尿素P1-B機械密封失效的原因及解決辦法

郭威

（重慶云天化瀚恩新材料開發有限公司，重慶 401221）

尿素P1-B機械密封失效的原因及解決辦法

郭威

（重慶云天化瀚恩新材料開發有限公司，重慶 401221）

尿素P1-B水解給尿泵自更換國產新泵后一直不能正常運行，主要表現為機械密封泄露量大，需頻繁更換，針對該泵機械密封出現的問題，文章對機械密封的結構和原理做了介紹，同時對機械密封的失效形式做了詳細的分析，有針對性地對該泵進行了改進，按改進方案進行了檢修維護，后期該泵機械密封運行效果良好。

機械密封；換熱器；聚四氟乙烯；碳化硅陶瓷

1 設備介紹及故障情況

尿素P1-B水解給尿泵，系由西德蒂森公司制造，VLT80/7型，電機驅動七級立式離心泵，現已國產化，附屬設備配有冷卻器，用來冷卻泵出口去機械密封腔內的工藝流體。

泵技術參數：流量：50.4m3/h；轉速：2960r/min；揚程：399m；入口壓力：0.57MPa；出口壓力：4.23MPa；入口溫度：135℃；出口溫度：135℃；入口溫度下的流體密度：935kg/m3；介質：0.5%的NH3，0.1%的尿素。

自從該泵更換為國產新泵后，機械密封經常發生泄漏，由于該泵是深井泵，無法從其介質的泄漏形式來判斷機械密封的失效部分，只能將其解體檢查，但是每當更換新機封后運行不到一天就會再次發生泄漏，這樣不僅嚴重污染環境、影響生產，也浪費了大量的人力物力，為盡快從根本上解決泄漏的問題，需要先對機械密封失效的形式進行了詳細的分析，再結合檢修情況查證具體原因并制定了對策，最終解決了該問題。

2 機械密封

（1）機械密封的定義。機械密封（mechanical seal）是由至少一對垂直于旋轉軸線的端面在流體壓力和補償機構彈力（或磁力）的作用下以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構成的防止流體泄漏的裝置。

（2）機械密封的結構。機械密封結構（如圖1所示）主要由以下組成：①靜環；②動環；③彈性元件；④彈簧座；⑤緊定螺釘；⑥靜環輔助密封圈；⑦動環輔助密封圈；⑧壓蓋與機體輔助密封圈；⑨壓蓋；⑩防轉銷。

圖1 機械密封結構圖

機械密封具有密封性能可靠、泄漏量小、使用壽命長、功率損耗少和適用范圍廣等優點，被廣泛應用于各個技術領域，尤其適用于高轉速、高壓差的工作條件和昂貴或有毒及強腐蝕性的工藝介質中。

（3）機械密封的組成及工作原理。盡管機械密封種類繁多，但是無論哪種結構都由以下及部分組成：①動環和靜環組成的密封端面（簡稱摩擦副）；②由彈性元件為主的緩沖補償機構，其作用是使密封端面緊密貼合；③輔助密封圈，包含動、靜環密封圈；④使動環隨軸旋轉的傳動機構。

機械密封是靠動環與靜環的接觸面在運動中始終貼合，實現密封。機械密封通常由動環、靜環、壓緊元件和密封元件組成，其中動環和靜環的端面產生適當的比壓和保持一層極薄的液體膜而達到密封的目的。

3 機械密封實效的原因分析

無論那種型號和結構的機械密封，其主要泄露點有以下六處（如圖1A、B、C、D處）：①動環與靜環之間泄漏；②動環輔助密封圈處的泄漏；③靜環環密封圈處的泄漏；④機體與壓蓋接合面之間的泄漏；⑤軸套與軸之間的泄漏；⑥密封件本身具有滲透性。

（1）動靜環端面之間泄漏。動靜環端面之間的泄露是機械密封失效的主要形式。首先，端面不平、端面平面度、粗糙度未達到要求，或者在使用前受了損傷，都可能導致泄漏；其次，端面間存在異物也可能導致泄漏；再次，安裝不正確，比如安裝尺寸未達到工作要求而使端面接觸緊力不夠從而導致端面分離，或者非補償環安裝傾斜等也可以導致泄露；最后，運行過程中端面磨損也是導致泄露的常見原因。

（2）動環輔助密封圈處的泄漏。輔助密封圈本身質量有問題，如橡膠密封圈常見的凹凸缺陷、錯位，修邊過量、開模縮裂等均會造成其泄露。安裝時導致密封圈受損，如橡膠密封圈表面刮痕、聚四氟乙烯V型環唇口割傷等。軸套與補償環密封圈的接觸部分有缺陷，如麻點，凹坑等，對此，應更換合格的軸套。密封圈材質與介質不相容導致密封圈變形、腐蝕、老化等，對此，應選用適宜材質的密封圈。軸套的尺寸公差，粗糙度未達到要求也可能導致密封圈泄露。

（3）靜環密封圈處的泄漏。壓蓋尺寸公差不符合設計要求。安裝錯誤，如聚四氟乙烯V環安裝方向錯誤。密封圈質量不合格或者與介質不相容。

（4）機體與壓蓋接合面之間的泄漏。墊片或者密封圈受到損傷。機體與壓蓋的配合端面有缺陷，如凹坑，劃痕等。螺栓力太小，墊片壓縮量不夠，此時需要加大螺栓力。安裝時清潔不到位，有異物進入其中，此時應及時更換受損的墊片或者密封圈。壓蓋變形，主要是壓蓋剛度不夠產生的變形，或者是壓蓋使用年限太久而產生的微小變形。緊固螺栓時未對稱緊固導致螺栓受力不均勻，單邊壓蓋鎖緊。

