貧甲醇泵機械密封失效原因分析及改進

董大為，侯留松，陳玉超

(河南晉開化工投資控股集團有限責任公司，河南開封 475000)

貧甲醇泵以其能源利用率高、技術成熟等特點被廣泛應用于國內外合成氨、合成甲醇的工藝設備中[1-2]。貧甲醇泵是低溫甲醇洗崗位為甲醇循環提供動力的關鍵設備，其運行穩定是工藝系統正常作業的關鍵[3]；由于貧甲醇具有易燃易爆的特點，一旦發生泄漏，將極大地影響生產安全。一些專業技術人員針對貧甲醇泵的密封問題通過優化結構[4-5]、改進安裝技術[6]和應用新型密封方式[7]等來提高其密封的使用壽命。現針對河南晉開化工投資控股集團有限責任公司(以下簡稱晉開化工)二分公司貧甲醇泵機械密封壽命短(3個月左右)、失效周期與檢修時間不匹配進而嚴重影響正常施工的現狀，通過對貧甲醇泵密封失效情況進行分析，提出在不改變現有結構的基礎上，僅改變配合關系和密封件材質的方式，可大幅提高其機械密封結構的使用壽命。

1 機械密封原理

以晉開化工二分公司凈化車間GSG 200- 400(S)(S)(Bd)- x4型筒袋式貧甲醇泵為例，對其高低壓端機械密封失效原因進行分析。該泵為4級離心泵，通過電機驅動，轉速為2 980 r/min，流量為509 m3/h，入口壓力為0.4 MPa，揚程為678 m，工作溫度為101.9 ℃。

機械密封亦稱為端面密封，是靠一對或數對垂直于軸作相對滑動的端面，在流體壓力和補償機構的彈力作用下，依賴輔助密封的配合與另一端保持貼合并相對滑動，從而防止泄漏。貧甲醇泵機械密封為串聯式雙端面機封，該機械密封結構示意如圖1所示。

1.軸套 2,4,6.O形圈 3,8.靜環 5.壓蓋 7.動環F1，F2.機械密封圖1 機械密封結構示意

沖洗方案一：從泵排出口引入介質經過限流孔板進入機械密封F1、F2，對泵體側機械密封沖洗。

沖洗方案二：外設緩沖管對外側機封提供緩沖液。

2 失效形式

通過把密封失效的貧甲醇泵拆卸，發現密封失效主要是由密封圈的失效引起的，其失效后的形態如圖2所示：

圖2 失效后的密封圈形態

由圖2可以看出，密封失效的密封圈變硬脆化呈矩形狀，接觸表面有徑向裂紋，表面硬化反光，密封圈存在明顯的變形和老化現象。由此判斷，密封圈失效是引起密封泄漏的主要原因。

3 密封圈失效原因分析

引起密封圈失效的原因主要有永久變形、間隙咬傷、磨損、焦耳熱等。通過對貧甲醇泵內部密封結構受力、受熱及運動工況分析，導致其失效的主要原因有以下幾個方面。

3.1 密封圈永久變形

貧甲醇泵內流體最高溫度達到101.9 ℃，屬于高溫工作環境。高溫的條件會加速橡膠材料的老化，工作溫度越高，O形密封圈的壓縮變形量越大，也就越易形成永久變形；當變形量大于40%時，即會形成泄漏[8]。而密封結構所使用密封圈材料為丁腈橡膠，其在高溫條件下易引起材質變硬，進而導致密封圈彈性消失，發生泄漏。由密封圈在高溫下所導致的變形老化是出現機械密封泄漏的主要原因之一。

3.2 泵內壓力變換影響

機械密封的密封圈主要是靜止密封，其受力方向如圖3所示。密封腔體所受壓力主要來自：泵首級葉輪處引出的密封沖洗介質、泵入口介質壓力、平衡裝置減壓后的壓力。密封腔體內壓力隨工況負載變化而改變，密封圈受力改變，其壓縮量也會發生變化。根據目前工況，選擇彈性形變量大、回彈能力更強的密封圈。

圖3 密封結構受力示意

3.3 密封圈尺寸

密封圈線徑與密封圈溝槽尺寸的大小和配合關系決定了密封圈變形量及其接觸壓力，對密封圈的使用壽命影響至關重要。密封圈溝槽尺寸如表1所示，密封圈線徑太小，壓縮預緊力過小，泵內介質壓力大，會造成泄漏；密封圈線徑過大，密封圈壓縮量大，彈性形變大，易造成密封圈失效。機械密封所用密封圈溝槽寬度5.0 mm、深度3.2 mm。根據密封圈失效情況來看，O形圈預壓縮量較小，線徑偏小，在高溫下，密封圈發生線膨脹。一旦密封圈出現性能下降，容易出現泄漏。

表1 密封圈溝槽尺寸 mm

4 改進措施

(1) 密封圈2、4、6 材質均為丁腈橡膠，其耐高溫性能滿足不了該泵的工作環境，為更好地適應密封結構的高溫工況，可選擇耐溫性能更高、彈性更強、性能更穩定的硅橡膠密封圈結構。

(2) 調整橡膠密封圈線徑，根據其壓力變化和溝槽尺寸情況，將密封圈4和密封圈6的線徑由原來的3.50 mm調整為3.65 mm，將密封圈2的線徑由原來的3.40 m調整為3.55 mm。

(3) 穩定生產負荷，盡量避免泵負載頻繁變化。

基于上述改進措施，對晉開化工二分公司凈化車間的貧甲醇泵密封結構及保養方式進行改進，改進后的密封結構正常運行8個月無泄漏、無失效。

5 結語

針對筒袋式貧甲醇泵密封結構使用壽命短、失效頻繁等問題，通過對主要失效部件的分析，指出密封圈失效是導致其密封失效的主要原因，進一步提出了對機械密封的密封件材質和尺寸的改進措施。通過對密封結構的改進，使得晉開化工二分公司凈化車間的筒袋式貧甲醇泵機械密封使用壽命由原來的3.5個月延長至8個月，使得密封結構的維修與車間大修周期匹配，減少了停車次數，為整個系統穩定生產提供了保障。

參考文獻

[1] Kawasaki S,Wijaya W Y,Watanabe H,et al.A Proposal of Waste Heat Recovery System Through Methanol Steam Reforming Integrated With Absorption Heat Pump[C]∥ASME/JSME 2011 8th Thermal Engineering Joint Conference，2011.

[2] He Z,Zhao Z,Zhang X,et al. Thermodynamic properties of new heat pump working pairs: 1,3-dimethylimidazolium dimethylphosphate and water, ethanol and methanol[J].Fluid Phase Equilibria,2010,298(1):83- 91.

[3] 趙月剛，高玉林，胡福生.低溫甲醇洗工藝中貧甲醇泵的結構選型及應用[J].水泵技術，2013(1)：8- 10.

[4] 張守年.淺析低溫甲醇泵機械密封的改造[J].化學工程與裝備，2017(1)：139- 140.

[5] 徐志才.低溫甲醇泵機械密封的改造[J].中國設備工程，2011(2)：61- 62.

[6] 趙月剛.6×13 DMXD- G- 5型貧甲醇泵安裝技術要點[J].小氮肥，2016，44(10)：3- 4.

[7] 陳先銀.干氣密封在甲醇泵上的應用[J].流體機械，2009(8)：40- 42.

[8] 徐光華.O形密封圈的失效原因及防止措施[J].無線互聯科技，2014(11)：93- 93.