高溫熱油泵機械密封泄漏分析與對策

王志超孫金龍楊凌云

（中化化肥有限公司，北京 100031）

高溫熱油泵機械密封泄漏分析與對策

王志超孫金龍楊凌云

（中化化肥有限公司，北京 100031）

摘要：通過對高溫導熱油泵使用的單端面波紋管式機械密封進行校核，經(jīng)過對摩擦副端面比壓、端面線速度和端面溫度的核算，結(jié)合導熱油特性曲線，發(fā)現(xiàn)摩擦副端面溫度超過導熱油氣化溫度是造成機封端面及波紋管結(jié)碳的主要原因。按照機械密封設(shè)計規(guī)范API 682-2014的使用標準對高溫導熱油泵的機械密封進行改型，通過增加輔助撤熱系統(tǒng)，降低摩擦副端面溫度，解決了高溫導熱油泵的機械密封因結(jié)焦碳化問題，為解決同類設(shè)備故障開拓了新的工作方向。

機械密封；泄漏；摩擦副；碳化

機械密封在石油化工裝置的機泵類旋轉(zhuǎn)設(shè)備上有著廣泛的應(yīng)用。但由于選型、設(shè)計、安裝和工況等諸多因素的影響，機械密封的使用壽命相差懸殊。為了提高機封壽命，本文以聚苯乙烯裝置240℃導生油泵P-404為研究對象，通過對機封端面比壓、線速度和溫度的校核，查找到了高溫熱油泵機械密封頻繁泄漏的故障原因。通過實施機械密封技術(shù)升級，解決了在240℃的高溫工況下，單級離心泵機械密封壽命不足的問題。

1.導生油泵P-404故障介紹

1.1 運行工況

聚苯乙烯裝置高溫導生油泵P-404是脫揮發(fā)物器的導生循環(huán)泵，為美國GOULDS公司生產(chǎn)的單級離心泵，運行工況見表1。泵用機械密封為丹東克隆公司制造的單端面非集裝波紋管式機械密封。

1.2 介質(zhì)特性

導生油在裝置內(nèi)作為熱媒使用，主要成分為：二甲基聯(lián)苯、甲基聯(lián)苯和三甲基苯基環(huán)乙烷；比重0.979kg/m3；在240℃時黏度約為30厘泊；極易揮發(fā)，易結(jié)碳，微紅顏色，刺激性氣味，輕微毒性。

表1　導生泵的工況

1.3 機械密封故障與現(xiàn)象

經(jīng)過統(tǒng)計，導生泵P-404兩年內(nèi)，因機械密封泄漏原因共發(fā)生檢修10次，機械密封平均使用壽命僅為1810小時，即2.51月。泄漏發(fā)生前，機械密封首先是摩擦副部位出現(xiàn)緩慢輕微的滴漏，并伴有高溫氣化煙霧。滴漏介質(zhì)呈焦狀，深棕色。滴漏持續(xù)1個月后，機封將發(fā)生大量泄漏。經(jīng)過解體檢查，動、靜環(huán)的密封面磨損正常，通常在動環(huán)摩擦面有可視的輕微磨痕；在機械密封的波紋管內(nèi)部和摩擦副部位存在嚴重的積碳結(jié)焦現(xiàn)象。導生油碳化物填充波紋管全部間隙，嚴重影響了波紋的回彈。少數(shù)嚴重情況中，波紋管內(nèi)導生碳化物高度會高于動環(huán)密封面，替代動環(huán)與靜環(huán)形成摩擦副進行密封工作。此時，當機泵內(nèi)發(fā)生偶然的振動或介質(zhì)壓力、溫度波動時，碳化物由于沒有足夠的韌性發(fā)生破壞，致使機械密封發(fā)生泄漏。

2.機械密封失效分析

2.1 密封泄漏點

高溫導生油泵P-404使用的是DBM-45型焊接波紋管機械密封，參數(shù)見表2。密封腔由泵冷卻夾套進行水冷卻，摩擦副介質(zhì)由平衡管自沖洗，靜環(huán)無背冷，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表2　 DBM-45型波紋管機械密封參數(shù)

圖1　 機封安裝結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)安裝結(jié)構(gòu)，機械密封可能發(fā)生泄漏的密封點有：

（1）波紋管背側(cè)的靜密封點，如圖1中標注5所示的密封O環(huán)。

（2）靜環(huán)與泵體之間的靜密封點，如圖1中標注4所示的密封墊。

（3）動、靜摩擦副，即圖1中標注2.3所示的接觸面。

上述密封點中的兩處靜密封點通過螺栓把緊等安裝措施，即能夠?qū)崿F(xiàn)工況下的設(shè)備運行。因此摩擦副的密封效果將是本文討論的主要內(nèi)容。

