丁烯-1泵機械密封失效原因分析及改造

文全國，蘇家軍，張艷全，張海春，王傳榮

（中國石油獨山子石化公司，新疆，獨山子833699）

某裝置共有13臺丁烯-1泵，為裝置重要設備，停運會致使工藝生產中斷甚至裝置局部停工［1］。丁烯-1泵運行一段時間后，頻繁出現了機械密封泄露現象，對裝置平穩運行及周邊環境造成了一定影響。如何徹底消除機械密封泄露故障，確保設備平穩運行，成為設備管理的焦點難題。

1 丁烯-1泵概況

丁烯-1泵為單級懸臂式離心泵，輸送介質為易燃易爆的丁烯-1［2］。泵基本結構見圖1，基本技術參數見表1。

圖1丁烯-1泵結構

表1泵基本概況

2 機械密封故障現象

2.1 密封型式

丁烯-1泵采用內裝式大彈簧平衡型結構機械密封，型號為U2125。該機械密封采用自沖洗方式，動環材質為硬質合金，靜環材質為碳石墨，結構見圖2［3］。

圖2 U2125機械密封結構

2.2 機械密封失效現象

丁烯-1泵機械密封失效后對泵進行拆檢，發現其失效主要集中在動環、靜環及密封圈等部位動環表面出現顏色發藍，發黑，出現裂紋等現象靜環部位出現偏磨，端面出現圓狀溝槽，破裂等現象；動環“U”型密封圈變形、碳化致使軸套密封部位拉出溝痕。失效現象見圖3、4、5、6。

圖4靜環面偏磨

圖5密封圈破損

圖6軸套溝槽

3 機械密封失效原因分析

3.1 介質易氣化

丁烯類介質屬于輕烴類，易氣化，當動靜密封面摩擦生熱導致密封面間液體氣化，破壞潤滑液膜最終造成機械密封動靜密封面干摩擦。干摩擦產生的熱量加劇了石墨環的磨損，致使動環破損、碎裂等。

3.2 工藝操作不穩定

泵在檢修完成后進出口管線閥門密封不良，部分丁烯類介質在泵腔內揮發。機泵啟動時，未嚴格執行排氣操作或是排氣不徹底，氣體進入密封腔、動靜密封面造成密封面處于干摩擦狀態，引起機械密封失效。此外介質揮發時吸熱，造成局部低溫，特別是冬季機械密封動靜密封面結冰。機械密封密封圈硬化、失彈，引起密封失效。前期出現機泵檢修完成后進行灌泵操作過程中出現機械密封泄露現象，但對泵解體后發現機械密封各部均完好，也是由于密封圈密封效果不佳造成。與此同時外界環境變化、工藝參數如壓力、溫度波動，亦或是工藝操作波動均會導致泵汽蝕抽空引起密封失效。

3.3 機械密封裝配不當未滿足技術要求

大彈簧平衡型結構機械密封裝配要求較高，再加之丁烯-1泵介質相比普通水泵、油泵較特殊，檢修人員為搶進度，對裝配各步驟把控不嚴、清洗不徹底、測量有誤差等就安裝機械密封，造成裝配質量不高達不到機械密封安裝技術要求。

3.4 輔助密封圈密封性能不良

丁烯-1泵機械密封動環密封圈型式為U型密封，材質為橡膠，易與丁烯類介質化學反應導致密封圈尺寸變大，U型圈產生變形進而造成泄漏。后續檢修中對密封圈材質重新選材，改為四氟材質。但四氟材質較橡膠硬，裝配過程中易損傷密封圈唇口部位，裝配要求更高。此外低溫環境下四氟材質密封圈容易硬化失彈，加劇軸套磨損。軸套經長時間磨損后會出現溝槽，最終導致介質從密封圈處向外泄漏。

3.5 端面比壓核算

作用于密封端面單位面積的力稱為端面比壓，為了確保機械密封使用壽命及密封性能，必須保證端面比壓滿足技術要求，端面比壓的選擇有3個原則［4］。

（1）機械密封動靜密封面需始終貼合，端面比壓值需為正值。

（2）保證端面比壓大于動靜密封面介質蒸發壓力。

（3）端面比壓是機械密封動靜密封面有無液膜的先決條件，端面比壓值選擇應合理不宜過大也不宜過小；過大容易造成液膜蒸發、磨損加劇，過小會使機械密封性能變差。

結合丁烯-1泵機械密封失效現象，對端面比壓進行核算以確定具體原因。丁烯-1泵機械密封端面受力狀況見圖7。

圖7機械密封受力

根據機械密封端面比壓計算見公式（1）：

式中P比—端面比壓，MPa；P彈—動環所受的彈簧比壓，MPa；P介—密封腔內的介質壓力，MPa（丁烯-1泵密封腔壓力為0.75 MPa）；K內—內裝式機械密封系數。式中K—彈簧系數，泵材質為65Mn，取K=1.0545；X—彈簧壓縮量，X＝4 mm=0.4 cm；D2—靜環外徑，取D2＝56 mm=5.6cm；D1—靜環內徑，取D1＝47 mm=4.7 cm。

代入公式（2）得：P彈=0.058 1 MPa

代入公式（1）得：P比=0.58 MPa。

端面比壓過小會使密封泄露量增大，端面比壓過大則會導致動靜密封圈發熱，加劇密封面的磨損。機械密封設計選型要求端面比壓（P比）應在0.3～0.5 MPa之間，而通過計算得到的丁烯-1泵實際端面比壓值超過要求范圍［5］。

此外大彈簧結構型機械密封（U2125）由于彈簧本身有旋轉方向，運轉過程中機械密封存在動靜密封面受力不均現象［6］。對于丁烯-1泵這類輕烴介質泵選用U2125型機械密封很難確保磨擦副間受力均勻，也容易出現機械密封失效的故障。因此，丁烯-1泵機械密封失效的主要原因為機械密封選型不當，需對機械密封進行改造。

4 改造措施

分析丁烯-1泵密封失效原因，確定密封選型不當，需進行改造。同時要求新密封必須具有好的密封性，運行壽命長，能防止泵抽空且拆裝方便。查閱相關資料［7］，并對比同類機泵中運行工況良好的機械密封結構，改內裝式大彈簧平衡型結構為金屬波紋管型，仍采用自沖洗。重新選型后的機械密封結構見圖8。

圖8重新選型后的機械密封結構

5 結束語

改造前，丁烯-1泵機械密封頻繁出現失效泄露故障，頻繁更換密封。對機械密封重新選型后運行狀態良好，13臺丁烯-1泵機械密封運行周期超過了2 a。證明新型機械密封性能良好，滿足了設備長周期運行的條件。13臺丁烯-1泵機械密封改造成功，消除了機械密封頻繁泄露的頑疾，確保了工藝連續生產。同時也使檢修人員掌握了機械密封選型方面的知識，提高技術水平，為同類型故障消缺提供技術支持。