反應器進料泵機械密封失效分析及改進

高鵬翔，宋 濤，魏敬省, 王晶晶

（撫順石化公司乙烯化工廠，遼寧 撫順113004）

反應器進料泵機械密封失效分析及改進

高鵬翔，宋 濤，魏敬省, 王晶晶

（撫順石化公司乙烯化工廠，遼寧 撫順113004）

通過對聚乙烯裝置反應器進料泵機械密封失效過程的講述，對失效的原因進行了分析。結合反應器進料泵的工作條件，根據機械密封和干氣密封的自身特點，提出對反應器進料泵機械密封的改進措施，為今后裝置的穩定生產奠定了基礎。

離心泵；機械密封；失效分析；改進措施

聚乙烯反應器進料泵P-GA-104是聚乙烯裝置核心設備，它是一臺12級高壓離心泵，其出口操作壓力為18.0 MPa，介質為環己烷和乙烯，流量為105 m3/h。制造廠為SULZER BINGHAM PUMP INC.［1］在今年4月至6月的運行過程中，發生兩次密封泄漏，引起裝置停車。

兩次密封泄漏現象及原因有著相似之處，在本文當中歸納為同一種原因進行分析總結。另外，本文對機械密封［2］、干氣密封［3］的工作原理及失效原因［4］也做了淺析。通過對機械密封與干氣密封的結構和原理［5］對比，討論了改進措施的可行性。

為了平穩、安全的保證反應器進料泵正常運行，結合HSE管理體系的實際，車間對該設備做出故障模式及影響分析（FMEA），從故障產生的因果關系出發，找出系統潛在的故障原因，分析故障原因對系統造成的影響，并采取措施［6］減少和預防故障對系統造成的影響。

1 密封泄漏過程

1.1 第一次泄漏

2011年4月28日15：00由于 P-GA-104電流忽然上漲至超量程，同時現場發現P-GA-104電機端密封泄漏，伴有強烈震動及噪音，緊急手動停泵。

1.1.1 拆檢情況簡介

（1）拆開時發現電機端軸承甩油盤已和軸粘連在一起，密封已炸裂，發現第一級葉輪入口有硬物堵塞，中間平衡腰瓦磨損嚴重，而且泵軸已多處磨損，葉輪口環間隙均在0.8 mm左右，正常值為0.45~0.55 mm。

（2） 堵塞在一級葉輪入口處的硬物外觀為塊狀，分析為聚乙烯樹脂結塊所致。泵殼體、軸、及葉輪周圍表面干凈，沒有其它雜質。

1.1.2 修復后運行情況

由于當時庫存有1件2005年修復的轉子及進口密封，為保正及時恢復生產，當天連夜更換了轉子、密封、甩油環等易損件。復位后，4月29日2:20投入運行，各參數均正常。

1.2 第二次泄漏

6月1日16：00，車間接調度指令停車，停反應器進料泵。6月4日10:00，在各條件具備的情況下，啟動反應器進料泵，12:00投料開車。18:52，反應器進料泵P-GA-104電流波動，上漲趨勢加快達到高報100 A,同時伴有震動、密封泄漏，車間緊急停車。拆檢后密封磨損但沒有炸裂，一級葉輪入口堵塞，口環間隙0.7 mm，軸彎曲0.22 mm。

1.3 兩次泄漏總結

從4月到6月的兩次密封泄漏，現象基本相同，第二次密封沒有第一次更嚴重，有磨損，但是沒有炸裂。6月13日處理后回裝原密封，14:00，現場復位P-GA-104轉子，21:14啟動P-GA-104，密封只是有輕微泄漏，運行正常。

2 泄漏原因分析

2.1 機械密封簡介

機械密封又稱端面密封，是采用兩個密封元件即動環和靜環安裝在垂直軸的光潔而平直的表面上，在介質的靜壓力和彈簧力的作用下，相互結貼作相對運動而達成密封的目的。

2.1.1 機械密封的主要特點

（1）泄漏量可以限制到很少。只要主密封面的表面粗糙度和平直度能保證達到要求，只要材料耐磨性好，機械密封可以達到很少泄露量，甚至達到看不見泄漏。

（2）壽命長。在機械密封中，主要磨損部分是密封摩擦副端面。因為密封端面的磨損量在正常工作條件下不大，一般可以連續使用1~2 a，個別場合也有用到5~10 a。

（3）運轉中不用調整。由于機械密封靠彈簧力和流體壓力使摩擦副貼合，在運轉中自動保持接觸，裝配后就不用像普通軟填料那樣需要調整。

（4）耐震性比徑向密封好。一般在n=3 000 r/min下最大振幅不超過0.05 mm。

（5）結構復雜，拆裝不便。

2.1.2 機械密封的泄漏標準

機械密封的泄漏標準見表1。

表1 各國機械密封泄露行業標準Table 1 The industry standard of Mechanical seal’s leak

2.2 介質溫度和雜質對密封的影響

本案例中P-GA-104泵轉數6 400 r/min，流量105 m3/h，介質為環己烷和乙烯的混合溶液，介質黏度大；潤滑性差；工作壓力大；運轉速度高；介質中可能含有雜質；機泵輸送介質的以上特點，對于機械密封的長期性安全運轉是不利的。特別是P-GA-104泵，當輸送介質的溫度升高時，機械密封密封腔的溫度將升高，動環、靜環端面溫度升高，動環、靜環端面溫度升高，動環和靜環端面間的液膜受熱破壞，使動靜環的端面產生強烈摩擦，致使密封失效；由于密封沖洗介質中可能有懸浮顆粒雜質，機械密封在運轉過程中，這些雜質進入動靜密封面，使動靜環端面因雜質磨損而造成密封失效。

