氨輸送泵機械密封泄漏的原因及改進措施

姬島州，寧 靜

（中海石油化學有限公司，海南東方 572600）

1 概述

中海石油化學股份有限公司二期合成裝置氨輸送泵（2101J），結構為立式9級葉輪泵，A/B泵配置，由電機驅動；泵的軸總長約6m，葉輪在泵的下端，形成懸臂梁的不穩定結構，泵的軸端密封采用國內某公司制造的機械密封，為彈簧式兩級串聯結構，一級密封在內側，采用輸送介質回流冷卻密封；二級密封在外側，采用甲醇冷卻密封，甲醇來自外置高位貯槽。氨輸送泵的主要作用是把來自氨罐（2201A/B）的常壓液氨（-33℃）經氨輸送泵提壓至2.78MPa，輸送至氨預熱器。該泵的詳細參數如表1所示。

表1 氨輸送泵詳細參數

2 氨輸送泵運行及檢修情況

該泵自原裝機械密封國產化以來，一直運行不穩，機械密封泄漏故障較為頻繁，檢修頻率較高，近兩年尤為嚴重。據統計，該泵在2017年5月至2018年5月總共檢修7次，均為機械密封泄漏故障。由于氨輸送泵并非常開設備，在需要降低氨罐液位或提高尿素裝置負荷情況下才運行該泵，平均每月開停車兩次，運行總時長約200h，平均每套機封運行不足400h就發生泄漏，因此如何解決氨輸送泵的頻繁泄漏，成為生產中亟待解決的問題。

3 機械密封泄漏原因分析

3.1 靜環密封圈結構及材質選用不當

經過多次對機械密封的故障拆檢，發現靜環密封圈損壞嚴重，原密封圈為包覆型，包覆材料為聚四氟乙烯，內部O形圈為丁晴橡膠。由于密封圈包覆層太硬，彈性比較差，包覆層和內部的橡膠存在間隙，在安裝時過壓容易變形，且易壓扁或安裝不到位；在過壓情況下容易損壞包覆層，導致密封失效；在低溫情況下，受壓的包覆材料更易老化破裂，破裂后內部丁晴橡膠密封圈將直接被腐蝕，最終引起泄漏。

3.2 靜環強度差，不耐磨、易碎

原靜環材質為石墨+硬質合金（鈦材），鑲裝式結構，該材質有良好的潤滑性能，摩擦系數較低，耐磨性好，但是強度低、彈性模量變量小，再加上鑲裝式結構，輸送冷氨介質時溫度較低，容易發生變形脆裂。

3.3 軸套軸向位移

氨輸送泵停機運行時檢查，發現機械密封軸套有向下位移，約1.5mm，軸套向下位移后，一級密封壓縮量隨之減小，二級密封壓縮量增大，最終導致一級泄漏。

3.4 機械密封端面比壓過大

氨輸送泵在運行周期較短的情況下，動靜摩擦副也出現不同程度磨損，動環表面產生輕微的溝槽，靜環座內側也附著許多從靜環上磨損下來的粉末。

從機械密封拆解來看，密封端面磨損主要是由于干摩擦所造成。經分析，由于機械密封端面比壓過大，在運行中，端面產生的熱量較高，而液氨在常壓下沸點較低，動靜環在運行中端面所產生的液膜在高溫下發生汽化，摩擦副由液膜摩擦轉變為干摩擦，致使密封磨損而造成泄漏。

3.5 機械密封一級密封結構不合理

原機械密封一級密封為多彈簧式結構，輔助密封為動環內的密封圈，該密封圈不但要起到動環與軸的密封作用，還要求必須有較好的浮動性，而這兩者間又存在矛盾共存關系，如果密封圈與軸套貼合太緊，動環浮動性就要降低，如果貼合不緊，則容易泄漏。此外密封圈在低溫下又容易降低彈性，影響使用性能。

3.6 機械裝配不良，氨輸送泵操作運行不正確

氨輸送泵機械密封為彈簧式兩級串聯結構，結構較為復雜，在安裝過程中容易造成裝配不良；各零部件容易受到損壞，摩擦副端面受到擦傷，輔助密封圈受到損傷等，這些裝配問題最終會導致安裝密封效果大大降低，失去密封作用。

由于氨輸送泵溫度較低，主軸及機械密封靜環座裸漏在外側，極易結冰冷凍，在運行該泵時需要對該泵進行解凍；另外，該泵一級密封采用外置甲醇密封，甲醇罐的壓力及液位偏低時，一級密封也容易泄漏。

4 改進措施

1）將原靜環密封材料整體改為乙丙橡膠，乙丙橡膠有良好的耐氨腐蝕性能，沖擊彈性和低溫性能也較好。

2）采用碳化硅硬質合金做機械密封靜環端面材質，碳化硅屬于工程陶瓷，化學穩定性很好，適用于強腐蝕介質，而且導熱系數高、膨脹系數小、在低溫下性能波動不大、耐磨性能好。經與機械密封廠家溝通，將氨輸送泵一級機械密封靜環材質由石墨改為碳化硅整體式結構，以增加靜環端面耐磨性。

3）原軸套鎖緊螺釘一共有6顆，其中3顆鎖緊軸，3顆鎖緊軸套，由于軸的鎖緊力不足，導致軸套移位；將鎖緊環上再增加3顆鎖軸螺釘，增大鎖緊力，改進后運行未發現軸向位移，效果良好。

4）為適應運行工況，結合該泵的具體條件，采取了2種措施來降低密封的端面比壓。①降低彈簧比壓，改變彈簧形式為波紋管式。②根據石油大學流體動密封研究室的實驗，在密封面上開圓弧槽可顯著提高液膜的承載能力，增加密封穩定性[1]。經與密封廠家溝通，僅在機械密封的石墨動環表面上加工了12個半圓形凹槽，增加凹槽后增強了端面液膜的承載能力，降低了端面比壓，并使密封的潤滑性能得到了改善，降低了摩擦副的摩擦因數，減少了端面的摩擦熱及由溫度升高引起的端面汽化現象，避免了干摩擦的出現。

5）將原機械密封一級密封改為焊接金屬波紋管結構，該結構中將輔助密封圈的滑動結構改為靜密封結構，不僅消除了一個動密封點，同時消除了動環輔助密封圈所產生的遲滯，為波紋管提供浮動性[2]。這樣既保證了動環的追隨性，又沒有輔助密封圈限制，密封壓力又更加均勻。

6）嚴把質量安裝關；機械密封的使用壽命與安裝質量密切相關，機械密封裝配過程中，不僅需要肉眼觀察，同時使用游標卡尺及深度尺對動靜環的安裝位置進行測量找正，要求偏差在0.1mm以內，對各零部件安裝時擦拭吹掃干凈，保證清潔度，對機械密封壓縮量嚴格控制在總壓縮量的60%，對安裝步驟嚴格按照要求進行；同時還要定期對檢修人員的技術培訓，從技術上提供有效保證。

在操作運行該泵時，嚴格按照工藝操作規程，實施崗位責任制，按時巡檢，精心操作，確保安全正常運行。

5 結束語

針對泵氨輸送泵機械密封的泄漏故障，對氨輸送泵機械密封一級密封進行多次改造工作，從材料、結構、設計等方面解決了一系列問題，最終徹底解決泄漏問題，改造至今，氨輸送泵已經正常運行超過12個月，基本實現無泄漏，實踐證明，氨輸送泵使用波紋管機械密封是成功的。可以達到長周期運行，減少了故障停車造成的損失，降低了設備檢修費用，最終達到運行要求。