高壓甲銨泵軸端密封系統(tǒng)故障原因分析及對(duì)策

邰建新尤文卿 單來(lái)民 李亞軍

（塔里木油田公司石化分公司)

高壓甲銨泵軸端密封系統(tǒng)故障原因分析及對(duì)策

邰建新*尤文卿 單來(lái)民 李亞軍

（塔里木油田公司石化分公司)

高壓甲銨泵機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)、O形圈易失效，通過(guò)對(duì)密封沖洗水和緩沖水、介質(zhì)、O形圈材質(zhì)以及操作參數(shù)等方面的分析計(jì)算，論證了機(jī)械密封失效的原因。在保證密封水的壓力、流量符合設(shè)計(jì)要求的前提下，提高密封水供應(yīng)的可靠性，可以避免介質(zhì)在密封腔內(nèi)結(jié)晶，有效地解決機(jī)械密封過(guò)早失效問(wèn)題。

高壓泵機(jī)械密封密封圈動(dòng)靜環(huán)壓力故障原因

中國(guó)石油塔里木石化分公司熔融尿素裝置高壓甲銨泵采用美國(guó)圣達(dá)茵公司HMP 5000型雙級(jí)高速臥式離心泵。該高壓甲銨泵轉(zhuǎn)速10 826 r/min，流量102 m3/h，進(jìn)口壓力1.77 MPa，出口壓力15.5 MPa，介質(zhì)溫度79℃。該泵的一級(jí)密封腔內(nèi)壓力約1.8 MPa，二級(jí)密封腔內(nèi)壓力約8 MPa，一級(jí)軸端采用雙端面平衡型機(jī)械密封，中間引入從二級(jí)級(jí)間出來(lái)經(jīng)限流孔板降壓至大約2.25 MPa的緩沖水。一部分緩沖水經(jīng)限流孔板降壓后引入介質(zhì)側(cè)機(jī)械密封腔內(nèi)，用于內(nèi)沖洗，防止介質(zhì)在動(dòng)靜環(huán)端面上結(jié)晶；另一部分緩沖水直接就地排放。外側(cè)機(jī)械密封用于密封甲銨液，內(nèi)側(cè)機(jī)械密封用于密封緩沖水。二級(jí)軸端采用雙級(jí)平衡型機(jī)械密封并串聯(lián)布置。為緩解高壓密封困難，機(jī)械密封級(jí)間引入4.75 MPa的緩沖水，用于降低動(dòng)靜環(huán)端面內(nèi)外側(cè)的壓差，同時(shí)向葉輪側(cè)（非齒輪箱側(cè)）機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)內(nèi)端面通入略高于密封腔內(nèi)壓力的內(nèi)沖洗水，防止甲銨液在腔內(nèi)和動(dòng)靜環(huán)端面之間結(jié)晶，損壞動(dòng)靜環(huán)。齒輪箱側(cè)的機(jī)械密封用于密封級(jí)間引入的緩沖水。整個(gè)軸端密封系統(tǒng)所需的密封沖洗水和緩沖水由2臺(tái)（一開(kāi)一備）高壓往復(fù)泵提供。油封由最早的碳環(huán)節(jié)流式密封改為機(jī)械密封。該泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示，泵的軸端密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。沖洗水的工藝流程如圖3所示。

圖1 高壓甲銨泵結(jié)構(gòu)

圖2 泵的軸端密封結(jié)構(gòu)

圖3 密封沖洗水/緩沖水工藝流程圖

該泵從2009年11月試車以來(lái)，機(jī)械密封損壞泄漏多次，頻繁出現(xiàn)早期失效，采取了一系列措施和提高維護(hù)水平后，機(jī)械密封的可靠性和使用壽命大大提高。

1 甲銨泵機(jī)械密封主要問(wèn)題

（1）二級(jí)介質(zhì)側(cè)機(jī)械密封端面腐蝕磨損嚴(yán)重，尤其是靜環(huán)更為嚴(yán)重，動(dòng)環(huán)與軸套之間輔助O形圈、補(bǔ)償環(huán)（靜環(huán)）組件內(nèi)O形圈溶脹、失彈。

