高壓貧氨液泵機(jī)械密封失效分析及改造方案

羅 華

（川東北天然氣項(xiàng)目設(shè)備管理部，四川宣漢 636150）

0 引言

石化行業(yè)普遍使用甲基二乙醇胺（MDEA）水溶液進(jìn)行煉廠氣和天然氣的脫硫凈化處理[1]，該介質(zhì)經(jīng)過工藝循環(huán)后通常含有部分硫化氫等有毒有害易燃?xì)怏w，甚至還含有部分顆粒固體物質(zhì)，這對機(jī)械密封的性能穩(wěn)定性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，導(dǎo)致對機(jī)械密封的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

1 川東北天然氣項(xiàng)目高壓貧氨液泵介紹

1.1 泵設(shè)備

川東北天然氣項(xiàng)目（位號：P-070602）采用的是法國克萊德（FRANCE CLYDE）臥式多級泵。自該設(shè)備進(jìn)入現(xiàn)場安裝調(diào)試以來，機(jī)械密封（國外進(jìn)口）頻繁出現(xiàn)泄漏，密封生產(chǎn)廠家多次派遣專業(yè)技術(shù)人員到現(xiàn)場服務(wù)、維修后，仍然不能完全解決泄漏問題。該泵的主要性能參數(shù)如下，泵型號：DVMX/4.6.10.C/HOR/8 STAGE 臥式多級泵（8 級），泵入口壓力：12.7 BARG，泵出口壓力：74 BARG，溫度：40 ℃NORM/80 ℃MAX，密封腔壓力：13.2 BARG，介質(zhì)：氨液（含硫化氫和二氧化碳），轉(zhuǎn)速：2980 r/min。從上述工況條件來看，該設(shè)備屬于高危泵范疇，機(jī)械密封需要配置為符合API682 標(biāo)準(zhǔn)的集裝式雙端面機(jī)械密封。

1.2 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)及輔助系統(tǒng)

該泵配置的機(jī)械密封及輔助沖洗系統(tǒng)為美國進(jìn)口，密封結(jié)構(gòu)布置采用復(fù)合API682 標(biāo)準(zhǔn)的背對背（BACK TO BACK）設(shè)計(jì)。為了便于討論，將應(yīng)用在該位號的機(jī)械密封內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化如圖1 所示。密封沖洗方案：API PLAN 11 自沖洗內(nèi)密封和API OLAN53B 加壓沖洗外密封。

圖1 貧氨液泵密封內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

2 機(jī)械密封泄漏原因分析

該機(jī)械密封為彈簧推進(jìn)式集裝密封，設(shè)備運(yùn)行初期，平均30 天需要更換一次密封，密封失效現(xiàn)象表現(xiàn)為：P53 系統(tǒng)隔離液壓力無法保證壓力，平均每天補(bǔ)充隔離液一次，增加人工作業(yè)難度和強(qiáng)度；機(jī)械密封出現(xiàn)外漏現(xiàn)象，先是滴漏，最后成直線泄漏，并最終導(dǎo)致設(shè)備停車。

2.1 機(jī)械密封拆解后檢查失效現(xiàn)象

該密封為集裝式，安裝日期是2018 年7 月1 日，安裝位置P-070602 驅(qū)動端，停泵時(shí)間2018 年8 月3 日。運(yùn)行時(shí)間約30天。將密封繼續(xù)拆解，對拆卸下來的零件仔細(xì)拍照記錄并把發(fā)現(xiàn)的異常點(diǎn)對應(yīng)到密封裝配圖的位置，如圖2 所示的對應(yīng)關(guān)系并對異常點(diǎn)說明如下。

圖2 密封拆解失效現(xiàn)象

（1）Pic 1。內(nèi)密封靜環(huán)表面有磨痕，密封腔內(nèi)有顆粒雜質(zhì)。

（2）Pic 2。內(nèi)密封補(bǔ)償環(huán)面磨損。

（3）Pic 3。外密封傳動套附著顆粒雜質(zhì)。

（4）Pic 4。外密封靜環(huán)密封面磨損。

（5）Pic 5。內(nèi)密封動環(huán)與軸套之間有顆粒雜質(zhì)。

（6）Pic 6。軸套與內(nèi)外密封的動環(huán)O 形圈接觸位置磨損，與靜環(huán)內(nèi)孔有接觸磨痕。

（7）Pic 7。導(dǎo)流套內(nèi)外表面黑色雜質(zhì)顆粒物，有輕微接觸磨痕。

（8）Pic 8。外密封動環(huán)密封面磨損、內(nèi)圓崩邊、動環(huán)有皰疤現(xiàn)象。

從對應(yīng)關(guān)系圖上發(fā)現(xiàn)，該密封失效的主要原因集中在輸送的介質(zhì)有顆粒雜質(zhì)，O 形圈與金屬件都有物理損傷，密封面出現(xiàn)皰疤，密封面出現(xiàn)崩邊，有磨損現(xiàn)象。

