淺析汽液混輸同步排吸泵機封失效原因及改造

戰衛斌

（大慶宏偉慶化公司機電儀車間，黑龍江 大慶 163000）

1 設備情況（如表1）

表1 設備情況

2 失效分析

2.1 常規密封失效原因的介紹

普通結構的機械密封失效的因素很多，概括起來有以下幾方面。

（1）腐蝕失效。工作介質會在一定程度上侵蝕機械密封材料，因此密封件的表面會被腐蝕，情況嚴重的會出現穿透問題，而且不同類型的金屬通常會在介質中產生電化學腐蝕，導致鑲環不再牢固。

（2）熱裂、老化失效。若密封面長期面臨干摩擦、冷卻水斷供、雜質侵入密封面內，環表面便會豎向開裂，進而導致摩擦環短期受損嚴重，密封面密封效果下降。

（3）磨損失效。摩擦副使用摩擦系數高、抗磨性差的材料，斷面比壓過高，固態顆粒侵入密封面，彈簧空隙被堵滿，這些情況都會導致密封面短期磨損嚴重，無法繼續發揮密封作用。

（4）泵的震動和軸向竄動導致密封失效。機泵產生“窩氣、抽空、氣蝕”等問題，或者因為運行期間軸承等的損壞導致軸向竄動劇烈與泵的嚴重震動，導致摩擦副嚴重毀壞，同樣會讓密封件失去密封效果。

（5）安裝、運行等導致的機械密封失效。因為安裝不科學，進行靜壓或者加水實驗的時候密封件會出現滲漏問題。安裝不科學主要表現為下述幾種情形：①上緊螺釘未上緊，彈簧座向后移；②沒有安裝軸套密封圈或者壓緊力過小；③動、靜環表面有雜物；④動、靜環密封圈規格存在偏差或者壓緊力過小；⑤動、靜環接觸表面不平整，安裝過程中有碰損。

（6）運行活動導致密封失效。①泵劇烈震動、抽空將摩擦副損壞；②彈簧異常；③傳動銷、防轉銷斷裂或掉落導致密封失效；④輔助設施有異常導致動環與靜環溫度溫度突變從而致使密封面開裂；⑤因為溫度發生顯著變化，摩擦副周邊介質產生冷凝等現象，導致密封件密封效果下降；⑥運行過程中出現工藝操作不規范、轉軸出現規律性震動、泵葉輪軸向竄動量超標等情形，也會致使密封失效。

2.2 汽液混輸同步排吸泵失效原因的分析

依據此泵密封運用狀況與失效后的毀壞狀況，只出現了密封失效問題，未產生其他問題。為此，可做出工藝操作、設計等要素導致密封失效的判斷。綜合失效部件的現象，該泵機械密封的失效原因大體有4個方面。

（1）動、靜環材料選擇不合適。原機械密封使用的動、靜環的材質為碳化硅，失效形式為碎裂。整體SiC-整體SiC的摩擦副結構盡管具有十分突出的抗腐蝕性，然而脆性突出，韌性不夠，在受到沖擊的狀況下，SiC極易產生“冷脆”“炸裂”問題，導致摩擦副故障，從而致使密封失去效果。

（2）密封的沖洗水量太小。原機封采用了API PALN 32方案，引入外部沖洗液改善密封環境。由于通過密封的沖洗水量太小、流速過慢，對密封環境的改善成效不理想。密封腔中溫度增高后較易導致密封端面液膜出現汽化反應，致使支撐力下降，液膜厚度便薄，摩擦副在這種狀況下工作，溫度會快速增高，從而導致更嚴重的組分汽化現象。時間長了，摩擦副便處于干摩擦狀態，導致動環與靜壞嚴重受損。

（3）彈簧選用不恰當。在機械密封中，彈性原件的作用是緩沖、預緊、補償，只有彈性原件處于良好的彈性功能下，才可以確保動環補償與斷面摩擦副的緊貼。彈簧所具有的彈性水平對斷面密封比亞的高低有重大影響，比壓太高，不但會致使密封面間潤滑液膜減薄，磨損增重，還會讓密封端出現過量的摩擦熱，損壞動環與靜環斷面材料本身的性能，密封斷面摩擦增大，最終出現熱裂。

（4）工藝原因。“氣蝕”“抽空”“窩氣”等環境下較易導致機泵的不平穩運行。在泵抽空的情況下，泵體出現大幅震動與明顯噪音，泵中壓力不穩，機械密封斷面比壓也相應發生變化，然后出現由于密封環面干摩擦、周期性振蕩導致的密封面傾斜、炸裂、磨損等狀況。