（2）甲銨液、密封緩沖水竄入軸承箱，潤(rùn)滑油乳化。

2 機(jī)械密封損壞原因分析

（1）密封水管線堵塞，密封沖洗水壓力、流量不足，使得介質(zhì)側(cè)機(jī)械密封腔內(nèi)甲銨液介質(zhì)在內(nèi)端面得不到有效沖洗。端面配對(duì)軟、硬材料分別是石墨和碳化鎢，石墨環(huán)對(duì)5～20 μm的顆粒極其敏感。甲銨液進(jìn)入端面間結(jié)晶，石墨環(huán)極易被磨損失效，同時(shí)甲銨液具有腐蝕性，腐蝕加劇磨損，磨損又加劇腐蝕。密封水壓力、流量不足還會(huì)導(dǎo)致機(jī)械密封的冷卻、潤(rùn)滑效果差，從而引起密封端面過(guò)熱，使得端面液膜汽化及熱應(yīng)力過(guò)大，輔助O形圈過(guò)早老化失效。

（2）密封端面比壓過(guò)大。密封端面上的總載荷力Fg可以用下式表示：

式中Ff——流體壓力載荷，N；

Fsp——彈簧預(yù)加載荷，N。

密封面上的總承載能力W由下式表示：

式中Wf——流體膜承載能力，N；

Wc——微凸體承載能力，N；

Wst——流體膜靜壓承載能力，N；

Wdyn——流體膜動(dòng)壓承載能力，N。

要達(dá)到穩(wěn)定密封，須滿足Fg=W。若Fg＞W(wǎng)，液膜受損，密封失效。密封端面比壓過(guò)大主要是密封裝配時(shí)補(bǔ)償環(huán)的彈簧預(yù)緊比壓Fsp或密封腔內(nèi)壓力Ff升高所致。前者可以基本排除。密封沖洗水/緩沖水總管壓力（測(cè)點(diǎn)壓力變送器代號(hào)為PIT329C）、沖洗水壓力（測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)壓力表代號(hào)為PI329B）均曾超過(guò)10 MPa（壓力升高是管線堵塞導(dǎo)致），超過(guò)設(shè)計(jì)值8.38～9.90 MPa，緩沖水壓力（測(cè)點(diǎn)PIT329B）超過(guò)5MPa(管線堵塞或介質(zhì)側(cè)機(jī)械密封泄漏導(dǎo)致)，這些因素的影響會(huì)使端面比壓超過(guò)設(shè)計(jì)值，引起密封端面過(guò)熱、液膜汽化，密封提早失效。

（3）輔助O形圈設(shè)計(jì)材質(zhì)為丁晴橡膠，該材質(zhì)在甲銨液環(huán)境下容易溶脹失效，導(dǎo)致O形圈卡澀補(bǔ)償環(huán)（靜環(huán)為補(bǔ)償環(huán)），失去追隨性和浮動(dòng)性。此外，主泵備用時(shí)密封沖洗水全部停止，而密封腔內(nèi)仍有甲銨液，會(huì)加速輔助O形圈的溶脹失效。

（4）密封沖洗水/緩沖水泵多次損壞，密封水壓力、流量多次供應(yīng)不足，使得密封沖洗水/緩沖水總管壓力低于6.0 MPa，主泵聯(lián)鎖跳車，一定程度上降低了機(jī)械密封的使用壽命。

（5）因二級(jí)介質(zhì)側(cè)機(jī)械密封失效，使得級(jí)間密封腔內(nèi)緩沖水壓力（PIT329B）升高，齒輪箱側(cè)機(jī)械密封的端面壓力增大，從而使得齒輪箱側(cè)機(jī)械密封提早失效。若此時(shí)泄漏量增大，又因泄漏排放口F（如圖3所示）凍堵，沿軸向泄漏的水或甲銨液與水混合物在齒輪箱側(cè)機(jī)械密封與油封（結(jié)構(gòu)型式也為一簡(jiǎn)易機(jī)械密封）之間憋壓，同時(shí)油封組件中的O形圈老化失效（在油封組件背面有燒花、積炭現(xiàn)象，表明潤(rùn)滑油出現(xiàn)超溫，溫度高使得O形圈提早老化失效），沿軸向泄漏的水或甲銨液與水混合物將竄入軸承箱。

