機械密封失效分析及輔助系統優化應用

何家祥，邱 偉，張立君

（江蘇斯爾邦石化有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

在石油化工裝置中，旋轉動設備是日常維護的核心關鍵點，由機械密封失效導致的設備維修費用能占到50%以上。延長機械密封的使用壽命，不但能節約費用，還能降低檢維修作業的安全風險。機械密封在我國已經應用了幾十年，技術條件比較成熟，設計選型制造已經接近標準化。在機械密封已經相當成熟的條件下，設備專業技術不但要把握好機械密封套裝的產品質量，還要結合裝置實際分析機械密封非設計制造因素引起失效的因素，從而延長機械密封的運行周期。

一般說來，完整的機械密封包括機械密封本體和機械密封輔助沖洗系統，并且兩者同樣重要。機械密封是離心泵常見的軸封系統，根據不同的機械密封及泵工況、不同的風險，采用相應的機械密封輔助沖洗系統，在現場實際使用中不太考慮技術條件和現場工況。總之，機械密封沖洗是一種或者多種因素綜合考慮的結果。只要合理、正確地設計制造和選型，正確使用機械密封，就能保證機械密封運行壽命。

1 機械密封失效分析

在機械密封已經接近標準的同時，石化裝置大量采用了集裝機械密封，這樣不需要再考慮機械密封設計、制造、安裝方面的因素引起的失效，只需要考慮機械密封的使用、維護、操作等因素：泵內輸送介質的物理和化學性質比如毒性等級、易燃易爆炸、易汽化、結晶、聚合、顆粒度等是選擇機械密封和輔助系統的重要依據；機械密封的安裝空間，如泵腔結構也是選擇時考慮的因素；機泵工況以及操作條件的工藝參數是選擇密封劑輔助系統的基本條件。總之，機械密封及輔助系統的選擇是一項復雜的系統工程，需要綜合考慮泵、密封條件、工藝條件、介質特性等各方面因素。

2 典型失效案例

機械密封一般失效分為機泵異常引起的失效、軸向力的影響、泵帶液或抽空、錯誤操作、維護不當等。機械密封沖洗系統失效是常規失效之一，與機械密封本體失效的因素類似。

2.1 PLAN53B 密封沖洗系統

在易燃易爆、有毒有害的石油化工裝置中，高危泵的雙端機械密封沖洗系統采用PLAN53B 沖洗方案，如高溫輕烴泵、燃料油泵、半貧泵等。API682 中的PLAN53B 是典型的布置方式和常見的帶壓密封系統。

首先需要明確的是，僅僅是對泵組（含沖洗系統）進行低壓氣密試驗。氣密時，建議不必要投蓄能器，也無需充氣。僅用10 bar（1.0 MPa）的密封油封泵進行氣壓試驗。正常運行時，應當是先對蓄能器充氣，然后再向油罐加油。如果反順序充，則可能因為加入的油過多蓄能器無法充入氣體（液體具有不可壓縮性）或者有可能壓力過大、進入介質側。充氣壓力應在低于系統最低工作壓力的90%（一般為60%～80%）和高于最高工作壓力的25%范圍確定。以現在的工況為例：低壓氣密時，密封油壓力要求為1.0 MPa，而且最低不能低于介質側壓力。所以取最低工作壓力為0.6 MPa、最高工作壓力為1.1 MPa，于是充氣壓力的范圍在0.275 MPa（1.1×0.25）～0.42 MPa（0.6×0.7），充氣壓力選中間值即0.35 MPa。密封罐或壓力活塞頂部的放空閥關閉，壓力指示正常，要求隔離液壓力高于被密封介質2～3 bar（0.2～0.3 MPa）。

