碳酸鈉泵用機械密封的失效分析及改進措施

袁如彬

（大慶煉化公司聚合物一廠，黑龍江 大慶 163411）

1 運行現狀

中控裝置碳酸鈉輸料系統負責為下游裝置提供原料，整個系統由溶解罐、泵前過濾器、輸料泵、精密過濾器、貯罐等組成，輸料泵負責碳酸鈉溶解的轉移。碳酸鈉輸料泵型號100PHP—B315—20，2012年投運，機封運行時頻繁出現泄漏現象，使用壽命平均在2900小時左右，遠低于機械密封（單端）正常使用壽命8000小時的要求。

碳酸鈉輸料泵輸送介質為碳酸鈉溶液，含有顆粒物，原密封為單端面密封，一旦密封泄漏，介質會直接泄漏到大氣中，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險。為達到介質完全無泄漏、提高設備運行周期、減少維修風險的目的，進行攻關試驗改造。

2 失效分析

通過對失效機械密封進行解體檢查發現，基本上都是由于動/靜環摩擦副受破壞、密封原件損壞而引起的，結合使用工況分析引起機械密封失效的因素如下有。

（1）工作介質中有顆粒狀物質，運轉中進入摩擦副，擦傷動靜環密封端面。碳酸鈉輸料泵輸送介質為碳酸鈉溶液，隨著溶液溫度變化易產生結晶體，同時碳酸鈉溶液中含有一定量的雜質（罐底雜質和原料自帶雜質），結晶顆粒和雜質進入密封端面起研磨劑的作用，使密封端面發生劇烈磨損，產生溝紋，造成機械密封失效。

（2）彈簧無法調整動環的軸向串動量。由于沒有沖洗水，傳動座內在彈簧周圍的淤積雜質（結晶析出的碳酸鈉），堵塞彈簧，使彈簧不能補償，造成泄漏。

（3）兩個密封端面失去潤滑膜造成機械密封失效。泵機封冷卻水停用后，摩擦熱不能及時導走，摩擦副溫度高，密封端面間易汽化，使得密封端面液膜發生閃蒸，喪失潤滑，造成機械密封失效。

（4）由于腐蝕引起機械密封失效，密封面、O形圈出現點蝕。

（5）由于高溫效應產生的機械密封失效，泵機封冷卻水停用后，摩擦熱不能及時導走，導致石墨環面出現徑向裂紋，輔助密封件O形圈磨損或斷裂造成機械密封失效。

3 改進措施

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

3.1 操作維護

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

3.2 機械密封改造

改造后的機械密封采用符合API682—2004規定的雙密封，選用布置方式2（無壓串聯雙密封），密封結構選擇A型標準推環式密封。具體如下。

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

（2）密封結構的選擇。兩級密封均選用小彈簧結構。針對介質含有顆粒物的情況，對一級密封選取四川日機密封特有的CM020B系列“彈簧保護式”結構，既節約徑向尺寸空間，又將一級密封彈簧與介質完全隔絕開，只與循環水接觸，避免堵塞風險。平衡型機械密封端面所受作用力隨介質壓力的升高而升高的斜率小于1，非平衡型機械密封的升高斜率大于1，可以直觀的理解為，密封腔內動環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的為非平衡型機械密封，小于1的則為平衡型機械密封，如圖1所示。對非平衡型機械密封，在介質壓力較高的情況下，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構，起到一旦一級密封大量泄漏時，可以承擔全部的介質壓力，給現場操作留足時間處理。

（3）密封材料的選擇。針對介質含有顆粒物，且呈強堿性的特性，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，增強密封性能。石墨環采用優質的進口石墨（東洋碳素、美國摩根或德國產品），彈簧采用哈氏合金C—276，輔助密封圈選用進口美國杜邦產品。

（4）密封具體參數的設計。兩級密封均選用四川日機密封經過多年驗證的成熟產品結構，具體參數也針對現場實際情況做些調整，以更加適應現場工況，見圖2。

圖1 平衡型和非平衡型機械密封結構

圖2 機械密封結構示意圖

4 結語

碳酸鈉輸料泵經過操作維護優化和機械密封改造后，機械密封故障率明顯下降，使用壽命大于24000小時，達到了介質無泄漏、降低維修風險的目的。從中也可以看出，石油化工用離心泵在科學分析運行工況、介質特點后正確選擇密封結構，合理選擇密封材料在內的相關配置及輔助系統，可以保證密封的長周期可靠運轉。