（5）軸套與軸之間的泄漏。安裝過程不當、墊片或者密封圈損傷或者達不到要求均會造成軸套與軸之間的泄露。

（6）密封件本身具有滲透性。碳制品易于滲透，這種滲透主要是浸漬與固化后參數未控制好，導致產品性能指標未達到要求，或者是碳材料浸漬處理后加工切削量太大，內部微孔疏通而形成泄漏通道。通常，經機械加工后的成品都會進行一次浸漬處理，目的是為確保密封件不滲透。這一項是在分析泄漏最容易被忽視的，也是檢修過程中最難發現的，需多加注意。

4 P1-B機封失效的形式和原因分析

（1）P1-B機封失效的形式和原因。經過多次對該泵進行機械密封更換，發現該泵機械密封失效的原因主要有以下2點：補償環與非補償環變形失效（動環與軸套之間的V型四氟環，靜環和靜環座之間的V型四氟環）；摩擦副表面細小裂紋（摩擦副材料為碳化硅陶瓷）。

經檢查，用四氟制造的V型密封圈與軸套接觸的部位已經發生了變形，具體表現是輕微卷曲，這主要是因為密封腔內發生氣蝕，動環和密封圈沿軸向滑動，從而使V型四氟環唇部發生了卷曲。摩擦副表面的細小裂紋則是由于氣化或者機封冷卻液溫度過高起不到冷卻效果而導致的結果。

通過工藝流程及工藝參數得知：此泵機封冷卻采取的是自冷卻模式，冷卻液由泵出口流體單獨引出（135℃），經過其附屬設備換熱器冷卻到55～60℃后，再流入機械密封對其進行冷卻，然后流入泵的進口，這樣的一個循環過程。經過手持測溫儀檢測，機封冷卻液進口管溫度為110℃，而工藝要求的溫度則為55～60℃，故有理由確信，冷卻液溫度過高是導致此機械密封長期失效的主要原因，而造成冷卻液溫度過高則是由于泵本身自帶的冷卻器由于使用年限過久導致換熱效果不佳引起的。

當冷卻液溫度在110℃左右時，顯然冷卻液不能及時將機封摩擦產生的熱量帶走，從而導致機封持續高溫運轉，進而使機封聚四氟乙烯V環變形失效，經查《機械密封設計制造與使用》一書得知，聚四氟乙烯熱變形溫度為121℃。同時，高溫也會使碳化硅陶瓷表面出現熱裂紋，這也是摩擦副失效的主要原因，解決機封溫度過高最好的辦法是降低機封冷卻液的溫度，使其達到工藝的要求，筆者根據工藝的要求將冷卻液溫度目標值假定為55℃。

（2）冷卻器換熱效果差的主要原因分析。①使用年限過久，冷卻器結垢，導致總傳熱系數K值降低，如圖2所示。②回流孔堵塞或者回流孔孔徑太小導致回流流量不夠，如圖3所示。③換熱器換熱面積可能不夠。現根據工藝車間工藝參數對所需理論換熱面積進行初步估算。

圖2 結垢的冷卻器

圖3 回流孔

各數據如下：冷卻液為進入換熱器的熱流體，走管程，其流量約為qm=500kg/h，熱流體進換熱器入口溫度為120℃（實測所得），出口溫度為55℃（工藝需求值），冷水走殼程，用手持測溫儀測得進口溫度約為20℃，出口溫度約為55℃，逆流流動。

計算過程如下：

熱流體溫度：T1=120℃，T2=55℃

平均溫度為：Tm=（120+55）/2=87.5℃

查液體比熱容共線圖得熱流體比熱容：

Cp≈4.1×103J（kg·K）

熱流體流量：qm=500kg/h

熱負荷：Q=qm·Cp（T1-T2）=500×4100×65/3600=37013.9W

平均溫度差：

逆流：120℃→55℃ △t1=120-55=65℃

55℃←20℃ △t2=55-20=35℃

因為：△t1/△t2=1.86＜2

故：△tm=65+35=50℃

總傳熱系數 K估=1150W/m2·K

（查《化工原理》表4-7-換熱器總傳熱系數經驗值）

傳熱面積：

A=Q/K·△tm=37013.9/（1150×50）=0.64m2

考慮到實際工作時換熱器至少應該有10%～25%的面積裕量，所以實際選型時換熱器面積應該至少≥0.71m2，而此時所用舊換熱器換熱面積僅為0.6m2，既確定了該換熱器換熱面積不夠。

5 解決措施

①更換新的機械密封。②擴大回流孔，將回流孔由3mm擴大到5mm。③選取新型號的換熱器，換熱面積由0.6m2更換為為0.9m2，如圖4所示。④定期對換熱器進行除垢處理，并將換熱器由臥式改為立式，以增大殼程流體的湍流程度，從而增大總傳熱系數，增強傳熱效果。

圖4 新冷卻器

6 結語

通過以上措施，P1-B機械密封泄露問題得到徹底解決，目前該泵運行效果良好。

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Reasons and Solutions of Urea P1-B M echanical Seal Failure

GUO Wei
（Chongqing Yuntianhua Han En New Material Development Co.，Ltd.，Chongqing 401221，China）

Urea P1-B hydrolysis urine pump has been unable to operate normally since the replacement of new domestic pump,mainly showing themechanical seal leakage，needing to be frequently replaced.The paper introduces themechanical seal structure and the principle，and analyzes the failure ofmechanical seal in details，improves the pump accordingly and maintain according to the improvementprogram，which isgood for themechanicalsealoperation of the pump.

mechanicalseal；heatexchanger；polytetrafluoroethylene；silicon carbide ceramic

TH136

A

2095-980X（2017）05-0019-02

2017-04-23

郭威（1985-），男，湖北武漢人，大學本科，助理工程師，主要從事設備相關工作。