成品油管道主輸泵機(jī)械密封失效主要原因分析與對(duì)策

段云躍

（中國石化銷售有限公司華南分公司，廣東 廣州 510620）

中國石化銷售有限公司華南分公司是我國最大的成品油管道企業(yè)，公司運(yùn)行的成品油管網(wǎng)建成運(yùn)行的管道全長(zhǎng)6036km，輸油站58座。其中西南成品油管道是國內(nèi)距離最長(zhǎng)、站點(diǎn)最多、工藝技術(shù)水平最先進(jìn)、施工和管理難度最大的成品油管道。 被公司定為A類設(shè)備的主輸泵是輸油站核心設(shè)備，機(jī)械密封完好是主輸泵減少泄漏量，安全、高效運(yùn)行的重要保障。本文簡(jiǎn)要分析機(jī)械密封的原理和構(gòu)造，通過案例分析，查找機(jī)械密封提前失效的主要原因，總結(jié)預(yù)防對(duì)策。

1 機(jī)械密封原理

主輸泵為離心泵，傳動(dòng)軸與設(shè)備本體存在圓周間隙，當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力高于大氣壓力時(shí)，設(shè)備內(nèi)油品等流體會(huì)經(jīng)間隙泄漏至外界。因此必須有一個(gè)阻止泄漏的軸封裝置——機(jī)械密封。機(jī)械密封是一種流體旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸封裝置，它由至少一對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的軸面，在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈簧的作用下，以及在輔助性密封的配合下保持與主設(shè)備貼合并相對(duì)滑動(dòng)而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置，廣泛運(yùn)用于離心泵、壓縮機(jī)等設(shè)備。

2 機(jī)械密封的構(gòu)造

輸油泵機(jī)械密封由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成的端面密封（摩擦副）、彈性元件為主要零件組成的緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)（使密封面緊密貼合）、輔助密封圈（動(dòng)環(huán)和靜環(huán)密封圈）及使動(dòng)環(huán)隨軸旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)四部分組成。圖1為機(jī)械密封結(jié)構(gòu)圖。

3 機(jī)械密封選用要求

3.1 機(jī)械密封材料應(yīng)滿足密封功能的要求

圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

由于機(jī)械密封工作設(shè)備的工作條件不同，被密封的介質(zhì)不同，要求密封材料的具有不同的適應(yīng)性。對(duì)密封材料的要求一般是以下幾點(diǎn)。

（1）材料致密性好，具有與密封面結(jié)合的柔軟性，不易泄漏介質(zhì)。

（2）有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度和硬度，壓縮性和回彈性好，永久變形小。

（3）高溫下不軟化，不分解，低溫下不硬化，不脆裂。

（4）抗腐蝕性能好，在酸、堿、油等介質(zhì)中能長(zhǎng)期工作，其體積和硬度變化小，且不粘附在金屬表面上。

（5）摩擦系數(shù)小，耐磨性好，耐老化性好，經(jīng)久耐用。

（6）加工制造方便，價(jià)格便宜。

3.2 機(jī)械密封主要材料（如表1）

4 公司用機(jī)械密封情況

公司在早期全部選用進(jìn)口機(jī)械密封（例如公司曾經(jīng)選用過德國CHETRA公司產(chǎn)品），隨著國產(chǎn)機(jī)械密封質(zhì)量逐漸提高，逐漸選用國產(chǎn)機(jī)械密封。公司要求機(jī)械密封壓蓋及軸套為化工耐腐蝕奧氏體不銹鋼316L，動(dòng)靜環(huán)為進(jìn)口無壓燒結(jié)的碳化硅SiC，密封環(huán)為氟橡膠，要求正常工況下使用壽命大于16000小時(shí)。公司與成都順捷實(shí)業(yè)有限公司聯(lián)合研發(fā)產(chǎn)品，主要型號(hào)有TYP201-80/82，TYP201-70/72等。（如圖2、3）

