碳酸鈉泵用機(jī)械密封的失效分析及改進(jìn)措施

袁如彬

（大慶煉化公司聚合物一廠，黑龍江 大慶 163411）

1 運(yùn)行現(xiàn)狀

中控裝置碳酸鈉輸料系統(tǒng)負(fù)責(zé)為下游裝置提供原料，整個(gè)系統(tǒng)由溶解罐、泵前過濾器、輸料泵、精密過濾器、貯罐等組成，輸料泵負(fù)責(zé)碳酸鈉溶解的轉(zhuǎn)移。碳酸鈉輸料泵型號100PHP—B315—20，2012年投運(yùn)，機(jī)封運(yùn)行時(shí)頻繁出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，使用壽命平均在2900小時(shí)左右，遠(yuǎn)低于機(jī)械密封（單端）正常使用壽命8000小時(shí)的要求。

碳酸鈉輸料泵輸送介質(zhì)為碳酸鈉溶液，含有顆粒物，原密封為單端面密封，一旦密封泄漏，介質(zhì)會(huì)直接泄漏到大氣中，并集聚在密封壓蓋處。碳酸鈉溶液具有刺激性和腐蝕性，直接接觸可引起皮膚和眼爍傷，給維修也帶來安全上的風(fēng)險(xiǎn)。為達(dá)到介質(zhì)完全無泄漏、提高設(shè)備運(yùn)行周期、減少維修風(fēng)險(xiǎn)的目的，進(jìn)行攻關(guān)試驗(yàn)改造。

2 失效分析

通過對失效機(jī)械密封進(jìn)行解體檢查發(fā)現(xiàn)，基本上都是由于動(dòng)/靜環(huán)摩擦副受破壞、密封原件損壞而引起的，結(jié)合使用工況分析引起機(jī)械密封失效的因素如下有。

（1）工作介質(zhì)中有顆粒狀物質(zhì)，運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)入摩擦副，擦傷動(dòng)靜環(huán)密封端面。碳酸鈉輸料泵輸送介質(zhì)為碳酸鈉溶液，隨著溶液溫度變化易產(chǎn)生結(jié)晶體，同時(shí)碳酸鈉溶液中含有一定量的雜質(zhì)（罐底雜質(zhì)和原料自帶雜質(zhì)），結(jié)晶顆粒和雜質(zhì)進(jìn)入密封端面起研磨劑的作用，使密封端面發(fā)生劇烈磨損，產(chǎn)生溝紋，造成機(jī)械密封失效。

（2）彈簧無法調(diào)整動(dòng)環(huán)的軸向串動(dòng)量。由于沒有沖洗水，傳動(dòng)座內(nèi)在彈簧周圍的淤積雜質(zhì)（結(jié)晶析出的碳酸鈉），堵塞彈簧，使彈簧不能補(bǔ)償，造成泄漏。

（3）兩個(gè)密封端面失去潤滑膜造成機(jī)械密封失效。泵機(jī)封冷卻水停用后，摩擦熱不能及時(shí)導(dǎo)走，摩擦副溫度高，密封端面間易汽化，使得密封端面液膜發(fā)生閃蒸，喪失潤滑，造成機(jī)械密封失效。

（4）由于腐蝕引起機(jī)械密封失效，密封面、O形圈出現(xiàn)點(diǎn)蝕。

（5）由于高溫效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)械密封失效，泵機(jī)封冷卻水停用后，摩擦熱不能及時(shí)導(dǎo)走，導(dǎo)致石墨環(huán)面出現(xiàn)徑向裂紋，輔助密封件O形圈磨損或斷裂造成機(jī)械密封失效。

3 改進(jìn)措施

通過以上五個(gè)因素分析可以看出，引起碳酸鈉輸料泵機(jī)械密封失效主要有三個(gè)方面原因：一是碳酸鈉結(jié)晶和雜質(zhì)對密封端面的損害；二是機(jī)封冷卻水對機(jī)械密封的影響；三是介質(zhì)特點(diǎn)對密封元件的損壞。根據(jù)這三方面因素，分別從操作維護(hù)和機(jī)械密封改造兩方面入手進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 操作維護(hù)

