催化油漿泵密封失效分析及對策

孟德明

摘要：本文主要敘述了我公司為廣東某煉油廠解決催化裂化裝置用油漿泵機械密封泄露的問題。

關鍵詞：機械密封結構 波紋管 失效 懸浮物

由于泵送介質（油漿）溫度高（360℃左右），密度大，且含有催化劑等固體顆粒，顆粒堅硬且易聚集，其中催化劑顆粒含量大于11g/l，密封端面磨損嚴重，甚至產生熱裂現象;國內某公司生產的DBM95型機械密封波紋管處雜質（催化劑顆粒，主要成分為Al2O3和SiO2）沉積嚴重，出現彈性失效現象。平均使用周期僅為20天左右，成為裝置安全生產的隱患。本文著重從密封工況對機械密封的影響，探討解決該設備隱患的方法。

一、原密封系統結構剖析

1結構形式及材料

原機械密封形式為波紋管集裝式機械密封。該機封靜環材質為碳化硅（SiC），動環材質為石墨，動環輔助密封圈材質為柔性石墨，其余各材料為不銹鋼。

2原機械密封的輔助系統

該泵的機械密封采用了外沖洗結構。沖洗液（30℃臘油，沖洗液壓力為0.6Mpa）經機封壓蓋進入密封腔，對密封端面進行沖洗，帶走摩擦熱，隔斷油漿進入密封腔，改善端面摩擦狀態。

二、原機械密封主要失效原因分析

通過數次檢修及對原機械密封的解剖分析，發現引起機械密封熱裂失效泄漏的原因主要有以下幾個方面：

原因一：泵送介質，即油漿中懸浮物主要為催化劑顆粒、重質產物以及鹽類聚集物。催化劑顆粒主要為Al2O3及SiO2，硬度大且易粘附在機封表面上。工藝人員雖采取了多方調整包括從分餾塔中注入油漿阻垢劑，仍不能阻止催化劑顆粒混入油漿中。拆檢時發現機泵入口過濾器堵塞現象嚴重，對已損壞的機封統計分析，靜環密封面均較好，而所有動環密封面整體均有不同程度損傷，且多數產生端面裂紋現象。這是主要因為油漿中懸浮物進入了密封端面，劃傷了動環密封面，并破壞了液膜的連續性，從而引起泄漏。正常密封時，密封面處于邊界潤滑或半液體潤滑狀態，兩表面被一層具有分層結構和潤滑性能的邊界膜分開，當密封面間混有催化劑顆粒或動環密封面上有磨損時，兩密封面間液膜厚度明顯增厚。

原因二：由于波紋管與軸套間隙較小，懸浮物易在波紋管表面上聚集粘附，使波紋管不能進行軸向拉伸壓縮，失去彈性。這樣，波紋管就無法提供隨介質壓力變化的軸向作用力，起不到補償作用，使端面液膜壓力減小，造成液膜反壓系數下降，以致于端面比壓下降，引起密封失效。

原因三：動環輔助密封圈采用柔性石墨，靠緊固套壓縮密封。柔性石墨易受高溫老化、介質聚合粘結，與軸套之間磨損和腐蝕等因素影響，降低密封性能;同時軸套、固定環及動環基座三者的加工尺寸偏差也影響柔性石墨的密封性能。維修中動環不易安裝，且動環水平度難以保證，影響動靜環密封面間的貼合程度，延長機械密封磨合期。檢修完畢后，機泵預熱投備用時，經常發現軸套外側介質滴漏，維修人員無法判斷介質泄漏途徑是從摩擦副間泄漏或從波紋管尾座與軸套間配合處泄漏或者兩者兼而有之。

原因四：機械密封壓蓋中的沖洗孔孔徑偏小，易被催化劑顆粒堵死，造成沖洗量受到限制。入口壓力波動時，封液可能無法進入密封腔，使密封腔內充滿油漿。摩擦副運行工況變得極為惡劣，縮短了機械密封的使用壽命。

