軸流泵密封泄漏原因分析及處理措施

蘇家軍，劉 煜，俞禮正

（中國石油獨山子石化分公司設備檢修公司，新疆獨山子 833699）

0 引言

軸流泵是某化工廠高密度裝置反應器循環泵（圖1），是工藝流程中的關鍵設備，能否安全、穩定、長周期運行將直接影響到裝置的正常運行。2018 年1 月10 日，軸流泵氣液膜串聯密封中干氣密封氮氣流量開始波動，現場緩沖氣（氮氣）大量泄漏，同時緩沖氣流量計超量程；泄漏液排泄罐液位正常，判斷一級液膜密封未發生泄漏。之后氮氣流量從13.9 m3/h 最高上升到61.6 m3/h，現場檢查干氣密封端面壓蓋處有氮氣泄漏，同時現場檢測沒有發現烴類氣體外泄情況，初步判斷外側干氣密封泄漏。隨后裝置緊急停工檢修軸流泵。

圖1 軸流泵結構

1 設備概況

該石化廠新區高密度聚乙烯24-P-3002 二級反應器循環泵，制造廠商為MORETBELGIUM，設備參數見表1。

表1 機組設備及工藝參數

2 軸流泵密封介紹

軸流泵采用的是串聯式雙端面密封，介質側采用的是機械密封（液膜），大氣側采用干氣密封用于密封第一道密封泄漏出來的有毒有害、易燃易爆的介質，密封結構見圖2。

圖2 機械密封結構

3 泄漏故障原因分析

3.1 機封原設計緩沖氣（二級密封氣）作用及流向（圖3）

圖3 機械密封密封氣工藝流程

緩沖氣由GBI 入口進入機封腔體，一部分作為二級干氣密封的密封氣，通過干氣密封靜環端面密封槽旋轉后增壓，在端面密封壩的作用下形成氣膜密封，防止緩沖氣向大氣泄漏；另一部分通過梳齒密封進入一二級密封密封腔，0.98 MPa 緩沖氣在一級密封內側形成液膜密封背壓，一級密封泄漏的少量介質和緩沖氣共同通過CSD 出口進入泄漏集液罐。

3.2 機封沖洗方案PID 分析

軸流泵機封沖洗方案采用API682 PLAN32+72+75，其中PLAN32 采用外引異丁烷沖洗，流體壓力4.0～5.1 MPa，流量1200 L/h；PLAN72 采用緩沖密封氣（氮氣），緩沖氣可稀釋主密封泄漏介質，結合PLAN75 方案，協助把泄漏介質吹掃入封閉的收集系統。緩沖氣的設計壓力（0.4 MPa），實際運行壓力1.0MPa低于一級密封內側工藝流體的壓力（4.0～5.1 MPa），在一級密封外側形成背壓。緩沖氣通過GBI 進入密封腔，通過節流迷宮后進入主密封外側和一、二級密封之間密封腔，通過CSD 排入泄漏液排泄罐和火炬系統。

緩沖氣實際壓力大于設計壓力，是因為改造后的機封在使用初期出現一級密封泄漏超過正常值的情況，而P32 方案使用異丁烷ISOBUTANE 沖洗，異丁烷熔點-159.4 ℃，沸點-11.73 ℃，容易氣化，只有通過增加緩沖氣壓力，增加一級密封背壓，使液膜寬度增加，解決一級密封泄漏，之后一直使用1 MPa 壓力的緩沖氣。

3.3 拆檢后的情況

對24P3002 密封進行解體檢查，發現一級密封動環摩擦副完好，彈性補償性完好。靜環完好，摩擦副表面痕跡未見異常。在靜環內部軸套部位、靜環內表面、動環內表面均有有黑色聚集物存在，粉末細小，疑似碳環磨損后碳粉物質（圖4）。二級干氣密封動環磨損嚴重，與新動環比較，厚度減薄3.3 mm，靜環螺旋槽消失，輔助密封全氟醚O 形圈碳化，外側干氣密封腔內有大量碳粉粉末和顆粒物體（圖5）。

圖4 一級密封動靜環

圖5 二級密封磨損的動靜環

3.4 密封失效泄漏途徑（圖6）

圖6 密封失效泄漏途徑

泄漏途徑：0.98 MPa 氮氣從GBI 口進入機封，進入干氣密封外側腔體，由于干氣密封失效，緩沖氣從干氣密封動靜摩擦副進入機封內側，沿軸套和靜環內側間隙向大氣泄漏。

3.5 二級干氣密封泄漏原因分析

3.5.1 直接原因

干氣密封動環材質石墨，靜環材質碳化硅，動靜環摩擦副之間一旦進入直徑超過3～5 μm 顆粒雜質就會出現異常磨損，動環磨損掉落的碳粉會填充在靜環螺旋槽中，如果碳粉沒有被密封氣帶走，就無法形成氣膜密封，導致干氣密封動靜環接觸運行，加劇磨損。干氣密封腔內大量碳粉粉末顯示劇烈干摩擦存在時間應該是停機前一段較短時間，否則在持續的氮氣沖掃過程中碳粉不應該在腔內大量堆積。干氣密封摩擦副失效是這次密封泄漏的直接原因。