減少碳酸鈉原料里存在的雜質(zhì)對機(jī)械密封的影響，對每批原料采樣分析水不溶物含量、顆粒直徑等質(zhì)量指標(biāo)確保質(zhì)量合格，定期清理泵前過濾器和更換碳酸鈉精密過濾器濾芯，規(guī)范拆碳酸鈉粉劑的包裝袋，減少原料溶解產(chǎn)生的不溶物等雜質(zhì)進(jìn)入碳酸鈉大循環(huán)系統(tǒng)對機(jī)械密封造成的損害。消除罐底雜質(zhì)對機(jī)械密封的影響，目前碳酸鈉儲罐只有在3年一次的大檢修時(shí)才進(jìn)行清理，修改部分工藝流程后，使在用的兩個(gè)碳酸鈉儲罐能夠切換使用，每年定期對碳酸鈉儲罐進(jìn)行清理，減少罐底堆積的泥沙類雜質(zhì)對機(jī)械密封的影響。加強(qiáng)日常檢維修過程管控，維修單位在進(jìn)行更換機(jī)械密封作業(yè)時(shí)，保證無塵作業(yè)，加強(qiáng)質(zhì)量控制，避免人為因素對機(jī)械密封使用壽命帶來的影響。

3.2 機(jī)械密封改造

改造后的機(jī)械密封采用符合API682—2004規(guī)定的雙密封，選用布置方式2（無壓串聯(lián)雙密封），密封結(jié)構(gòu)選擇A型標(biāo)準(zhǔn)推環(huán)式密封。具體如下。

（1）沖洗方案的選取。原密封采用PLAN 11方案，針對現(xiàn)場實(shí)際情況（腔體尺寸狹窄，不利于散熱，且考慮到介質(zhì)不允許進(jìn)水的工藝要求），改造后選用11+55方案，即二級安全密封采用泵送循環(huán)的的常壓水作為緩沖液。PLAN 55系統(tǒng)中選擇工作容積為20L的儲罐（兩臺泵共用一個(gè)儲罐），儲罐設(shè)置補(bǔ)液口及排放口，并包含冷卻盤管。系統(tǒng)內(nèi)包含管道泵兩臺（一開一備），并另配管道泵兩臺作為隨機(jī)備件。

（2）密封結(jié)構(gòu)的選擇。兩級密封均選用小彈簧結(jié)構(gòu)。針對介質(zhì)含有顆粒物的情況，對一級密封選取四川日機(jī)密封特有的CM020B系列“彈簧保護(hù)式”結(jié)構(gòu)，既節(jié)約徑向尺寸空間，又將一級密封彈簧與介質(zhì)完全隔絕開，只與循環(huán)水接觸，避免堵塞風(fēng)險(xiǎn)。平衡型機(jī)械密封端面所受作用力隨介質(zhì)壓力的升高而升高的斜率小于1，非平衡型機(jī)械密封的升高斜率大于1，可以直觀的理解為，密封腔內(nèi)動(dòng)環(huán)的有效水力作用面積同密封摩擦副端面面積的比值大于1的為非平衡型機(jī)械密封，小于1的則為平衡型機(jī)械密封，如圖1所示。對非平衡型機(jī)械密封，在介質(zhì)壓力較高的情況下，因其端面作用力較大，密封面磨損較快，故只能用于低壓場合，一般最高壓力為0.5～0.7MPa，平衡型密封能夠降低端面上的磨損，承載能力相對較大，可用于高壓場合。考慮本次改造泵最高工作壓力1.2MPa，故二級安全密封則采用平衡型結(jié)構(gòu)，起到一旦一級密封大量泄漏時(shí)，可以承擔(dān)全部的介質(zhì)壓力，給現(xiàn)場操作留足時(shí)間處理。

（3）密封材料的選擇。針對介質(zhì)含有顆粒物，且呈強(qiáng)堿性的特性，一級密封采用“硬對硬”組合，即選用兩種硬度不同的硬質(zhì)合金作為摩擦副。二級密封則選取自潤滑性更好的“硬對軟”組合，即sic對石墨組合，增強(qiáng)密封性能。石墨環(huán)采用優(yōu)質(zhì)的進(jìn)口石墨（東洋碳素、美國摩根或德國產(chǎn)品），彈簧采用哈氏合金C—276，輔助密封圈選用進(jìn)口美國杜邦產(chǎn)品。

（4）密封具體參數(shù)的設(shè)計(jì)。兩級密封均選用四川日機(jī)密封經(jīng)過多年驗(yàn)證的成熟產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)也針對現(xiàn)場實(shí)際情況做些調(diào)整，以更加適應(yīng)現(xiàn)場工況，見圖2。

圖1 平衡型和非平衡型機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

圖2 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語

碳酸鈉輸料泵經(jīng)過操作維護(hù)優(yōu)化和機(jī)械密封改造后，機(jī)械密封故障率明顯下降，使用壽命大于24000小時(shí)，達(dá)到了介質(zhì)無泄漏、降低維修風(fēng)險(xiǎn)的目的。從中也可以看出，石油化工用離心泵在科學(xué)分析運(yùn)行工況、介質(zhì)特點(diǎn)后正確選擇密封結(jié)構(gòu)，合理選擇密封材料在內(nèi)的相關(guān)配置及輔助系統(tǒng)，可以保證密封的長周期可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。