裝車泵機(jī)械密封泄漏原因分析及處理

黃林林 汪元德

（中國(guó)石油蘭州石化公司化肥廠)

裝車泵機(jī)械密封泄漏原因分析及處理

黃林林*汪元德

（中國(guó)石油蘭州石化公司化肥廠)

針對(duì)濃硝酸儲(chǔ)運(yùn)單元裝車泵機(jī)械密封頻繁泄漏的問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢修觀察、主要性能參數(shù)計(jì)算等方法綜合分析了其機(jī)械密封失效原因。研究表明，機(jī)封端面比壓偏高、無(wú)循環(huán)沖洗系統(tǒng)，是機(jī)械密封故障頻繁的原因。采取降低端面比壓、降低出口管線標(biāo)高、增加循環(huán)自沖洗系統(tǒng)等措施，可使機(jī)封使用壽命得到延長(zhǎng)，泵檢修頻率由20次/年降低到4次/年。

濃硝酸 機(jī)械密封 端面比壓 平衡型 裝車泵 儲(chǔ)運(yùn)

1 裝車泵簡(jiǎn)介

蘭州石化公司化肥廠15萬(wàn)t／a濃硝酸裝置由山東省化工規(guī)劃設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，于2006年4月投產(chǎn)。該裝置主要包括硝酸鎂制備、稀硝酸濃縮、硝酸鎂蒸發(fā)和濃硝酸儲(chǔ)運(yùn)四個(gè)單元。其中，濃硝酸儲(chǔ)運(yùn)單元具有濃硝酸儲(chǔ)存、外送、裝車 （火車、汽車）等流程，儲(chǔ)運(yùn)能力9.6萬(wàn)t/a，管道外送能力5.4萬(wàn)t/a（供苯胺裝置），火車裝車外運(yùn)能力9.36萬(wàn)t/a，汽車裝車外運(yùn)能力0.24萬(wàn)t/a。濃硝酸儲(chǔ)運(yùn)單元1#裝車泵用于向苯胺裝置輸送濃硝酸以及向運(yùn)輸槽車輸送濃硝酸。自濃硝酸裝置開(kāi)車以來(lái)，該裝車泵機(jī)械密封頻繁泄漏，2011年至2014年該泵年平均檢修次數(shù)達(dá)20次，嚴(yán)重影響了濃硝酸外送和裝車工作。因此，解決1#裝車泵機(jī)械密封的泄漏，延長(zhǎng)泵的運(yùn)行周期，已成為生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。

濃硝酸儲(chǔ)運(yùn)單元1#裝車泵 （設(shè)備號(hào)B-101A）為單級(jí)離心泵，主要用途為： （1）將7臺(tái)濃硝酸儲(chǔ)罐中的98%濃硝酸送往苯胺裝置，輸送距離約為200 m，每8 h輸送1次； （2）將濃硝酸送往

濃硝酸高位槽，通過(guò)裝車鶴管裝入運(yùn)輸槽車。該泵的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 1#裝車泵的主要技術(shù)參數(shù)

1#裝車泵機(jī)械密封為單端面內(nèi)裝式機(jī)械密封（見(jiàn)圖1），動(dòng)、靜環(huán)材質(zhì)均為碳化硅 （SiC）陶瓷。碳化硅 （SiC）是一種新型的、性能非常良好的摩擦副材料，它具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）質(zhì)量小，比強(qiáng)度高； （2）具有一定的自潤(rùn)滑性，摩擦系數(shù)小；（3）硬度高，耐磨損，組對(duì)性能好； （4）化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕； （5）耐熱性能好，導(dǎo)熱性能良好，耐熱沖擊。同時(shí)也具有缺點(diǎn)：質(zhì)脆，抗機(jī)械沖擊性能稍差。

圖1 裝車泵機(jī)械密封

2 裝車泵故障情況

該裝車泵自投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行狀況差，機(jī)械密封經(jīng)常泄漏，不但造成人力、物力耗費(fèi)極大，也造成了環(huán)境污染，給裝置生產(chǎn)帶來(lái)困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年至2014年該泵年平均檢修次數(shù)為20次。通過(guò)檢修發(fā)現(xiàn)的情況有： （1）動(dòng)靜環(huán)表面有均勻的環(huán)狀溝紋,靜環(huán)碎裂，破碎斷面顏色發(fā)藍(lán) （見(jiàn)圖 2）；

（2）動(dòng)靜環(huán)上有白色粉末顆粒 （見(jiàn)圖3）。

圖2 靜環(huán)損壞情況

圖3 動(dòng)環(huán)上附著的白色粉末顆粒

3 故障原因分析

摩擦副表面出現(xiàn)均勻的環(huán)狀溝紋，這是機(jī)械密封常見(jiàn)的失效形式。機(jī)械密封失效的主要原因有：

（1）采用了非平衡型密封，載荷系數(shù)太大，pcv值高，產(chǎn)生大量的摩擦熱，使得介質(zhì)汽化；

（2）抽空或汽蝕，使密封面出現(xiàn)干的或半干摩擦；

（3）介質(zhì)不清潔，或出現(xiàn)結(jié)晶、結(jié)焦等細(xì)小的固體顆粒。下面對(duì)故障的原因作一分析。

3.1 泵出口壓力p2

98%濃硝酸密度ρ=1.501×103kg/m3，泵的揚(yáng)程h=60 m，泵入口直徑 D1=65 mm，泵出口直徑D2= 40 mm，泵額定流量Q=30 m3/h。