3 采取的措施

（1）更換損壞的機(jī)械密封各零部件，嚴(yán)格控制檢修質(zhì)量，確保機(jī)械密封各部件的軸向位置與間隙合適。

（2）修復(fù)密封沖洗水/緩沖水泵，加大維護(hù)保養(yǎng)力度，確保該泵可靠。

（3）將進(jìn)機(jī)械密封前沖洗水管線斷開(kāi)，啟動(dòng)密封水泵，對(duì)管路再次進(jìn)行全面沖洗，避免顆粒雜質(zhì)進(jìn)入機(jī)封內(nèi)。

（4）將原密封水管線的蒸汽伴熱改為電伴熱，同時(shí)加強(qiáng)密封水總管上的溫度監(jiān)測(cè)，確保冬季密封水管線不凍堵。

（5）主泵啟動(dòng)之前，先啟動(dòng)密封水泵運(yùn)行一段時(shí)間，避免密封腔內(nèi)沉積的結(jié)晶甲銨液在啟泵瞬間損壞密封端面。

（6）操作上確保潤(rùn)滑油溫度、軸承溫度在正常范圍內(nèi)，避免超溫。

（7）增大潤(rùn)滑油的化驗(yàn)頻次，以便根據(jù)潤(rùn)滑油的各項(xiàng)指標(biāo)判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況。

（8）密切關(guān)注測(cè)點(diǎn)PIT329C、PIT329B、PIT329A、PI329B、PI329A，根據(jù)這些測(cè)點(diǎn)的數(shù)值以及測(cè)點(diǎn)PIT329C與PI329B之間的差值、測(cè)點(diǎn)PIT329C與PIT329B之間的差值、測(cè)點(diǎn)PIT329A與PI329A之間的差值，判斷各段密封沖洗水或緩沖水的流量、壓力及其對(duì)機(jī)封的影響。

（9）密切關(guān)注軸兩端密封排水口（工藝流程圖中的E、F口）的情況。一旦排水口有水排出，說(shuō)明機(jī)械密封已有泄漏。若排出的水中有氨味，說(shuō)明內(nèi)外兩側(cè)機(jī)械密封均已泄漏。若水中無(wú)氨味，說(shuō)明僅靠近齒輪箱側(cè)的機(jī)械密封有泄漏。

4 效果評(píng)價(jià)

通過(guò)采取以上一系列措施，高壓甲銨泵機(jī)械密封的使用壽命得到了較大的提高，已累計(jì)運(yùn)行16 000 h未發(fā)生一次故障，同時(shí)也解決了軸承箱潤(rùn)滑油進(jìn)水或進(jìn)甲銨液的問(wèn)題。

[1] 呂瑞典.化工設(shè)備密封技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006.

Shaft End Seal System Failure Analysis and Countermeasurs of HP Methylamine Pump

Tai Jianxin You Wenqing Shan Laimin Li Yajun

Rotating and stationary seal ring and O-ring of HP methylamine pump mechanical seal are prone to be failure.Through the analysis and calculation of seal flush water and buffer water,medium,material of O-ring,operation parameters and so on,demonstrates the failure causes of mechanical seal.Under the promise of that the pressure and flow quantity accord with the design requirement,raising the reliability of seal flush and buffer water supplying could avoid medium crystallization in the seal cavity,and could efficiently solve the failure problems of mechanical seal.

HP pump;Mechanical seal;Seal ring;Rotating and stationary ring;Pressure;Failure cause

TQ 051.21

*邰建新，男，1973年生，高級(jí)工程師。庫(kù)爾勒市，841000。

2012-02-18）