2.2 PC、VC、PV值的計算

根據(jù)設(shè)計，影響摩擦副密封效果的主要因素有：端面比壓PC、端面線速度VC和端面溫度T。根據(jù)表2的相關(guān)參數(shù)：

（1）波紋管的有效作用直徑，

（2）波紋管彈率

其中：

n=2—波紋管層數(shù)；

E=20×104N/mm2——波紋管材料彈性模量；

t=0.127mm——波片厚度；

i=9——波數(shù)；

B=7mm——波紋管膜片寬度。

（3）波紋管機封載荷系數(shù)

（4）膜壓系數(shù)

λ=（2d2+d1）/3（d2+d1）=0.51（5）軟環(huán)摩擦副端面面積

（6）波紋管機封工作高度時彈力

其中：

△t=4mm—波紋管工作狀態(tài)時的壓縮量。

（7）波紋管機械密封彈簧比壓

（8）波紋管機械密封端面比壓

其中：pL=0.5MPa—密封腔內(nèi)壓力。

（9）摩擦副端面線速度

其中：n=1450r/min—轉(zhuǎn)速；

（10）PV=3.12MPa·m/s

中等潤滑、浸漬金屬石墨—反應(yīng)燒結(jié)SiC配對的機械密封摩擦副的許用值[PV]為19.6MPa·m/s。

由上面的計算結(jié)果可知，泵P-404的摩擦副端面比壓PC=0.75MPa；摩擦副端面線速度VC=4.15m/s；摩擦副PV值小于許用值。因此端面比壓、端面線速度、PV值不是引起密封泄漏的根本原因。下面對摩擦副端面溫度T進行分析。

2.3 密封失效分析

當摩擦副端面溫度過高時，會造成摩擦副端面密封液膜高溫氣化。部分氣化的導生油在密封腔內(nèi)運動，一部分氣相介質(zhì)滲過摩擦副，破壞了摩擦副端面密封液膜，造成了摩擦副的局部干摩擦。摩擦副的局部干摩擦又將加劇摩擦溫度的升高和動環(huán)材料的磨損。在波紋管內(nèi)部，氣相導生油受熱碳化，堆積在密封腔內(nèi)，隨著碳化物的積累，結(jié)焦逐漸在波紋管內(nèi)部及密封面附近堆積，最后發(fā)展到影響機械密封摩擦副的正常工作，進而導致機械密封失效，引發(fā)介質(zhì)泄漏。

2.3.1 摩擦副端面溫度的計算

利用邁爾估算公式進行計算：

式中：

T——摩擦副端面溫度，℃；

T0——摩擦副周圍的介質(zhì)溫度，℃；

f——摩擦系數(shù)（取0.07，查流體動密封）；

pc——端面比壓，MPa（0.75）；

V——端面線速度，m/s（4.15）；

b——密封面寬度，m（0.0023）；

CW——散熱系數(shù)（0.2）；

λaλb——導熱系數(shù)W/（m*K），（λa=5，λb=100，查機械設(shè)計手冊第二卷）。

將2.2計算結(jié)果代入上式可得：

T=T0+23.86

依據(jù)上述計算結(jié)果，因動靜環(huán)磨擦產(chǎn)生的溫升為23.86℃。因此摩擦副周圍的介質(zhì)溫度T0決定了泵密封效果。

2.3.2 介質(zhì)溫度T0的推算

經(jīng)過對泵P-404的實際測量，機械密封靜環(huán)壓蓋外表溫度134℃；冷卻夾套泵端外表溫度168℃；冷卻水進出口溫差6℃。根據(jù)溫度梯度變化趨勢和密封安裝結(jié)構(gòu)，摩擦副部位的介質(zhì)溫度T0測算為145℃。

因此，P-404泵機封摩擦副端面溫度

T=T0+23.86=168.86℃

2.3.3 密封失效原因分析

（1）根據(jù)泵體結(jié)構(gòu)，密封冷卻水由軸承箱一側(cè)DN15管口進入，流經(jīng)軸承箱外壁冷卻腔體后，進入機封冷卻水套零件對密封部位進行冷卻，最后由出口排出。由于冷卻水進出口壓差小于0.05MPa，溫度差僅為6℃。這種工況表明密封腔內(nèi)介質(zhì)冷卻是不充分的。但冷卻效果有待量化。

（2）在機械密封沖洗中，摩擦副部位是介質(zhì)自沖洗結(jié)構(gòu)。沖洗介質(zhì)由泵渦殼外側(cè)經(jīng)導管接入密封腔，對摩擦副進行自潔。經(jīng)測量，沖洗液進出口管線無溫差。這證明摩擦熱不能被沖洗液帶走。

密封腔內(nèi)導生油的壓力與泵的入口壓力基本一致，操作壓力為0.1MPa。由導生油在不同溫度下的飽和蒸汽壓曲線圖2可知，導生油在壓力為0.1MPa的飽和蒸汽壓為0.2psia，氣化溫度130℃。也就是說導生油在0.1MPa的壓力和130℃的溫度下即會發(fā)生氣化。而摩擦副端面溫度為168.86℃。