入口流速

出口流速

由伯努利方程

式中 p1——泵入口壓力；

p2——泵出口壓力。

由于z2≈z1，因此可將泵出口壓力視為

泵入口壓力p1為濃硝酸罐靜壓。若濃硝酸罐（DN4200）液位為2 m，則

泵出口壓力

由于該泵葉輪無(wú)平衡孔，因此密封腔流體壓力pL約等于泵出口壓力p2，即pL≈p2＝0.884 MPa。

3.2 密封流體壓力作用比壓pe及平衡系數(shù)β

對(duì)軸套及機(jī)械密封進(jìn)行測(cè)量可知，平衡直徑db＝35 mm，密封端面內(nèi)徑d1＝38 mm，密封端面外徑d2＝45 mm。因此平衡系數(shù)β可按下式計(jì)算：

密封流體壓力作用比壓

式中 Δp——機(jī)械密封內(nèi)外側(cè)流體壓力差；

pL——密封腔流體壓力;

patm——大氣壓力。

經(jīng)查資料可知，對(duì)于內(nèi)裝非平衡式機(jī)械密封，通常取平衡系數(shù)β＝1.1～1.3。顯然，該泵機(jī)封平衡系數(shù)偏高。

3.3 彈簧比壓ps

該機(jī)封的壓縮量為3 mm，通過(guò)計(jì)算得彈簧比壓為0.27 MPa。經(jīng)查資料可知，對(duì)于內(nèi)裝式機(jī)械密封，通常取彈簧比壓ps＝0.05～0.3 MPa，彈簧比壓符合要求。

3.4 密封端面間液膜平均壓力pm及反壓系數(shù)λ

經(jīng)查資料可知，對(duì)于內(nèi)裝式機(jī)械密封，一般液體反壓系數(shù)λ＝0.5。因此，密封端面間液膜平均壓力pm可按下式計(jì)算：

3.5 端面比壓pc

經(jīng)查資料可知，內(nèi)裝式機(jī)械密封端面比壓pc＝0.3～0.6 MPa，顯然，該泵機(jī)封端面比壓pc偏高。

3.6 工作pcv值

經(jīng)查資料可知，靜環(huán)碳化硅、動(dòng)環(huán)碳化硅摩擦副材料組合的許用工作pcv值 ［pc］v＝14.5 MPa·m/s，該泵機(jī)封pcv符合要求。

3.7 其他方面

該泵機(jī)械密封為非平衡型密封，由上述計(jì)算可知，雖然pcv值滿足要求，但平衡系數(shù)偏高，端面比壓偏高，動(dòng)靜環(huán)摩擦副產(chǎn)生的摩擦熱較大，且該機(jī)封無(wú)自沖洗管線，機(jī)封運(yùn)行時(shí)的熱量無(wú)法帶走，機(jī)封冷卻效果差。由圖2可知，靜環(huán)破碎斷面顏色變藍(lán)，機(jī)封動(dòng)環(huán)由于端面溫度高，受熱不均而發(fā)生碎裂。因此，機(jī)封端面比壓偏高，無(wú)循環(huán)沖洗系統(tǒng)，是機(jī)封動(dòng)靜環(huán)出現(xiàn)環(huán)狀溝紋、破裂的主要原因。

泵入口管線、出口管線均設(shè)有排酸導(dǎo)淋閥。在開(kāi)泵過(guò)程中，需打開(kāi)導(dǎo)淋閥排出泵體和管線內(nèi)氣體。操作人員在開(kāi)泵過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生排氣不完全的情況，這會(huì)導(dǎo)致機(jī)封動(dòng)靜環(huán)干磨。因此，操作維護(hù)不到位是機(jī)封動(dòng)靜環(huán)出現(xiàn)環(huán)狀溝紋、破裂的次要原因。

機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)一般采用一硬一軟配對(duì)使用，在介質(zhì)中有固體顆粒等特殊情況時(shí)才選用硬對(duì)硬配對(duì)使用。

由圖3可見(jiàn)，機(jī)封上附著有白色粉末顆粒，可能為硝酸鹽 （硝酸銨等）結(jié)晶物。但是該機(jī)封動(dòng)、靜環(huán)材質(zhì)均為碳化硅 （SiC）陶瓷，為硬對(duì)硬結(jié)構(gòu)，機(jī)封材質(zhì)的選擇是正確的。因此，濃硝酸介質(zhì)中的粉末固體顆粒不是機(jī)封出現(xiàn)環(huán)狀溝紋的主要原因。