3 改造方案

3.1 結構優化

在不調整機械密封安裝尺寸的基礎上改進機械密封的組成架構：（1）優化機械密封所使用的動環與靜環的材料，替換為強度功能更突出的材料。（2）提升彈簧在腐蝕條件的穩固性，保持長久的補償力。（3）改進外沖洗結構，改善密封端面運行環境。（4）升級金屬部件及輔助零件的材質，提升材質的穩固性，盡可能延長密封使用時間，提高密封使用壽命。

3.2 材質優化

一是密封端面：采用整體硬質合金。由于碳化硅材料的脆性大，在外部沖洗不足、工藝條件不穩等因素的影響下，極易出現動、靜端碎裂的情況。使用硬質合金，提升摩擦副強度，提升泵運行時密封設施的抗震動、抗沖擊水平。硬質合金的優勢體現在下述幾點：（1）抗磨損性能突出，硬度高HRA87～94（洛氏硬度），對于懸浮顆粒介質而言，是首選摩擦副。（2）抗彎強度為1400～2000N/mm2。（3）具有良好的導熱性，能夠在600℃溫度下正常工作，線膨脹系數小。（4）摩擦力小，組對性能優良。（5）優良的抗腐蝕性，抗腐蝕的具體性能和牌號有關。二是彈性元件：彈簧采用哈氏C-276提高彈簧在腐蝕環境下的穩定性，確保彈簧比壓穩定。哈氏C-276合金是一種含鎢的鎳-鉻-鉬合金，極低的硅碳含量，被認為是萬能的抗腐蝕合金。因此，近30年以來，在惡劣的腐蝕環境中，比如，紙漿與造紙、生態保護、化工等行業有普通運用。三是金屬部件：采用316L型不銹鋼。四是輔助密封圈：采用日本進口膠料，導熱系數高，定型能力好，耐腐蝕、抗油、耐溫等特點。

3.3 改善機械密封運轉環境

3.3.1 為什么機械密封要采用輔助系統

（1）機械密封工況的苛刻性。在離心機、壓縮機等類型的機械中，機械密封是對環境要求最高的：①如同散熱器將熱量散發出來。②如同推力軸承承擔軸向力。③在溫度高、壓力高、易腐蝕的工況下，靜密封已有很大難度，何況在高速運行中，在寬度僅有幾毫米的斷面上進行動密封就更不容易了。

（2）輔助系統能夠改良密封條件。①沒有輔助系統，僅可優化密封結構，升級部件材質（投入高，無法解決實質性問題）。②現實情況下，無需輔助系統的機械密封基本不存在。③利用輔助裝置，惡劣工況轉變為機械密封能實施的工況，這樣密封成效更優良，運用范圍更廣，對密封自身材質的要求下降，密封成本減少。

（3）機械密封斷面摩擦熱被有效控制。端面摩擦熱太高會產生下述不良后果：①液膜汽化磨損嚴重密封失去效果；②增大密封面泄露概率；③腐蝕更為嚴重；④輔助密封圈使用壽命縮短；⑤石墨浸漬物出現熔化或碳化反應導致密封失效。

（4）使用輔助系統的原因。①避免溫度快速升高，維持端面的潤滑度（保持機械密封所有零件處于正常運行狀態）。②確保飽和蒸汽壓低于密封腔壓力，保持密封腔不產生汽化現象。③在低溫泵中供給熱量、保持溫度。④若是有固態顆粒產生的強腐蝕介質的密封，可以確保密封正常。

（5）工況比較優良的情況下，使用輔助系統，能夠提升密封使用期限。

（6）對于機械密封而言，輔助系統是非常重要的構成部分。應依據實際工況選擇恰當的輔助系統。關于輔助系統的選擇，美國石油學會標準有比較詳細的規定。

3.3.2 改善措施

針對API PLAN 32沖洗量不足的情況，在密封腔和動環間增設節流襯套，該襯套使用梳齒架構，不但能夠降低冷卻循環液的消耗水平，還能夠對泵中介質的流動進行有效管控。

4 改造效果

原裝機械密封3年消耗8套。本改造方案自2018年10月實施以來，機泵目前運行穩定。

5 改造結論

基于對汽液混輸同步排吸泵機封失效原因的分析，通過優化機械密封的結構、采用新型的材料已達到如下目的：（1）減小這類泵機械密封出現泄露問題的概率，提升其穩定性；（2）以提升泵的作業環境適應能力為目標，提升材質的穩定性、提升機械密封抗振動性能、提升密封環強度；（3）延長這類泵密封設施的使用時間。