可見，摩擦副液膜超溫氣化是導生泵P-404機械密封頻繁泄漏的根本原因。

因此，改善工況條件下機封內(nèi)導生油氣化結(jié)焦的情況需要降低摩擦副的工作溫度。在改造升級中，應(yīng)考慮增加輔助冷卻系統(tǒng)，對密封面進行沖洗，使摩擦副工作溫度低于130℃。

圖2　導生油在不同溫度下的飽和蒸汽壓曲線圖

3.改進措施

為增加輔助系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)，新機械密封選擇了四川日機密封件公司設(shè)計生產(chǎn)的串聯(lián)式集裝機械密封。密封各部材質(zhì)及主要參數(shù)見表3，彈簧比壓PS、端面比壓PC、摩擦副端面線速度VC、 PV 值見表4，符合工作要求。

表3　密封各部材質(zhì)及主要參數(shù)

表4　關(guān)鍵參數(shù)計算結(jié)果

3.1 輔助系統(tǒng)的選擇

根據(jù)API682-2014方案的選擇，主密封沖洗液從泵出口引出，經(jīng)冷卻器降溫后，送至密封腔，對密封面進行降溫，沖洗密封端面后返回泵腔，即Plan21方案。

輔助密封方案選擇為：通過外部儲液器向無壓雙重密封提供緩沖液，即Plan52方案。正常運行時，泵送環(huán)維持循環(huán)。儲液器工作時向廢氣回收系統(tǒng)排放氣體，壓力約為常壓，低于密封腔內(nèi)液體的壓力，實現(xiàn)緩沖液的正常流動。

3.2 輔助系統(tǒng)的建立

為了不使沖洗液流速過高而引起沖蝕，沖洗液壓力與軸封箱壓力差應(yīng)小于0.5MPa。P-404泵額定工況時出入口壓差為0.4MPa，因此選擇冷卻后的導生油作為主密封的沖洗液，接入密封部位，可以滿足要求。在沖洗結(jié)構(gòu)上，沖洗介質(zhì)從出口管線排氣管接入，沖洗液密封入口利用原有泵蓋的沖洗孔。

沖洗液溫度的確定。由于P-404泵介質(zhì)溫度240℃，為實現(xiàn)摩擦副端面溫度T＜130℃的目的，應(yīng)盡可能地降低摩擦副周圍的介質(zhì)溫度T0。機械密封改造中，采用冷卻器對沖洗液進行冷卻，冷卻器設(shè)計為盤管式，殼程為冷卻水，冷卻面積0.9m2。經(jīng)過實測，冷卻后的沖洗液溫度為93.6℃，摩擦副的工作溫度為120.6℃。這使介質(zhì)氣化結(jié)焦的問題從根本上得以解決。

緩沖液的選擇。第一，按照API 682的要求，緩沖液最好在操作溫度下具有10m2/s～32m2/s的運動粘度。第二，由于工作中將有少量的隔離緩沖液泄漏到工藝介質(zhì)中或有少量的工藝介質(zhì)漏到緩沖液體中。因此副密封的緩沖液必須與導生油具有相容性，并不會污染導生系統(tǒng)。第三，沖洗液要潔凈且對密封面有潤滑作用。根據(jù)上述條件，在新機械密封設(shè)立獨立的外部緩沖罐，緩沖介質(zhì)選擇為礦物白油。

由于結(jié)構(gòu)的變化，原軸承和機械密封冷卻被單獨進行。獨立的機封冷卻也保證了冷卻效果。

4.改進效果

按照上述要求，新機械密封改造后，各部位溫度對比變化明顯，具體情況見表5。經(jīng)過測量和計算，應(yīng)用新機械密封后摩擦副周圍介質(zhì)溫度T0=109℃，磨擦產(chǎn)生的溫升為11.6℃，摩擦副端面溫度120.6℃，低于導生油飽和蒸汽溫度130℃。解決了導生油氣化引起的密封端面結(jié)碳和密封失效問題。自改造運行以來，高溫導生泵P-404已穩(wěn)定運行9個月，工作正常，無泄漏。

表5　處理前、后溫度對比（℃）

結(jié)論

根據(jù)密封技術(shù)的進展，機械密封的額定壽命已經(jīng)提高到25000h。為了實現(xiàn)這樣的目標，結(jié)合設(shè)備工況條件選擇適當?shù)拿芊饨Y(jié)構(gòu)，必要時增加密封冷卻輔助系統(tǒng)，將摩擦副工作溫度控制在介質(zhì)氣化溫度以下是非常重要的。對高溫熱油泵，應(yīng)重點研究在工況壓力下的介質(zhì)飽和蒸汽壓對機械密封的影響。根據(jù)介質(zhì)特性確定機械密封結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，保證摩擦副的工作溫度和壓力，從而實現(xiàn)機械密封的可靠性和可用性。

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