煉化企業高危泵機械密封失效分析及對策

閔浩晨 丁 偉 郭 睿

（1.蘭州理工大學機電工程學院，甘肅蘭州730050；2.中國石油蘭州石化分公司，甘肅蘭州730060）

0 引言

煉化企業高危泵主要包括高溫熱油類泵，即輸送介質最高運行溫度大于或等于自燃點或介質溫度大于200℃的機泵；輕烴類泵，即輸送介質為在大氣壓力下容易揮發的烴類物質（一般是指碳五或更輕的烴類物質的單體或其混合物）的機泵。有毒有害類泵即輸送毒性程度在重度及重度以上介質的機泵。

在化工企業歷次事故中可以看到化工裝置原料泵密封失效，引發火災的案例較為突出，我們在這里針對高危泵機械密封類型失效問題，就選型、沖洗、運行、監測、檢修、管理等因素進行總結，以提高設備的安全管理水平。

1 機械密封失效的原因分析

機械密封是一種旋轉式流體機械的軸封裝置，是為了防止介質從設備內泄漏到外界，或空間氣體侵入到設備內部的裝置或措施。按密封端面對數分類有單端面密封、雙端面密封、多端面密封等。其主要部件為動環、靜環、冷卻裝置、壓緊彈簧、密封膠圈和輔助密封件。

化工裝置高危泵均處在高溫、高壓、強腐蝕的物料和苛刻工況環境下運行，因物料性質和工況環境非常復雜，機泵機械密封在使用的過程中存在微小泄漏，都可能出現令人尷尬和難以挽回的局面。下面分析機械密封失效的原因，以制定有效的應對措施。

1.1 機械密封結構選擇不合理

在設計中由于對機泵工作狀況的掌握不夠，對一些工況按照一般情況考慮使用了單端面機械密封，沒有從設施的安全性上優先考慮。單端面密封結構簡單，適用于一般油品等泄漏量要求不嚴格的生產場所。

1.2 機械密封的沖洗狀況不符合運行工況要求

在輸送易結晶或有細小顆粒的介質時，必須有一定壓力和一定流量的沖洗液進行沖洗，否則結晶體或微粒會加速密封副的磨損，并影響密封副磨損后的自動補償而導致發生泄漏。

1.3 機械密封的材質選擇不合適

機械密封的材質與所輸送的介質不相匹配，在運行時，密封元件就會很快被腐蝕、溶解或磨損，因而失去密封能力。根據輸送介質的性質選擇機械密封的材質是保證其密封性能和正常壽命的先決條件。

1.4 機械密封的密封壓力測定不準確

機械密封所能承受的壓力都是一定的，但由于對密封腔內的壓力測算不準或壓力大幅度波動，造成密封腔內的壓力超過了機械密封所能承受的壓力，從而導致物料外泄，這是機械密封常見的失效原因。

1.5 機械密封的工作溫度不適宜

在有冷卻管路的設計中，往往由于冷卻介質的流量不足、冷卻介質溫度高而使冷卻效果降低；在沒有冷卻管路和沖洗的設計中，密封腔內經常由于窩存空氣而造成機械密封處于干摩擦狀態，進而使密封溫度急劇上升，導致動、靜環破裂。

1.6 在使用單彈簧的機械密封時

忽略彈簧的旋轉方向與泵轉子轉動方向的正確組合，沒有按照設計說明安裝，裝配錯誤，沒有做到因為轉子的旋轉而使機械密封的彈簧力加大而是相反，結果造成動環和靜環摩擦副壓力不足而形成泄漏。

