高溫油泵機械密封失效原因分析

鄧宗華，張洪，張鵬飛

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高溫油泵機械密封失效原因分析

鄧宗華1，張洪2，張鵬飛2

（1.中石油廣西石化公司，廣西 欽州 535000；2.四川日機密封件股份有限公司，四川 成都 610045）

油泵超過300℃即屬于高危泵。泵廠原采用單端面波紋管密封，但使用周期短、更換頻率較高，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)，甚至密封一旦失效、泄漏的高溫油介質(zhì)將直接進入大氣起火燃燒。為了裝置的安全，對油泵機械密封進行了改造，采用雙端面波紋管密封、沖洗方案PLAN41＋53B，但仍存在密封使用壽命短的問題，為此對該油泵的機械密封及系輔助統(tǒng)進行了拆解和分析，找到了問題產(chǎn)生的原因，通過改進機械密封的結(jié)構(gòu)及沖洗方法，提高了密封壽命。

高溫油泵；失效分析；機械密封結(jié)構(gòu)；沖洗方案

通常，高溫油泵采用雙端面波紋管密封3CW-FF、沖洗方案PLAN41＋53B，即用帶懸液分離器、換熱器的自沖洗＋強制循環(huán)密封液的雙端面密封，同時摩擦副采用硬質(zhì)合金對石墨，如圖1所示。在催化油漿泵工況溫度320～400 ℃條件下這種方案使用情況好。常三中油泵密封介質(zhì)溫度307℃，采用該方案，但在使用過程中，密封經(jīng)常泄漏，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。

位號110-P118AB有一開一備AB兩臺泵交替工作，常三油泵CD810×12×27B，葉輪為單級、雙吸，兩端支撐泵，輸送介質(zhì)為重柴油，介質(zhì)溫度307℃，泵吸入/出口壓力為0.37/1.043 MPa，是公司的重要裝置之一。泵廠原采用單端面波紋管密封，但使用周期短、更換頻率較高，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，且密封一旦失效，泄漏的高溫油介質(zhì)將直接進入大氣起火燃燒。為了裝置的安全，對其進行了改造。采用雙端面波紋管密封3CW-FF，沖洗方案PLAN41＋53B。端面組對為硬質(zhì)合金對石墨。2013年6月初進行A泵第一次試車，當(dāng)時開車正常，但不到3周二級密封即大氣側(cè)密封出現(xiàn)呈線狀泄漏，PLAN 53B系統(tǒng)完全保不住壓力。對B泵進行試車，運行不到2周，密封出現(xiàn)和A泵同樣的泄漏現(xiàn)象。后面連續(xù)試車幾次均出現(xiàn)同樣現(xiàn)象。為此，對該油泵的機械密封及系統(tǒng)進行了拆解分析。

1.內(nèi)壓蓋 2.一級波紋管密封（一、二級互換） 3.螺釘 4.彈簧墊圈 5.壓緊套 6.擋圈 7.軸套 8.纏繞墊 9.內(nèi)壓蓋 10.螺釘 11.定位塊 12.螺栓 13、14.螺釘

1 機械密封泄漏原因分析

1.1 石墨摩擦副端面有皰疤

皰疤是指碳石墨密封環(huán)在使用過程中出現(xiàn)鼓泡、起層甚至凹坑的現(xiàn)象。皰疤現(xiàn)象（圖2）的出現(xiàn)，會使密封面局部形成液態(tài)或氣態(tài)凹流，造成液膜厚度波動，破壞緊密貼合的摩擦面，在壓力作用下介質(zhì)通過密封面導(dǎo)致泄漏。通常認(rèn)為皰疤是由于密封端面散熱不好造成的。

1.2 波紋管失去彈性補償功能

拆解發(fā)現(xiàn)大氣側(cè)波紋管內(nèi)側(cè)結(jié)焦（圖3）。在壓力作用下介質(zhì)穿過摩擦副端面向低壓側(cè)泄漏。穿過摩擦副端面時，帶走摩擦副端面產(chǎn)生的摩擦熱，越靠近低壓側(cè)、其溫度越高。如果泄漏后的高溫介質(zhì)產(chǎn)生結(jié)焦顆粒物，會在波紋管內(nèi)側(cè)不斷堆積，致使波紋管剛度增大，端面比壓隨之增大，摩擦熱近一步加大，從而形成惡性循環(huán)。經(jīng)測量結(jié)焦堵塞后的波紋管剛度是原設(shè)計剛度的5倍。在較大端面比壓的作用下端面液膜汽化，更很難形成穩(wěn)定的液膜，泄漏量的進一步增大，導(dǎo)致結(jié)焦物也相應(yīng)增多。

