取db＝40 mm。

改進后機械密封平衡系數

端面比壓

經查資料可知，內裝式機械密封端面比壓pc＝0.3～0.6 MPa，改進后機封端面比壓符合要求。

（3）重新配管，降低泵出口管線標高。

將外送苯胺車間濃硝酸的管線 （苯胺十字處）高度降低7.5 m，泵克服位差所需的實際揚程降低了，從而就可降低泵出口壓力p2（約0.11 MPa）。

4.2 安裝機封反沖洗管線

加工制作接頭，配制機封反沖洗管線。從密封腔引出介質返回泵入口處，利用介質自身循環沖洗密封腔，帶走摩擦產生的熱量。

4.3 加強技術管理

加強員工操作培訓，要求在開泵過程中，打開出入口導淋閥，排盡泵體、管線內的氣體，以防止機封干磨。

加強與檢維修單位溝通，提高機封備件質量，從而提高機封使用壽命；提高檢修質量，保證各項檢修數據符合要求，防止泵出現振動等異常情況。

5 結論

機械密封是石油化工企業離心泵的薄弱環節，機械密封泄漏是造成設備頻繁維修的主要原因。引起機械密封泄漏的原因很多，涉及機械密封設計選型、制造、安裝、工藝操作等多方面。而精準找到故障原因，需要技術人員嚴謹的工作態度、執著的求真精神，經過現場觀察、詢問、檢查、檢測等手段進行綜合分析、推理和判斷，才能通過故障現象找到故障本質。

針對該裝車泵出現的故障，通過采取降低端面比壓、降低出口管線標高、增加循環自沖洗系統等改進措施，解決了該泵機封頻繁失效的問題，機封使用壽命得到延長，降低了泵的檢維修次數，檢修頻率由20次/年降低到了4次/年，節省了人工成本和檢修備件費用，為裝置的安穩運行提供了保障。

[1]王汝美．實用機械密封技術問答 [M]．北京：中國石化出版社,2004：52-54.

[2]魏龍．泵維修手冊 [M]．北京：化學工業出版社，2009：37-38.

[3]關醒凡.現代泵技術手冊 [M]．北京：宇航出版社，1995：47-48.

Cause Analysis and Treatment of Mechanical Seal Leakage of Loading Pump

Huang Linlin Wang Yuande

According to the frequent leakage of the mechanical seal for loading pump of concentrated nitric acid storage and transportation unit,the failure reasons were analyzed through the field maintenance and observation, the main performance parameters calculation and other methods.The research showed that the high end surface pressure of the mechanical seal and the absence of circulating flushing system were the reasons for the frequent failure.By taking measures such as reducing the end face pressure,reducing the level of the outlet pipe,adding the circulating self-flushing system,the service life of the mechanical seal could be prolonged,and the maintenance frequency of the pump would be reduced from 20 times per year to 4 times.

Concentrated nitric acid;Mechanical seal;End face pressure;Equilibrium type;Loading pump; Storage and transportation

TH 311

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.007

2016-07-11）

*黃林林，男，1984年生，工程師。蘭州市，730060。