1.7 機泵產生振動影響密封的穩定性

主軸變形，產生徑向振動，將影響密封的穩定運行；軸承嚴重磨損和損壞，使泵軸產生嚴重的軸向竄動或徑向振動，也會導致機械密封泄漏。

1.8 機械密封監測、報警不到位

沒有設置振動監測和泄漏報警裝置，報警信號不能遠傳到操作室，沒有及時發現機械密封的泄漏和失效，造成機械密封沒有得到及時維修。

2 改進方案與對策

在煉化裝置原設計中，機泵一般都采用單端面機械密封，因物料特性的復雜性，當密封失效時發生泄漏，極易造成不可挽回的嚴重損失。為了更好地確保裝置安全平穩運行，應將機泵的密封改造為雙端面密封，以達到“零泄漏”的目的。

2.1 密封選型原則

在設備安全使用過程中根據工作的特性界定高危泵范圍，對高溫熱油類泵、輕烴類泵、有毒有害類泵分別制定機泵密封實施方案，在密封選型和方案配置中，依據機泵安裝的有效空間和場所進行合理選擇，并能夠在全壽命周期使用過程中滿足機械密封的密封性、安全性、經濟性、有效性。

2.2 密封選型方案

2.2.1 高溫熱油類機械密封的選型

可選擇背靠背、面對面、面對背有壓雙端面密封等類型，這種密封結構在工作時在兩端面間引入高于介質壓力的密封液以改善端面間的油滑及冷卻，并將物料與外界隔離，以增強密封的效果。

2.2.2 輕烴介質泵機械密封的選型

可選無壓面對背雙密封或有壓雙密封。無壓面對背雙密封是適用于壓力低于密封介質的緩沖流體的雙密封，有壓雙密封是適用于壓力高于密封介質的阻塞流體的雙密封。

2.2.3 有毒有害介質泵機械密封的選型

可選有壓雙密封，但在一些特殊情況下可以根據工作溫度、工況特點進行專門設計。

2.3 密封系統沖洗方案的選擇

2.3.1 輕烴介質泵沖洗方案的選擇

輕烴介質泵沖洗方案的選擇條件，可依據生產工況、物料性質、溫度、壓力、潤滑以及物料的相宜性來確定。雙密封沖洗方案可依據上述條件選擇，如在烯烴裝置中可采用自沖洗方案：首先再循環由泵的出口引入，經由一個流量控制口和冷卻器，然后進入前端密封腔內，可以有效降低密封的機封溫度；其次，由外部對系統密封的外側密封提供沖洗液，在正常的運行下，由各內部泵送環保持循環，儲液器必須聯通放空或接通火炬管網，當內側密封失效時，外側密封可以阻擋被密封介質向外泄漏可燃氣體排向火炬系統，當儲液器壓力升高時，可以通過壓力信號遠傳報警，以提醒更換密封。

2.3.2 有毒有害介質泵沖洗方案的選擇

有毒有害介質泵沖洗方案的選擇條件可以依據生產工況、物料毒性以及物料的相宜性來確定。雙密封沖洗方案可依據上述條件選擇，如在丙烯烴裝置中可以采用自沖洗方案，首先使用上面的方法；其次，從外部管線為受壓的雙密封布置的外側密封提供沖洗液，預加壓的皮囊式儲能器為循環系統提供壓力，一個內部泵送環來保持流體流動，熱量由一個冷卻器從循環系統中除去，以保持密封系統在溫度適宜的條件下運行。

3 安裝技術和使用對策

（1）機械密封在安裝前，應對機軸進行嚴格檢查，對主機軸的竄動量、擺動量和撓度在檢修中進行測定。一般要求軸的竄動量不大于-0.5 mm，軸的擺動量不大于0.06 mm，軸的撓度不大于0.05 mm，以確保機械密封的安裝精度。

（2）密封材質的選擇：石墨環均采用優質的抗皰疤碳石墨，可有效降低機泵的維修率，增強密封使用的可靠性。密封結構選擇A型密封，摩擦副配對材料宜選用摩擦熱低、傳熱性好的材質；針對具有腐蝕性的介質，選擇耐腐蝕性密封材質，以提高機封面的耐腐蝕性。