2.3 施工、安裝對機械密封的影響

據專家對密封失效原因統計：由于密封本身原因僅占34.5%，而由于安裝和使用方面的原因占41.6%。由此可見，密封失效排第一位原因并非密封本身的問題，很大程度上取決于安裝和使用方面的原因。

由于反復判斷停泵原因，對反應器進料泵P-GA-104泵動靜密封反復拆裝導致動靜環接觸表面不平，安裝時碰損傷、損壞密封面,造成在工作中密封面急劇摩擦，泄漏量逐漸加大。

2.4 密封材料對密封失效的影響

摩擦副所用的材料耐磨性差、摩擦系數大都會縮短機械密封的使用壽命。反應器進料泵P-GA-104泵，南北兩側的密封泄漏量，北側遠遠大于南側原因為選用了國產密封進口密封，在同等非正常工作條件下，國產密封耐用性遠比進口密封差。

2.5 工藝條件對密封失效的影響

本案例提到的兩次密封失效，直接原因都是由于一級入口堵塞造成的。第一次入口堵塞后，拆檢看見的只是一個點，一塊小硬物堵在泵入口，為保生產及時復位后運行也正常，泵入口有濾網，我們也對濾網進行了徹底更換清掃。第二次密封失效后，判斷為管線內有樹脂掛壁。車間拆檢從P-103出口至P-104入口管線，徹底清理管線內掛壁的樹脂后復位。

3 密封改進措施

3.1 引入干氣密封

干氣密封是20世紀60年代末期從氣體動壓軸承的基礎上發展起來的一種新型非接觸式密封。該密封利用流體動力學原理，通過在密封端面上開設動壓槽而實現密封端面的非接觸運行。干氣密封最初是為解決高速離心壓縮機軸封問題而出現的，由于密封非接觸運行，因此密封摩擦副材料基本不受pv值的限制，特別適合作為高速、高壓設備的軸封

3.1.1 干氣密封與機械密封的結構對比

（1）機械密封的零件數量多，要求精密，結構復雜。特別是在裝配方面較困難，拆裝時要從軸端抽出密封環，必須把機械部分轉子部分全部拆解。機械密封結構圖見圖1。

圖1 典型機械密封結構Fig. 1 Mechanical seal’s configuration

（2）干氣密封結構包含有靜環、動環組件（旋轉環）、副密封O形圈、靜密封、彈簧和彈簧座（腔體）等零部件。靜環位于不銹鋼彈簧座內，用副密封O形圈密封。彈簧在密封無負荷狀態下使靜環與固定在轉子上的動環組件配合，如圖2。

圖2 典型干氣密封結構Fig. 2 Dry gas seal’s configuration

3.1.2 干氣密封比機械密封的優勢

干氣密封與接觸式機械密封串聯使用，機械密封為主密封，干氣密封為次密封。干氣密封與主密封間通入氮氣，保證主密封具有一定背壓，增大密封端面液相面積，改善端面潤滑條件，極大地延長主密封的使用壽命。主密封泄漏的工藝介質隨密封氣排入火炬，保證工藝介質不向大氣泄漏，是一種環保型密封。主密封失效后，干氣密封短時間內起到主密封作用，防止工藝介質向大氣大量泄漏。

3.2 結合HSE管理體系進行科學管理

為了平穩、安全的保證正常運行，結合HSE管理體系的實際，選擇定期填寫故障發生頻率分類表，任何系統的故障和造成這一故障的元素之間都存在著必然的因果關系。故障模式及影響分析（FMEA）就是從這種因果關系出發，找出系統潛在的故障原因，分析故障原因對系統造成的影響，并采取措施減少和預防故障對系統造成的影響。

4 結束語

通過以上淺析可看出，對P-GA-104等關鍵的設備管理模式應符合現代的檢查為先、預防為主、主動維護、及時檢修的預防性檢修策略。FMEA的實施是一個持續改進的過程，在對某一個故障類型采取相應的糾正預防措施后，需要重新評價發生頻率、嚴重性、可檢測性，計算新的危險優先數，并決定是否采取進一步的糾正預防措施，如此循環，直到危險優先數在可接受的范圍內。

［1］撫順石化公司.聚乙烯操作規程[S].2004．

［2］孫見君.密封泄露預測理論應用[M].北京:中國電力出版社，2010.

［3］姚寶瑞.丁二烯萃取精餾塔釜離心泵的干氣密封改造[M]. 北京:機械化出版社，2005．

［4］李新華.密封元件選用手冊[M].北京:機械工業出版社，2010.

［5］李國斌.機械設計基礎[M].天津:機械工業出版社，2000．

［6］袁周,黃志堅.工業泵常見維修及技巧[M].北京:化學工業出版社，2008．

Failure Analysis and Improvement of Mechanical Seal for Reactor Feed-in Pumps

GAO Peng-xiang，SONG Tao，WEI Jing-sheng，WANG Jing-jing
(PetroChina Fushun Petrochemical Company Ethylene Plant, Liaoning Fushan 113004,China）

Failure process of mechanical seal for reactor feed-in pumps of polyethylene plant was introduced,failure causes were analyzed. Combined with working conditions of reactor feed-in pumps, based on characteristics of the mechanical seal and the dry gas seal, improvement measures of the mechanical seal for reactor feed-in pumps were put forward, which can lay a foundation for steady production of the polyethylene plant in the future.

Pump; Mechanical seal; Failure analysis; Improvement measures

TQ 051

A

1671-0460（2011）11-1155-03

2011-10-21

高鵬翔（1985-），男，遼寧撫順人，助理工程師，2009畢業于遼寧石油化工大學，研究方向：從事石油化工技術工作。E-mail：642604131@qq.com。