表1 常用材料

圖2 進(jìn)口機(jī)械密封（CHETRA 201）

圖3 PX站3#泵國產(chǎn)機(jī)械密封（成都順捷）

5 公司機(jī)械密封失效主要原因

5.1 正常運(yùn)行磨損

機(jī)械密封泄漏一般情況下是漸變的過程，泄漏量從小變到大，主要是由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)磨損導(dǎo)致。輸油站主輸泵機(jī)械密封一般運(yùn)行達(dá)到一定程度自然需要更換。因?yàn)闄C(jī)械磨損會(huì)破壞密封副的正常配合關(guān)系，當(dāng)端面出現(xiàn)一定的磨損時(shí)，傳動(dòng)軸每轉(zhuǎn)一周，密封件都要作軸向位移和徑向擺動(dòng)，在每一次轉(zhuǎn)動(dòng)中，密封副端面都趨向于產(chǎn)生輕微的分離和泄漏。隨著事件的推移，磨損逐漸加大，泄漏量也逐漸加大。這是絕大多數(shù)機(jī)械密封失效主要的主要原因。因此，公司規(guī)定機(jī)械密封使用壽命一般為16000小時(shí)。

5.2 機(jī)械密封沖洗不到位

輸油泵機(jī)械密封端面沖洗的作用有二：一是帶走密封腔中機(jī)械密封的摩擦熱、攪拌熱等，以降低密封端面溫度，保證密封端面上流體膜的穩(wěn)定；二是阻止固體雜質(zhì)和油焦淤積于密封腔中，使密封能在良好、穩(wěn)定的工作環(huán)境中工作，并減少磨損和密封零件失效的可能。合適的端面沖洗是提高離心泵機(jī)械密封耐久性的重要輔助措施之一，沖洗的目的在于防止雜質(zhì)集積，防止氣囊形成，保持和改善潤(rùn)滑等，當(dāng)沖洗液溫度較低時(shí)，兼有冷卻作用。因此，如果沖洗管出現(xiàn)堵塞、失效，會(huì)對(duì)機(jī)械密封壽命產(chǎn)生不利影響。

（1）機(jī)械密封沖洗管失效

案例一：西南管道PX站（輸油站代號(hào)，下同）4#主輸泵自2005年投用至2010年的5年間，運(yùn)行一直非常平穩(wěn)，但在2010年“850增輸改造”項(xiàng)目為該泵加裝了電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)后，在不同的轉(zhuǎn)速下泵體及泵上殼體的機(jī)械密封沖洗管振動(dòng)變化很大，能達(dá)到平時(shí)的8～9倍。2010年-2012年3月間，該泵殼機(jī)械密封沖洗管和排空管焊縫多次發(fā)生滲漏情況。圖4為PX站4#泵機(jī)械密封沖洗管斷裂失效圖。

圖4 PX站4#泵機(jī)械密封沖洗管斷裂失效

在流量為529m3/h，變頻器頻率與主輸泵振動(dòng)情況如圖5。

圖5 PX站4#泵機(jī)械密封沖洗管振動(dòng)與頻率關(guān)系

原因：從圖中可以看出，當(dāng)頻率在70Hz至88Hz區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，機(jī)泵密封沖洗管的振動(dòng)值在8mm/s以下變化，當(dāng)頻率在88～92Hz區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，機(jī)泵密封沖洗管的振動(dòng)值迅速升高，特別是變頻器頻率為91Hz時(shí)振動(dòng)值達(dá)到14.3mm/s。可見主輸泵加裝變頻器后，在某些特定的轉(zhuǎn)速范圍，泵殼排空管和機(jī)封沖洗管振動(dòng)較大，在長(zhǎng)時(shí)間高頻振動(dòng)下導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生疲勞裂紋斷裂，最終導(dǎo)致機(jī)械密封沖洗受阻，直接影響機(jī)械密封使用壽命。