圖2 石墨環(huán)有皰疤

圖3 波紋管內(nèi)側(cè)結(jié)焦

1.3 換熱器盤管外表面結(jié)垢嚴(yán)重

對換熱器外殼、進出介質(zhì)、水接頭進行測量溫度，發(fā)現(xiàn)換熱器外殼溫度較高，介質(zhì)進出接頭溫差不大。隨后對輔助系統(tǒng)進行拆解檢測，發(fā)現(xiàn)PLAN41換熱器盤管內(nèi)表面結(jié)垢嚴(yán)重（圖4），嚴(yán)重影響換熱效率。

圖4 換熱器盤管內(nèi)表面結(jié)垢

2 檢測結(jié)果分析

2.1 沖洗方案合理性

密封輔助系統(tǒng)采用PLAN41，其冷卻介質(zhì)從泵的出口引出，通過懸液分離器分離出清潔介質(zhì)，再通過換熱器冷卻進入密封腔，對密封腔進行降溫，同時帶走密封端面摩擦產(chǎn)生的熱量。由于條件限制，無法將水做軟化處理，導(dǎo)致其在高溫的換熱器管道中形成水垢，不但阻礙低溫水熱交換，無法實現(xiàn)該換熱器理論換熱溫度，同時高溫也容易產(chǎn)生水垢。經(jīng)現(xiàn)場測量，盡管通過換熱器換熱，但介質(zhì)溫度仍然超過了250℃。高溫介質(zhì)沖入密封腔后，不但沒有降低密封腔的溫度，反而提高了密封整體溫度[1-2]。

2.2 密封結(jié)構(gòu)的合理性

密封采用雙端面結(jié)構(gòu)，介質(zhì)側(cè)密封一部份端面摩擦熱由隔離液帶走，同時隔離液還要帶走大氣側(cè)的端面摩擦熱。介質(zhì)熱量、密封端面摩擦產(chǎn)生的熱量及密封旋轉(zhuǎn)攪拌介質(zhì)產(chǎn)生的熱量等熱量的疊加，容易導(dǎo)致密封端面溫度。

2.3 波紋管設(shè)計參數(shù)的合理性

對設(shè)計的波紋管的設(shè)計參數(shù)、彈簧比壓、載荷系數(shù)等進行了校核。

波紋管中徑D為：

式中：1為波紋管內(nèi)徑，取132 mm；2為波紋管外徑，取149 mm。

波紋管彈率K為：

式中：為材料的彈性模量，取200 MPa；為片厚，取0.165 mm；為波數(shù)，取9；為波紋管膜片寬度，＝(2－1)/2＝8.5 mm。

剛度計算為25.8 N/mm，雙層波紋管乘以2等于51.6 N/mm。

平衡系數(shù)為：

式中：2為窄環(huán)外徑，取146.5 mm；1為窄環(huán)內(nèi)徑，取137.5 mm。

彈簧比壓P為：

式中：為壓縮量，取6 mm。

則：P＝0.154 MPa

端面比壓P為：

P＝介×(－)＋P＝0.358 MPa

式中：介為介質(zhì)壓力，取0.6 MPa；為泛亞系數(shù)，取0.33。

設(shè)計參數(shù)符合《新編機械密封實用技術(shù)手冊》[3]要求，設(shè)計是合理的。

3 機械密封的改造方案

根據(jù)密封失效分析結(jié)果以及該位號現(xiàn)場無軟水情況，對該泵的密封方案進行了改進，如圖5所示。

1.軸套 2.一級波紋管密封 3.內(nèi)壓蓋 4.二級波紋管密封 5.螺釘 6.壓板 7.外壓蓋 8.節(jié)流環(huán)組件 9.定位塊 10.螺栓 11.螺釘

從結(jié)構(gòu)上來說，原雙端面3CW-FF結(jié)構(gòu)的隔離液很難沖洗到密封端面，同時兩個摩擦副非常近、相互影響，更容易出現(xiàn)端面過熱和變形等導(dǎo)致密封泄漏的問題。

新密封結(jié)構(gòu)為串聯(lián)式波紋管密封3CW-FB結(jié)構(gòu)。該方案將產(chǎn)生熱的兩個摩擦副遠(yuǎn)離、減少相互影響，同時讓冷卻后的隔離液直接沖洗到大氣側(cè)密封帶熱量的端面，降低了密封面溫度高造成的皰疤，從而解決導(dǎo)致摩擦副端面不能緊密貼合、導(dǎo)致介質(zhì)泄漏到波紋管內(nèi)圓的結(jié)焦問題。

