ACH循環(huán)泵機(jī)械密封失效情況分析及改進(jìn)

張濤

摘要：對(duì)ACH循環(huán)泵的機(jī)械密封的失效原因進(jìn)行了分析，并對(duì)其進(jìn)行了改型，提高了設(shè)備運(yùn)行壽命，取得了良好的成效。

關(guān)鍵詞：雙端面機(jī)械密封;失效分析;改進(jìn)

前言

目前在很多企業(yè)中，當(dāng)輸送介質(zhì)為劇毒介質(zhì)時(shí)，機(jī)泵的密封一般不會(huì)采用機(jī)械密封，而采用干氣密封或者干脆就是無(wú)軸封機(jī)泵和磁力泵。這在某公司美國(guó)工廠和高雄工廠都可以看到。在2004年某公司中國(guó)工廠籌建的時(shí)候，ACH循環(huán)泵型號(hào)采用FLOWSERVE ANSI標(biāo)準(zhǔn)的MARK3離心泵，機(jī)械密封構(gòu)造設(shè)計(jì)并沒(méi)有參照美國(guó)博蒙特工廠的干氣密封型式或者采用無(wú)軸封泵，而是采用的雙端面機(jī)械密封，并采用API53A沖洗方案，外部加壓氣源為氮?dú)猓瑳_洗介質(zhì)為68號(hào)礦物油。在開(kāi)工后的幾年中，機(jī)械密封陸續(xù)出現(xiàn)了一些問(wèn)題，正常運(yùn)行周期不超過(guò)3個(gè)月。該泵設(shè)計(jì)為單泵運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有安裝備用泵供緊急切換。每次修理該泵，ACH裝置都必須停車，因而不能接受上游丙烯腈裝置的氫氰酸，既造成了原料浪費(fèi)，又對(duì)環(huán)境造成污染，影響較大。

設(shè)備參數(shù)

泵型號(hào)：3K8×6–16RV M3 ST;介質(zhì)：粗品丙酮氰醇;操作溫度：30～60℃;操作流量：310～330M3/h;額定流量：447M3/h;揚(yáng)程：22.6M;入口壓力：0.24barG;出口壓力：2.16barG;電機(jī)功率：45KW;轉(zhuǎn)速：1450 RPM;機(jī)械密封：FLOWSERVE RO 3”雙端面機(jī)械密封;沖洗方案：API53A。

損壞狀況

在泵正常運(yùn)行時(shí)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，沖洗液儲(chǔ)罐外壁溫度很低，接近機(jī)械密封壓蓋處的沖洗液進(jìn)出口管道卻很燙。機(jī)械密封壓蓋表面溫度高達(dá)95℃。損壞的機(jī)械密封經(jīng)去污后解體，密封壓蓋處有許多黑色焦炭粉狀物質(zhì)（見(jiàn)照片C），外側(cè)密封動(dòng)環(huán)密封面有裂紋。內(nèi)側(cè)密封靜環(huán)O型環(huán)嚴(yán)重碳化，可輕捻成粉末狀。繼續(xù)解體還發(fā)現(xiàn)，在泵效環(huán)周邊也附著一層該種黑色焦炭粉狀物質(zhì)（見(jiàn)照片D）。可以斷定，該黑色物質(zhì)即密封O型環(huán)經(jīng)過(guò)高溫后的產(chǎn)物。

原因分析

機(jī)械密封及壓蓋沖洗孔相對(duì)位置如下圖5、6所示：

機(jī)械密封壓蓋及隔離液進(jìn)出管道溫度很高，而隔離液儲(chǔ)罐外壁的溫度低，說(shuō)明隔離液沒(méi)有在機(jī)械密封腔和儲(chǔ)罐之間建立起良好的循環(huán)。機(jī)械密封內(nèi)的各級(jí)密封O環(huán)材質(zhì)為氟橡膠，長(zhǎng)時(shí)間地處在過(guò)熱的密封腔中，性質(zhì)很容易發(fā)生變化，失去密封效果。由于采用的是API53A沖洗系統(tǒng)，外接壓力會(huì)將隔離液加壓至高于密封腔壓力1.5巴（2.3磅/英寸2）[1]，在外接壓力的作用下，隔離液會(huì)向泵送介質(zhì)側(cè)泄漏。當(dāng)隔離液完全泄漏后，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間不再存有液膜，摩擦副發(fā)生干磨，會(huì)產(chǎn)生更大的熱量，使氟橡膠密封O環(huán)加劇碳化，并進(jìn)而碎斷或粉化。