4 改進(jìn)措施

4.1 降低機(jī)封端面比壓

由機(jī)封端面比壓pc的計(jì)算式

可知，降低端面比壓可采取的措施有：降低泵密封腔壓力pL、降低平衡系數(shù)β、調(diào)整降低彈簧比壓 ps。

（1）通過(guò)切割葉輪，降低泵出口壓力p2，就可降低密封腔壓力pL、端面比壓pc。

葉輪直徑D＝200 mm，若通過(guò)葉輪切割將額定揚(yáng)程調(diào)整為h1＝40 m，則根據(jù)葉輪切割定律

通過(guò)計(jì)算可知，該泵比轉(zhuǎn)速Ns＝45.59。查閱資料知，比轉(zhuǎn)速Ns≤60時(shí)，葉輪最大切割量為20%。因此，取葉輪直徑為170 mm，切割量為15%，滿足要求。這時(shí)，額定揚(yáng)程為

泵出口壓力為

（2）改為平衡型機(jī)械密封，降低平衡系數(shù)β。

經(jīng)查資料可知，對(duì)于內(nèi)裝平衡式機(jī)械密封，通常可取平衡系數(shù)β＝0.55～0.85，故取β＝0.70。

由下式

計(jì)算得出平衡直徑db＝40.23 mm，取db＝40 mm。

改進(jìn)后機(jī)械密封平衡系數(shù)

端面比壓

經(jīng)查資料可知，內(nèi)裝式機(jī)械密封端面比壓pc＝0.3～0.6 MPa，改進(jìn)后機(jī)封端面比壓符合要求。

（3）重新配管，降低泵出口管線標(biāo)高。

將外送苯胺車間濃硝酸的管線 （苯胺十字處）高度降低7.5 m，泵克服位差所需的實(shí)際揚(yáng)程降低了，從而就可降低泵出口壓力p2（約0.11 MPa）。

4.2 安裝機(jī)封反沖洗管線

加工制作接頭，配制機(jī)封反沖洗管線。從密封腔引出介質(zhì)返回泵入口處，利用介質(zhì)自身循環(huán)沖洗密封腔，帶走摩擦產(chǎn)生的熱量。

4.3 加強(qiáng)技術(shù)管理

加強(qiáng)員工操作培訓(xùn)，要求在開(kāi)泵過(guò)程中，打開(kāi)出入口導(dǎo)淋閥，排盡泵體、管線內(nèi)的氣體，以防止機(jī)封干磨。

加強(qiáng)與檢維修單位溝通，提高機(jī)封備件質(zhì)量，從而提高機(jī)封使用壽命；提高檢修質(zhì)量，保證各項(xiàng)檢修數(shù)據(jù)符合要求，防止泵出現(xiàn)振動(dòng)等異常情況。

5 結(jié)論

機(jī)械密封是石油化工企業(yè)離心泵的薄弱環(huán)節(jié)，機(jī)械密封泄漏是造成設(shè)備頻繁維修的主要原因。引起機(jī)械密封泄漏的原因很多，涉及機(jī)械密封設(shè)計(jì)選型、制造、安裝、工藝操作等多方面。而精準(zhǔn)找到故障原因，需要技術(shù)人員嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度、執(zhí)著的求真精神，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察、詢問(wèn)、檢查、檢測(cè)等手段進(jìn)行綜合分析、推理和判斷，才能通過(guò)故障現(xiàn)象找到故障本質(zhì)。

針對(duì)該裝車泵出現(xiàn)的故障，通過(guò)采取降低端面比壓、降低出口管線標(biāo)高、增加循環(huán)自沖洗系統(tǒng)等改進(jìn)措施，解決了該泵機(jī)封頻繁失效的問(wèn)題，機(jī)封使用壽命得到延長(zhǎng)，降低了泵的檢維修次數(shù)，檢修頻率由20次/年降低到了4次/年，節(jié)省了人工成本和檢修備件費(fèi)用，為裝置的安穩(wěn)運(yùn)行提供了保障。

[1]王汝美．實(shí)用機(jī)械密封技術(shù)問(wèn)答 [M]．北京：中國(guó)石化出版社,2004：52-54.

[2]魏龍．泵維修手冊(cè) [M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：37-38.

[3]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè) [M]．北京：宇航出版社，1995：47-48.

Cause Analysis and Treatment of Mechanical Seal Leakage of Loading Pump

Huang Linlin Wang Yuande

According to the frequent leakage of the mechanical seal for loading pump of concentrated nitric acid storage and transportation unit,the failure reasons were analyzed through the field maintenance and observation, the main performance parameters calculation and other methods.The research showed that the high end surface pressure of the mechanical seal and the absence of circulating flushing system were the reasons for the frequent failure.By taking measures such as reducing the end face pressure,reducing the level of the outlet pipe,adding the circulating self-flushing system,the service life of the mechanical seal could be prolonged,and the maintenance frequency of the pump would be reduced from 20 times per year to 4 times.

Concentrated nitric acid;Mechanical seal;End face pressure;Equilibrium type;Loading pump; Storage and transportation

TH 311

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.007

2016-07-11）

*黃林林，男，1984年生，工程師。蘭州市，730060。