德國進口的蓄能器，作用與原理都是對系統穩壓、減少系統波動的。當時確定的充裝壓力是按出口管路的70%～80%。其實道理是一樣的，這蓄能器也是對外置沖洗系統穩壓作用，更傾向于（4.1～4.5)×（70%～80%) 與進口壓力是37 bar（3.7 MPa）+壓差（密封腔的壓力）進行比較，建議取37～41 bar（3.7～4.1 MPa）。這主要是保證充洗液能正常進入密封腔。隔離液壓力高于被密封介質2～3 bar 是關鍵指標。這個充氣壓力在氣密階段是不必要的，可以不考慮投用蓄能器但密封罐或壓力活塞頂部的放空閥關閉要提前關閉。這時液位視鏡就能正常看到，按標準加油即可。事實上要了解裝配的帶液位開關LS 的液位計結構，它與油罐上的LI 是對應的（300～500 mm），而且還有LS 和PS 聯鎖。

蓄能器充氣、油罐加油時，密封罐或壓力活塞頂部的放空閥要打開。PLAN53B 正常投運后，密封罐或壓力活塞頂部的放空閥是關閉的。蓄能器正常運行時無需要檢測，重點監控的油罐內的液位與壓力，當油罐內的壓力降到只高于密封腔壓力0.5 bar（0.05 MPa）時，需要補液或者增加氣囊內的壓力（保證隔離液壓力高于被密封介質2～3 bar）給蓄能器氣囊沖氮壓力，只能靠成套的外置充裝工具上的壓力表來確認。

2.2 PLAN54 密封系統

PLAN54 密封系統是帶壓雙端面密封沖洗方案，簡單實用，在石油化工裝置中的配置率也較高。該密封沖洗系統的密封沖洗不參與介質交換，可以由裝置內的某臺機泵為裝置內的所有采用PLAN54 密封沖洗系統的機泵提供密封沖洗水。由于各泵密封腔的壓力不一致，需要在各泵的入口設置小型的流量計、壓力表、調節裝置等，為每臺機泵提供相應壓力的密封沖洗水，并保證每臺機泵的密封沖洗能從PLAN54 密封系統的管網系統里獨立切換出來進行檢維修。

PLAN54 密封系統優化運行措施：由于PLAN54 密封系統是由一個位號的機泵進行集中供應封水，必須要保證供水機泵有較高的可靠性和穩定性，否則整個PLAN54 密封系統管網將會失效進而導致所有采用該系統的機泵的機械密封失效，造成嚴重的機械密封失效事故，嚴重時可能造成安全環保事故。同時，PLAN54 密封系統是一個較為復雜的管網系統，如果某臺機泵的介質泄漏進入管網將會讓PLAN54 密封系統受到影響，沖洗水系統將會受到污染。

2.3 高溫高壓熱水機械密封系統

PLAN23 沖洗方案是高溫高壓熱水機泵，例如鍋爐水泵的典型密封沖洗方案，它是在普通機械密封方案PLAN21 的基礎上延伸出來的單端面密封的典型沖洗方案，也可以作為雙端面密封的第一道沖洗方案。PLAN23 是標準的API 密封沖方案。

高溫熱水機泵機械密封系統優化運行措施：所有的高溫機械密封及沖洗系統，在檢修之后、長期停運或者啟泵前均需要對泵及密封沖洗進行徹底排氣，讓介質充滿泵腔及密封沖洗系統，保證介質充滿泵及管線系統，進行系統運行順暢。采用PLAN23 密封沖洗系統的機泵在軸頸處均有節流襯套和節流環，只讓少量的介質通過密封系統進行冷卻沖洗密封端面，封水冷卻器的能效較高，需要根據機械密封沖洗系統的溫度表上升趨勢及時進行維護。在設計時需要在封水換熱器的冷卻水系統設置快開閥門，以便進行在線沖洗和反沖洗封水冷卻水管線，從而保證溫度低于該壓力下熱水沸點65 ℃以下。在啟泵前或溫度過高時，需要徹底清洗和疏通封水換熱器的殼程和管程。

3 結論

介紹了大型石化裝置中機械密封失效的因素及分類，并對高溫高壓熱水機械密封沖洗系統進行了較為系統的分析，介紹PLAN54 密封沖洗集成方案、PLAN53B 沖洗方案。綜合多種失效因素，對現場檢維修和日常維護的關鍵點進行了簡明分析，以確保機械密封系統能安全、有效、長周期地運行。良好的密封系統不但能為生產保駕護航，還能節約修理費用，提高企業的經營效益。