密封腔內(nèi)溫度較高，這可能有以下幾個(gè)方面的原因：①機(jī)泵密封腔內(nèi)的泵效環(huán)在機(jī)泵轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，能力不高，不足以帶動(dòng)足夠循環(huán)量的隔離液，使機(jī)械密封腔得不到足夠冷卻換熱;②進(jìn)出機(jī)械密封腔的隔離液管路過(guò)于彎曲，過(guò)長(zhǎng)，使管路阻力很大，熱虹吸效果差，導(dǎo)致隔離液循環(huán)不夠通暢;③密封壓蓋下進(jìn)上出的沖洗孔設(shè)計(jì)減少了機(jī)械密封腔的換熱幅度。

改造方案

根據(jù)以上損壞原因分析，有以下幾種改造方案：

機(jī)械密封改型。原有泵效環(huán)的能力不足以使隔離液建立正常循環(huán)，可采用螺旋推進(jìn)式的泵效環(huán)予以代替，優(yōu)化隔離液管路，使隔離液在機(jī)械密封腔和儲(chǔ)罐之間能真正循環(huán)起來(lái)。這種改造方案較為簡(jiǎn)潔，外圍不需要增加額外設(shè)施。如下圖7所示。為了安裝新式機(jī)械密封，需要將密封腔上的孔由3/8英寸，擴(kuò)大為1/2英寸（下圖中的BI口）。隔離液管路尺寸也相應(yīng)增加。

改變泵效環(huán)，一并將機(jī)封壓蓋也改造，沖洗孔由下進(jìn)上出改為上進(jìn)切線出，如圖8所示。這樣也可以降低隔離液的阻力，改善熱虹吸效果，加強(qiáng)隔離液循環(huán)。

外部隔離液管加裝循環(huán)小泵，加強(qiáng)隔離液循環(huán)。

根據(jù)改造所需要的費(fèi)用由低到高的原則，先采用5.1方案，如果沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果，可以結(jié)合5.2、5.3方案。

改造試驗(yàn)及效果

根據(jù)5.1方案改動(dòng)的新型機(jī)械密封于2017年1月4日安裝至此機(jī)泵上，并進(jìn)行了試車。開(kāi)車后，機(jī)械密封壓蓋的溫度保持在60℃以下，隔離液儲(chǔ)罐外壁溫度比改造前升高許多，這說(shuō)明機(jī)械密封腔內(nèi)的熱量被隔離液帶至儲(chǔ)罐，建立起了正常循環(huán)。至今，機(jī)械密封壽命已經(jīng)超過(guò)了26個(gè)月，使用狀況仍然良好。在工廠停車檢修時(shí)，為了保證設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行，該機(jī)械密封被拆下進(jìn)行解體檢查，O型環(huán)及動(dòng)靜環(huán)狀態(tài)都不錯(cuò)，這說(shuō)明本次改造達(dá)到了預(yù)期效果。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本次技術(shù)改造可為公司帶來(lái)大約每年一百萬(wàn)元人民幣的經(jīng)濟(jì)效益，所以獲得了該公司評(píng)選的年度最佳建議獎(jiǎng)。

結(jié)論

機(jī)械密封腔過(guò)熱，會(huì)造成密封O型環(huán)失效，大大影響機(jī)械密封的壽命。而機(jī)械密封隔離液循環(huán)不暢通，使密封腔得不到有效冷卻，是機(jī)械密封損壞的根本原因。

可以通過(guò)加強(qiáng)隔離液的循環(huán)的方法，降低密封腔內(nèi)的溫度，繼而延長(zhǎng)機(jī)械密封壽命

機(jī)械密封的安裝及調(diào)節(jié)的正確與否對(duì)機(jī)械密封使用壽命也有很大影響。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，為了不使該設(shè)備的損壞對(duì)環(huán)境及公司經(jīng)濟(jì)效益造成巨大影響，安裝備用設(shè)備是提高工廠運(yùn)行可靠性的最佳選擇。

參考文獻(xiàn)

API 682–2002.美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)[S].