2.2 密封失效原因分析

2.2.1 直接原因

（1）介質(zhì)原因。介質(zhì)側(cè)密封由于P11 沖洗方案的工藝介質(zhì)直接來自泵的出口且含有固體顆粒物，容易大量淤積，使彈簧失效，動環(huán)不能有效補(bǔ)償，使得摩擦副端面處泄漏

（2）結(jié)構(gòu)原因。大氣側(cè)密封摩擦副附近產(chǎn)生的熱量未被有效帶離密封腔體，導(dǎo)致密封腔內(nèi)溫度上升，使動靜環(huán)摩擦副磨損增大，出現(xiàn)皰疤，也使輔助密封圈在高溫下逐漸發(fā)生塑性變形并老化失效而導(dǎo)致泄漏

2.2.2 進(jìn)一步分析原因

除了從密封本身上面檢查失效原因以外，將密封的使用環(huán)境也作為觀察對象進(jìn)行分析。

（1）檢查密封輔助系統(tǒng)的換熱器進(jìn)出口溫度經(jīng)過測量記錄，發(fā)現(xiàn)變化不大，冷卻效果不好。這可能是由于冷卻方式（風(fēng)冷）選擇不當(dāng)造成的。川東北天然氣項(xiàng)目位于高山丘陵地區(qū)，進(jìn)入夏季氣候多酷暑且少風(fēng)，可以考慮采用強(qiáng)制性的水冷循環(huán)方式提高換熱效果。

（2）檢查密封輔助系統(tǒng)的管路安裝，發(fā)現(xiàn)使用了較多的彎頭，且沒有排氣閥門，容易在管線內(nèi)形成氣阻力，影響密封隔離液的循環(huán)，密封腔的熱量不能及時(shí)帶走，從而導(dǎo)致密封面溫度過高，出現(xiàn)皰疤現(xiàn)象。

3 機(jī)械密封解決方案及改進(jìn)措施

通過上述分析，將密封及沖洗系統(tǒng)作為整體的改進(jìn)對象，同時(shí)考慮到設(shè)備運(yùn)行受到的環(huán)境影響，重點(diǎn)研究改善密封面的導(dǎo)熱效果及沖洗系統(tǒng)的換熱效果，具體改造內(nèi)容如下。

（1）沖洗系統(tǒng)管線分布。沖洗系統(tǒng)的管線在進(jìn)入密封腔體時(shí)的結(jié)合處有90°直角彎頭，將增加管道阻力，嚴(yán)重影響隔離液的流通，進(jìn)而降低沖洗系統(tǒng)換熱效果。改造前后的對比效果如圖3 所示。

圖3 沖洗管線改造前后對比

（2）沖洗系統(tǒng)采用潔凈的沖洗液。對介質(zhì)側(cè)的密封沖洗液，在P11方案管線上面增加一個(gè)懸液分離器（圖4），去除工藝介質(zhì)中的顆粒雜質(zhì)，避免對內(nèi)密封面的損壞。

圖4 懸液分離器工作示意

（3）增加手動盤車，去除密封腔體內(nèi)的氣體。在設(shè)備啟動前，增加人工手動盤車的工序，可以有效確保陷在密封腔體內(nèi)的氣體，從而避免在密封摩擦副上面形成干磨，出現(xiàn)石墨皰疤和高溫崩邊，保證密封正常穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）改善換熱器效率。在改造前，沖洗系統(tǒng)使用的是空氣自然冷卻方式，換熱效果較差。考慮到環(huán)境因素的變化，尤其是在夏季高溫室外環(huán)境下，這種被動的空氣自然冷卻效果將大幅降低甚至完全不起作用。因此，改造后采用了主動供水冷卻的換熱方式，將能極大地提升換熱效果。

4 密封改造效果及結(jié)論

通過實(shí)施上述改造內(nèi)容并經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行磨合，密封失效發(fā)生泄漏現(xiàn)象完全消失，設(shè)備運(yùn)及系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，證明對密封失效原因的分析是完全正確的，改造也是成功的。

機(jī)械密封選型除了滿足通用技術(shù)條件和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外，還需要特別注意和重視密封的現(xiàn)場工作環(huán)境以及密封輔助系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。密封廠家和最終用戶往往因?yàn)闆]有準(zhǔn)確把握這一原則而導(dǎo)致密封選型出現(xiàn)失誤，另外，密封選型本身就是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在考慮解決方案時(shí)，要敢于打破思維局限，勇于挑戰(zhàn)技術(shù)權(quán)威，這為今后進(jìn)一步平穩(wěn)推進(jìn)密封國產(chǎn)化改造提供了新的思路和方法。