（3）彈性元件的選取方面，高溫泵密封彈簧采用耐高溫金屬波紋管，金屬波紋管具有防腐蝕特性、耐高溫性、耐疲勞性；采用沖洗方案時，應盡量選擇滿足承受正、反兩個方向壓力的要求的介質側密封；大氣側密封與介質側密封應保證具備同樣的性能，以保證機泵在主密封失效時后側機械密封仍然完好有效。

（4）在儲液罐設置高、低液位報警，其頂部排放上配限流孔板和單向閥（根據需要選配），并將排放系統與火炬放空管線聯通，在主密封泄漏后能將可燃氣體排出，以防止高溫易燃介質的外泄造成危險。

（5）設手動補液泵的可以在沖洗系統壓力不足時補充沖洗液，以保住系統壓力恒定，但在進行補液時不能超過預設壓力值，壓力過高也會導致密封損壞。

（6）沖洗液的選擇：可用導熱油、耐高溫白油等或相適宜的物料，選用條件為耐高溫、不結焦、不產生污染和雜質。當油類沖洗液與介質不相容時，必須考慮物料與沖洗液的相宜性，外引沖洗液要采用穩定、潔凈、與介質相容且不會發生汽化、化學反應的物料進行沖洗。

（7）完善報警系統：報警系統對于高位泵的安全使用是至關重要的，根據生產的特點合理配置，可以達到安全警示的目的，如設置壓力和高/低液位報警、流量報警，并將信號和報警系統引入DCS操作系統。針對重催裝置中油漿泵進行改造，將壓力和高/低液位報警信號引入操作室DCS操作系統等，可以達到實時監測的目的。

（8）輔助密封的選擇：材料要有耐熱性、耐腐蝕性和介質相容性，在選擇輸送高硫化氫含量介質的密封時，輔助密封元件應考慮耐硫化氫材料，如全氟醚橡膠，其具有優異的耐高溫性能：耐熱性方面，在300℃的高溫下也能保持橡膠的彈性特征；耐化學性方面，對所有化學品都具有優異的耐受性。

4 日常管理與維護對策

（1）制定操作規程和維護作業規程，并嚴格執行；操作人員要關注高危泵的報警情況，發現異常，及時處理，定期檢查冷卻水、沖洗油、沖洗液、冷卻器、密封壓力、溫度、液位等情況，確保系統運行正常。（2）對操作、巡檢、維修、維護、管理人員進行專業化培訓，使其掌握高危泵的管理與維護技能，做到對高危泵及輔助系統的正確安裝、規范管理，檢修維護、清潔和無泄漏等具體要求。（3）在改造設計時要考慮密封系統管路在工作現場布置合理，便于介質的循環和流動，利于檢修，防止人員踩踏，防止造成介質外漏和不必要的人為損壞。（4）對機泵的運行進行動態監測，對高危泵振動頻譜進行分析，更準確掌握機泵日常的運行情況，分析振動波動異常數據，防止因振動超標、軸承故障等造成密封損壞，并依據振動頻譜分析確定機泵檢修計劃，采取處理措施加以處理。（5）安排專業管理人員，配備必要的測振、測溫儀器，依據監測數據，全面分析診斷故障，保證機泵正常運行，制定有針對性的整改措施。（6）在新建、改建等工程中，購機泵前應根據工況提出準確的機泵工況條件、工藝介質和技術要求，對符合要求的機泵選用符合規定的機械密封，并進行可靠的技術交流和論證，以選擇適合相關工作環境的產品。（7）建立專項應急預案，明確在出現異常時采取有效的應對措施進行處理，以提高緊急狀況下的應急處理能力。

5 結語

近年來，通過高危泵改造和日常嚴格的管理，煉化企業高危泵介質泄漏引發的爆炸中毒事件得到了有效的控制，將機械密封由單端面改為雙端面密封，有效避免了高溫油泵主密封的失效，避免了高溫易燃介質外漏造成的危險；也實現了輕烴泵、有毒有害介質泵的零溢出和嚴管控的目標，給企業安全平穩運行提供了物質基礎。