綜上所述，由于原機械密封沖洗系統的局限性，部分介質油漿進入密封腔中，催化劑顆粒粘結在沖洗口的周圍，使沖洗液流量減少，造成油漿更多的進入密封腔內，形成惡性循環。最終導致沖洗孔堵塞，沖洗液中斷，摩擦副溫度升高，動環因此產生熱應力裂紋。密封腔內油漿中催化劑顆粒結焦，造成波紋管彈力減少，動環失去軸向補償作用。另一方面，催化劑顆粒進入摩擦副密封表面之間。因動環材質為石墨材料，其硬度低于催化劑顆粒硬度。動環面造成劃傷，進一步增大密封間隙，導致機械密封失效。

三、改造對策及措施

1 該機泵機械密封失效的主要原因為磨料（主要為催化劑顆粒）磨損。磨料顆粒尺寸為 0.3～3μm時，磨損最為嚴重。針對磨料磨損，防止外來磨料進入密封和從密封流體中分離出固體磨粒是非常重要的措施。此外，正確選用耐磨材料和采用硬-硬材料組合也是很有效的措施。因此，簡單經濟地改變機封輔助備件結構形式，減少進入密封腔的油漿量，改善運行工況;并選用DBM95A型波紋管機械密封替代原DBM95型波紋管機械密封，以期解決該設備的隱患。

2 本文認為，在保證波紋管壓縮量的情況下，將波紋管的尾座與軸套制成一體，確保密封面的垂直度，即軸套增設一法蘭凸臺，，使得動環背部軸向密封強行變成徑向密封，減少密封泄漏途徑，避免波紋管組件重復調整和密封圈的損壞，確保機封密封性能的可靠性和一次組裝成功率，降低安裝難度和強度。

3 沖洗系統

3.1沖洗通道

在外界沖洗系統不變的情況下，將沖洗通道孔徑由原Φ5擴大至Φ8。一方面沖洗液不致于流速過大，使磨擦副受到侵蝕磨損;另一方面可使沖洗液流動更暢通，避免催化劑顆粒粘結堵塞通道，及時帶走摩擦熱，防止端面過熱，保證機封長壽命運行。

可見，增設底套后，進入密封腔的油漿量大為減少。

3.2 提高沖洗液壓差

因冷卻水壓力基本不變（0.39-0.44Mpa），要改變并不現實。故此只有改變封油壓力，將沖洗液壓力提高至0.7Mpa，使沖洗液與油漿壓差維持在0.25-0.3Mpa。這樣沖洗液在入口壓力波動情況下依然能進入密封腔中，隔斷油漿進入密封腔，冷卻摩擦副，改善運行工況。

3.3? 機封組件

3.3.1端面材質改型

摩擦副中動環材質選用表面噴涂氧化鉻（Cr2O3），靜環材質選用YG6，該配合屬于“硬質合金—硬質合金”形式。由于二者硬度不同，可防止動靜環密封面同時損傷，也避免了產生熱裂現象。這樣，即使少量催化劑顆粒混入摩擦副之間，也因摩擦副的耐磨性，摩擦副也不易產生劃傷，從而保證了密封效果。

3.4效果

改造前該機泵有效運行時間僅為20天左右。最長運行一個月，最短僅為一個星期的時間。2006年10月改造后，連續運行最長累積可達6000小時。其間經過長周期高負荷運行和頻繁的切換運行而無泄漏故障，可見，這次改造措施是相當成功的。

四、結論

面對該油漿泵頻繁的故障檢修，本文針對影響機封壽命的不良因素，采取有效的改造措施，確保了油漿泵的安穩運行：

1 在沖洗系統結構不變的情況下，將機封壓蓋上的沖洗孔孔徑適當加大，使得催化劑顆粒不易粘結堵塞沖洗通道。

2 摒棄動環輔助密封圈。將軸套與固定環制成一體，使軸向密封與徑向密封合二為一，軸向密封強行變為徑向密封。從而減少了泄漏途徑，降低了檢修難度和強度。

3 軸套尾部增設底套。底套與軸套相配合，形成迷宮間隙。從而阻止油漿中的催化劑顆粒進入密封腔，改善機械密封的運行工況，防止摩擦副因雜質磨料磨損。

4 將摩擦副材質改為硬質合金，即“硬質合金—硬質合金”的形式。增加了摩擦副的耐磨性，避免摩擦副間混入少量雜質而受到劃傷損壞;動靜環硬度不同，避免兩者同時損壞，達到延長機械密封使用周期的目的。

改造后該機泵能夠長周期安穩運行，說明這次改造是成功的。