4 現(xiàn)有系統(tǒng)分析及改造

現(xiàn)有沖洗方案為API PLAN41＋53B。其中PLAN41為帶懸液分離器、換熱器的自沖洗，即從泵出口經(jīng)旋流器把較大顆粒排除后，將清潔的液體輸送冷卻器冷卻再沖洗機封，固體顆粒被送入泵進口；PLAN 53B是一種配合雙端面機封應(yīng)用的壓力密封系統(tǒng)。通過對前后兩個密封副之間的隔離液，用預(yù)先加了壓的氣囊蓄壓器對其進行加壓，使隔離液的壓力高于密封腔介質(zhì)的壓力。高壓的隔離液穿過摩擦副端面，進入高溫介質(zhì)。由于壓力方向的改變，阻遏高溫介質(zhì)向大氣側(cè)泄漏。為了在封閉的系統(tǒng)中循環(huán)并通過用水冷卻的熱交換器除去的隔離液熱量，采用泵送環(huán)，選擇PLAN 53B配套簡單、使用壓力高及密封安全環(huán)保，能夠保證該裝置密封安全運行[4-5]。

由于該方案泵送環(huán)是隔離液循環(huán)的動力源，當(dāng)其揚程不足或換熱器管路阻力過大或換熱量不夠，密封運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的摩擦熱和介質(zhì)熱，無法被循環(huán)的隔離液帶走，導(dǎo)致密封腔過熱，這時主要表現(xiàn)也為壓蓋外表溫度過高。通過校核計算，認(rèn)為換熱器設(shè)計合理、管程長管阻合理，能夠起到換熱的作用。同時通過校核，認(rèn)為機械密封的泵送環(huán)能力足，能夠使隔離液循環(huán)起來。通過改造，進出水管線有了溫差，換熱器設(shè)計合理和機械密封泵送環(huán)的泵送能力足[6]。

因此，沒有改變原有沖洗方案，只是對拆解后的PLAN41換熱器進行除垢處理。希望通過提高介質(zhì)側(cè)輔助系統(tǒng)的換熱效率，以降低沖洗液溫度，實現(xiàn)降低密封端面溫度及密封環(huán)境溫度，減少介質(zhì)結(jié)垢的可能性。同時為了進一步保障安全，增加PLAN 62，即采用低壓氮氣隔離大氣與高溫泄漏介質(zhì)的直接接觸，避免或減少結(jié)焦物的形成。

5 結(jié)論及效果

由于改進密封結(jié)構(gòu)、完善了沖洗方案，降低了密封摩擦端面的溫度，因此也減少或延緩石墨摩擦副端面形成皰疤，以及由皰疤引起密封摩擦副端面無法緊密貼合造成微漏、導(dǎo)致其在波紋管內(nèi)圓碳化引起的波紋管失彈的問題。在整個改造的過程中，主要圍繞降低密封使用溫度。改造后，密封使用環(huán)境明顯改善，輔助換熱效果明顯，密封使用平均壽命8000 h以上。

[1]張錦，于勝栓，王天博. 離心泵機械密封沖洗方案選用淺析[J].石油和化工設(shè)備，2016（9）：81-83.

[2]湯林波. 高溫芳烴泵機械密封輔助系統(tǒng)的改進[J]. 機械，2009，36（3）：75-77.

[3]田伯勤. 新編機械密封實用技術(shù)手冊[M].中國知識出版社.

[4]孫文濤. 淺析API PLAN53B的密封形式及其實際應(yīng)用[J]. 化學(xué)工程與裝備，2016（8）：229-231.

[5]鄧宗華. 高溫?zé)嵊捅脵C械密封及輔助系統(tǒng)的設(shè)計改進[J]. 機械，2012，39（1）：78-80.

[6]潘強，徐衛(wèi)忠，韓維濤，雷濤. 液力透平機械密封泄漏的原因分析及改進[J]. 潤滑與密封，2015，40（4）：125-128.

Failure Analysis of Mechanical Seal of High Temperature Oil Pump

DENG Zonghua1，ZHANG Hong2，ZHANG Pengfei2

( 1.CNPC Guangxi Petrochemical Industries Ltd.,Qinzhou 535000, China; 2.Sichuan Sunny Seal Co., Ltd., Chengdu 610045, China )

The oil temperature is more than 300℃, and it belongs to the high risk pump. The single metal bellows seal was originally used in the pump plant. Its service life was short and the replacement frequency was high, which seriously affected the production. More importantly, once the seal fails, the leaked high-temperature oil will directly leak into the atmosphere, and start fire and burn. In order to ensure the safety of the device, it has been changed to double metal bellows seal with Piping PLAN41+53B. However, the sealing life is still short. For this reason, the mechanical seal and the system of the oil pump were dismantled and analyzed. In the end, the cause of the problem was found out by dismantling the accident seal and its auxiliary system. The seal life is prolonged through optimizing the structure and flushing method of the mechanical seal.

high temperature oil pump；failure analysis；mechanical seal structure；piping plan

TB42

B

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.09.013

1006－0316 (2018) 09－0077－04

2018－05－30

鄧宗華（1982－），男，廣西欽州人，本科，工程師，主要從事煉化設(shè)備管理工作。