（2）機(jī)械密封沖洗管節(jié)流孔板變化。機(jī)械密封沖洗管節(jié)流孔板孔洞變化對(duì)機(jī)械密封造成影響，導(dǎo)致機(jī)械密封失效。

案例二：2008年2月，當(dāng)天PX站輸送下載0#柴油，運(yùn)行2#、4#泵。15：36時(shí)，當(dāng)班人員發(fā)現(xiàn)4#泵機(jī)械密封泄漏報(bào)警，同時(shí)污油罐液位急劇上漲。現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)4#泵驅(qū)動(dòng)端有大量油品溢出，已流淌至距主輸泵基礎(chǔ)2 m以外，中控調(diào)度緊急停4#泵。

原因分析：經(jīng)公司專業(yè)人員到場(chǎng)對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行拆卸檢查分析，發(fā)現(xiàn)4#主輸泵驅(qū)動(dòng)端截流孔板、導(dǎo)流套的孔眼皆被流體沖刷變大變形，從而導(dǎo)致機(jī)械密封泄漏事故發(fā)生。圖6為完好的節(jié)流孔板。

圖6 完好的節(jié)流孔板

5.3 轉(zhuǎn)速變化對(duì)機(jī)械密封的影響

案例三：2011年11月，西南管道HC站（輸油站代號(hào)，下同）4#主輸泵（由變頻器控制頻率的變頻泵）發(fā)生非驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封泄漏。經(jīng)公司搶維修中心機(jī)械、電氣、安全及調(diào)度各專業(yè)調(diào)查研究，認(rèn)為HC站4#變頻泵機(jī)械密封損壞與電機(jī)軸承機(jī)構(gòu)（滑動(dòng)軸承）、頻率的頻繁調(diào)節(jié)及缺少國產(chǎn)密封的使用經(jīng)驗(yàn)等因素有關(guān)。

原因：變頻電機(jī)在啟動(dòng)或調(diào)頻變速過程中產(chǎn)生前后推拉的軸向力。機(jī)械密封的靜、動(dòng)環(huán)端面密封在頻繁調(diào)頻產(chǎn)生的不規(guī)則規(guī)律的軸向力作用下，受壓摩擦過熱、靜環(huán)發(fā)生熱脆裂，完全失去密封作用，導(dǎo)致油品泄漏。

5.4 進(jìn)口與產(chǎn)品搭配的影響

由于進(jìn)口機(jī)械密封材質(zhì)、精度等方面優(yōu)于國產(chǎn)密封，進(jìn)口產(chǎn)品比國產(chǎn)產(chǎn)品的耐用性更好，抗沖擊能力更強(qiáng)，使用壽命更長(zhǎng)。因此，公司一般在重要受沖擊部位（例如變頻主輸泵）采用進(jìn)口機(jī)械密封，其余用國產(chǎn)機(jī)械密封。

6 結(jié)語

通過對(duì)機(jī)械密封的原理、結(jié)構(gòu)、選用要求分析與實(shí)際運(yùn)用相結(jié)合分析，可以得知輸油站主輸泵機(jī)械密封失效的主要原因是運(yùn)行磨損、直接影響因素有工況變化，間接因素有振動(dòng)導(dǎo)致的機(jī)械密封沖洗管失效、節(jié)流孔板變形導(dǎo)致機(jī)械密封沖洗情況變化等。

因此，在設(shè)備管理中，需要合理選用分配國產(chǎn)、進(jìn)口機(jī)械密封；合理使用變頻器，使其在特定頻率范圍內(nèi)工作，減少對(duì)機(jī)械密封的沖擊；減少輸油泵振動(dòng)，減輕對(duì)機(jī)械密封沖洗管的影響；定期檢查機(jī)械密封沖洗管，防止出現(xiàn)堵塞；及時(shí)發(fā)現(xiàn)、更換變形的節(jié)流擋板。

[1]王汝美.使用機(jī)械密封技術(shù)問答[M].北京：中國石化出版社，2004.

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