高溫高壓機械密封失效原因分析及改進措施

潘向東，高 麗，王 芳，焦 茗

(1.中國石油天然氣股份有限公司吉林石化分公司丙烯腈廠，吉林 吉林 132021；2.海洋石油工程 (青島)有限公司，山東 青島 266426)

某石化公司乙烯配套裝置反應器冷卻水泵采用型號為3620L的雙吸雙支撐徑向剖分結構的單級離心泵，起到排出反應器產生的多余熱負荷及為空壓機透平提供高壓蒸汽的作用。該泵為水平安裝，單臺泵雙套機械密封，以256℃、4.4MPa的過熱水(PH值8～10)為介質，出口壓力為4.8MPa，流量為592.25m3/h。軸外徑為φ95m m，材質為17-4PH(A564 Ty.630)。該泵原裝機封采用約翰克蘭的平衡型單端面多彈簧機封，機封冷卻方式采用帶盤管冷卻器的自沖洗方式(API plan23)。由于進口該類型機械密封費用很高，并且我國引入機械密封60多年，技術已經很成熟，因此在裝置投產后決定將該機械密封國產化。國產化后機械密封基本結構不變，仍然采用平衡型單端面多彈簧集裝式結構及非補償環旋轉的方式。動環材質采用硬質合金(YWN8)，靜環材質采用自潤滑性能較好的浸銻石墨。采用國產化機械密封以來，多臺泵先后出現機封泄漏情況，經拆檢分析，確定了主要存在以下幾種失效形式。

一、失效形式及原因

1.機械密封硬質合金動環炸裂，浸銻石墨靜環表面出現氣蝕性裂紋。

(1)泵抽空斷料或發生氣蝕。泵進料為4.4MPa的過熱水，經檢查，泵的流量、壓力沒有異常；密封失效炸環始終只是發生在某一端，由此，可確定機封失效不是由于泵抽空或發生嚴重氣蝕所引起的。

(2)封水管堵塞或自封水換熱器換熱效果不好。在高溫熱水工況下，如果冷卻效果不好，機械密封端面的液膜易產生氣化，承載能力降低、液膜減薄，造成密封失效。具體到本泵機封冷卻不良的原因，主要是換熱器堵塞或不暢。

2.機械密封軸套內部O型圈碳化變質，軸套和軸沒有相對運動的痕跡。

機封軸套內部O型圈碳化主要原因為機封廠家選用O型圈材質不正確。三元乙丙橡膠一般使用溫度為150℃，性能等級較高的使用溫度為230℃。而泵身溫度為256℃，經分析除了機封軸套O型圈處溫度可達到256℃外，其余四處輔助密封圈溫度均不超過220℃，故選用性能等級較高的三元乙丙橡膠能滿足大多工況要求，而機封軸套內O型圈選用三元乙丙橡膠卻會造成機封失效泄漏。

3.機封軸套內部O型圈老化變質，軸套內有旋轉摩擦痕跡，軸套和軸有相對運動痕跡。

軸套膠圈老化原因應該是傳動環傳動頂絲松脫造成軸套不隨軸旋轉，軸套、膠圈、軸三者產生相對位移，導致膠圈老化機封失效。其主要原因如下。

(1)傳動頂絲緊固不到位。

(2)傳動頂絲(304材質)硬度低于軸表面硬度，使頂絲在軸上不能定位，發生打滑。

4.機封軸套外圓與機封壓蓋發生嚴重磨損。

軸套和壓蓋之間有磨損證明機械密封動靜環同軸度不好，增大密封摩擦面積，導致非正常磨損，使密封失效。另外軸套和軸的摩擦會使軸產生不規則的跳動，同樣能造成密封面非正常磨損，導致密封失效。

5.軸承損壞嚴重，機封軸套外圓與機封壓蓋發生嚴重磨損。

軸承損壞基本上是由于軸承安裝不當所致。軸承損壞后，機封軸套產生軸向位移，致使壓縮量增大，加速了密封磨損導致的密封失效。

二、整改和預防措施

1.針對合金環炸裂、石墨環裂紋的原因，封水換熱器的冷卻水應采用純凈水。但工程中大多數都用過濾江水或者經處理的廢水作為機封沖洗水。因此每次更換機封時都要對其封水換熱器進行拆解清洗。如果在運行中自封水回水超過55℃，應該立即倒泵，對封水換熱器的管程和殼程均進行清洗。另外自封水系統管線的最高點應安裝排氣閥門，在開泵之前將系統里的氣體排凈，避免造成氣阻。

2.由于是雙吸雙支撐泵，更換單端機械密封時，另一端必須安裝機封定位卡子，并將機封傳動頂絲松開，使未更換的一端機封處于自由狀態，待更換機封完畢后，兩端同時緊固傳動頂絲定位，摘掉定位卡子。兩端同時更換機械密封更是如此，兩端機械密封必須同時定位，保證機械密封彈簧的壓縮量。頂絲的緊固應確保可靠。

3.由于泵的軸承配合有一定的過盈量，因此安裝軸承必須熱裝。推薦使用軸承感應加熱器，采用蒸汽加熱的方式也可以。但應注意排出蒸汽凝液，并加油置換軸承箱內無法擦拭的蒸汽凝液。在新裝配的軸承運行滿200h后，需要再次換油，以保證密封的使用壽命。

4.提高安裝精度，保證機封軸套同壓蓋之間的同軸度要求。軸徑分別為20～40mm、50～80mm、80～120mm時，機械密封軸與密封腔的垂直度允差值分別為0.05mm、0.06～0.07mm、0.08mm，機械密封的同軸度偏差≤0.02～0.25mm。軸徑16～50mm時，軸的徑向跳動偏差≤0.04mm；軸徑50～120mm時，徑向跳動偏差≤0.05mm。軸向竄動量不大于0.05mm；軸的表面粗糙度不得低于3.2。軸凸肩過渡部分以及機封壓蓋與泵殼接觸處均應圓滑過渡，避免傷及輔助密封圈。

5.解決集裝式機械密封內部非金屬輔助密封圈出現碳化變質，首先更換機械密封軸套內部O型圈材質，選用性能等級較高的Kalrez全氟橡膠，耐溫能達275℃；其次更換密封壓蓋和泵殼密封圈為纏繞墊片、機械密封中面及靜環輔助密封圈為聚四氟乙烯。改后運行1年未發現機封泄露。

6.處理機械密封傳動頂絲的失效問題。已知軸的材質為17-4PH，是由銅、鈮/鈳構成的沉淀、硬化、馬氏體不銹鋼，其硬度為38HRC。更換頂絲材質為45#鋼，淬火處理，硬度40HRC。

[1]符長軍.淺析液態烴泵機械密封泄漏[J].中國設備工程，2004(5):52-53.

[2]車萬慧，劉斌，李景濤.適用于高溫熱水工況的機械密封方案[J].化工設備與管道，2010，47(3):29-30.

[3]王敏，趙睿.高溫機械密封失效與改進[J].石油化工設備，2009，38(6):98-99.

[4]姜世慶.高溫油泵機械密封機械密封使用壽命延長措施[J].石油化工設備，2008，37(6):81-82.

[5]周慶申.機械維修中滾動軸承的安裝與拆卸[J].河北能源職業技術學院學報，2004，13(4):59-60

[6]平敏.化工泵用機械密封[J].河北化工，2005，2:54-55.

[7]顧永泉.機械密封實用技術[M].機械工業出版社，2001.8.