3.5.2 間接原因

（1）為了處理曾經工藝出現的異丁烷沖洗流量FIC30145A 下降現象，工藝要求提高異丁烷沖洗流量頂沖石墨軸承異丁烷沖洗流道。2016 年9 月13 日18：55—23：03，啟動P3002 軸流泵后采用降低反應器壓力以提高異丁烷沖洗流量的方法。在沖洗管路流量計超量程波動運行狀態下，期望改善石墨軸承流道堵塞情況。根據軸流泵密封沖洗方案的結構，軸流泵運行中大流量異丁烷密封沖洗夜進入密封腔后，直接對著液膜密封摩擦副進行沖洗，在這種情況下，流量過大沖洗夜有可能造成液膜密封面打開，造成異丁烷瞬間泄漏，瞬間泄漏的大流量異丁烷穿過梳齒密封進入二級干氣密封腔，異丁烷中細粉極有可能進入干氣密封摩擦副，造成干氣密封靜環密封螺旋槽面和動環密封鏡面接觸劃傷，氣膜被破壞，造成密封泄漏。

（2）緩沖氣（氮氣）供應波動。緩沖氣是經過過濾器和流量計進入干氣密封，過濾器壓差增大，會造成干氣密封氮氣供應減小，干氣密封動靜摩擦副氣膜不能穩定形成，造成摩擦副接觸磨損以至損壞泄漏。緩沖氣泄漏過程流量趨勢見圖7、圖8。

圖7 緩沖氣泄漏過程流量趨勢1

圖8 緩沖氣泄漏過程流量趨勢2

緩沖氣流量計平時運行在13.6 Nm3/h，2018 年1 月9 日上午9：40 開始出現波動，16：48 達到26.1 Nm3/h，1 月10 日泄漏量繼續加大，12：56 流量計超量程，期間出現過一次減小，之后，緩沖氣過濾器壓差長期穩定運行在0.3 kPa。而過濾器壓差趨勢（圖9）顯示，1 月9 日上午9：40 開始出現壓差波動，16：48 達到0.805 kPa，1 月10 日中午12：56 達到8.861 kPa，之后壓差越來越小。機封設計中壓差報警值為0.04 MPa，由此看出，過濾器壓差波動和流量計值波動是一致的。

圖9 過濾器壓差趨勢

（3）環境溫度過低。1 月份日正常環境溫度在-19～-30 ℃，機封又暴露在空氣中，因此過低的環境溫度使得緩沖氣溫度過低，造成二級密封動環密封圈收縮，加上緩沖氣干燥度不夠，使得動環及密封圈在軸向移動上受阻補償性下降，在整個干氣密封運行過程中無法實現動態變化，有效氣膜無法穩定形成，致使動靜環接觸磨損。

（4）轉子軸向竄動過大對摩擦副造成沖擊。軸流泵推力間隙正常值為0.4 mm，但在解體檢查后發現，出現故障前其推力間隙達到0.81 mm（機械密封廠家對機封使用要求：軸向竄動≤0.3 mm），過大的軸向竄動對干氣密封摩擦副形成沖擊，造成密封摩擦副間斷接觸，發生磨損，當密封堰被磨損后，密封氣無法在摩擦副中形成泵效應增壓，并形成氣膜，分離動靜摩擦副，于是磨損和泄漏加劇。

（5）干氣密封動環使用碳環，動靜環一旦出現輕微磨損，碳粉會填充在流體動壓槽中（靜環動壓槽的深度在3～5 μm），產生不了“泵”效應，無法形成氣膜，動靜環接觸，磨損加劇。從拆檢發現大量黑色粉末分析，靜環密封槽損壞后，密封無法形成氣膜開始泄漏，緩沖氣流量計波動，動環迅速磨損，動環O 形圈炭化。

4 處理及預防措施

（1）按干氣密封的使用要求，運行時動、靜環之間形成的氣膜厚度3 μm 左右，對所使用的密封氣潔凈度要求很高，因此使用時要嚴格檢查機封緩沖氣凈化系統，保證氮氣穩定、干燥、清潔；注意緩沖氣溫度，做好緩沖氣的保溫，避免溫度過低。

（2）穩定工藝運行狀況。轉子軸向竄動現象是工藝不穩定造成，正常運行中轉子應該貼在主推力瓦穩定運行，軸向竄動會對干氣密封端面產生沖擊，氣膜厚度不能動態變化調節，發生接觸磨損，從而縮短使用壽命。

（3）建議減小轉子竄量。軸流泵廠家建議軸向竄量是功能間隙（0.4 mm）的兩倍更換部件，現廠家用推力盤和推力瓦塊組合后的軸向間隙0.71～0.76 mm，雖然未達到廠家更換標準，但過大的軸向竄量不符合機械密封廠家對機封使用要求軸向竄動≤0.3 mm 規定。減小軸向竄量的方法：①增加止推盤厚度，將止推盤厚度增加0.4 mm；②研磨軸承箱端蓋。