大型熱水泵機械密封泄漏原因分析及改進措施

楊 劍

（中國石油大慶石化分公司塑料廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

大型熱水泵是高壓聚乙烯裝置核心設備，主要用于高壓裝置反應器撤熱，其機械密封運行的可靠性直接關系到裝置的安全平穩生產。某石化公司塑料廠20 萬噸/年高壓低密度聚乙烯裝置采用德國Basll 公司專利技術，由意大利TECNIMONT 公司承建，裝置于2005 年7 月建成投用。裝置熱水泵P1801、P1802由嘉利特荏原泵業有限公司設計制造，設計流量1620 m3/h，全揚程174.6 m，溫度210 ℃，出口壓力3.2 MPa，轉速1495 r/min，功率1000 kW。離線備有2 臺備用泵頭，不能在線進行切換，采用集裝式機械密封，PLAN21 沖洗方案。由于地處北方循環水鈣離子含量較大，自沖洗換熱器結垢情況較為嚴重。自投用以來機械密封故障率較高，機械密封壽命在6 個月左右，多次出現機械密封泄漏導致裝置被迫全線停車。

為了保障裝置穩定生產，技術人員想了很多措施，包括換熱器加并聯、實現換熱器在線切換，但效果均不理想。后來想采用脫鹽水給自沖洗換熱器冷卻的方案，但是需要增設一套閉路脫鹽水系統，投資很大。經過調查研究，國內同種工況的高溫高壓熱水泵機械密封冷卻大多數采用PLAN23 沖洗方案。經過對兩臺熱水泵的機械密封進行改造，使用PLAN23 沖洗方案，徹底解決了設備機械密封壽命短的問題。

1 機械密封失效原因分析

1.1 泵設計選型缺陷

該裝置原始設計選用的熱水泵由日本福斯制造，為了節省成本殼體材料選用碳鋼，由于泵正常運轉時介質主要為反應器R1301 高溫撤熱后的中壓熱水，熱水在回到熱水罐中后壓力突然降低會出現閃蒸現象，因此泵入口壓力波動較大，泵汽蝕現象較嚴重，泵體振動加劇，導致殼體沖刷嚴重，自裝置開工截至2010 年，殼體沖刷損壞2 臺。由于振動大機械密封損壞比較頻繁，平均壽命6 個月，嚴重制約裝置長周期運行，利用2010 年7月份大檢修期間對泵頭進行更新。新泵由嘉利特荏原泵業有限公司設計制造，泵體材料為奧氏體不銹鋼，同時通過優化操作穩定熱水儲罐壓力。開車后，泵的整體振動水平由原來的4.5 mm/s，下降到1.5 mm/s 左右，運行平穩。拆解泵殼體，未發現沖刷痕跡。由于振動下降，機械密封平均壽命能夠達到12 個月左右。

1.2 機械密封結構以及沖洗方案選型不當

當初分析認為，機械密封損壞的原因是泵運轉時存在汽蝕、振動大是導致機械密封損壞泄漏。因此設備整體更新時未對機械密封和沖洗方案進行優化。自2011 年8 月份泵東側機械密封頻繁出現泄漏，最大時機封泄漏狀態變為噴射狀，噴出的中壓蒸汽長度約1.5 m，嚴重影響裝置的長周期生產運行，同時帶來了很大的安全隱患。該裝置熱水泵出口溫度210 ℃、壓力為3.2 MPa，屬于高溫高壓。PLAN21 沖洗方案見圖1。

圖1 PLAN21 機械密封沖洗方案

自沖洗液從泵出口通過孔板節流經過換熱器回到密封腔，由于泵出口與密封腔之間有壓差，熱介質流量、流速較高，溫度達到210 ℃。同時，我國北方循環水中鈣離子含量大，鈣鎂鹽類結晶會從波紋管與折流套間析出，形成水垢的速度很快，導致自沖洗液溫度高，現場實際溫度表顯示可達150 ℃。查閱相關資料，150 ℃的熱水已經完全喪失了潤滑性，導致機械密封動、靜環出現干摩擦，同時高溫高壓的熱水進入機械密封中會在密封腔中汽化、對密封面形成沖刷。實際拆解的機械密封中出現很多溝痕，驗證沖刷確實存在。同時，輔助密封環長期在高溫下運行出現材質老化變硬喪失彈性失效，增加了泄漏的風險。為了解決沖洗液溫度高的問題，對自沖洗換熱器在線加并聯換熱器，實現一用一備。但是由于換熱器切換過程中沖洗液的溫度和流量的波動太大，導致機械密封動、靜環間形成的潤滑膜產生破壞，巨大的溫差還會導致石墨環破裂，實際應用效果很不理想。2013年10 月在一次換熱器切換過程中，導致了機械密封的直接損壞，大量泄漏的高溫高壓熱水噴射出來，裝置被迫停車。

2 改進措施

隨著裝置長周期、大負荷生產的要求，熱水泵機械密封的壽命短的問題顯得尤為突出，為了解決機械密封壽命短的問題，保證裝置長周期運行，成立攻關小組通過研究主要有兩種思路：①換熱器冷卻液采用閉路脫鹽水，解決換熱器結垢換熱能力下降的問題，保證機械密封沖洗液的溫度平穩；②改進機械密封結構型式以及機械密封沖洗方案。第一種方案，需要增加一套脫鹽水儲罐、換熱器、循環泵，投資成本較大、現場占地面積較大，沒有可實施性。因此只能采用第二種方案。

機械密封的使用工況主要有壓力和溫度兩個因素，針對此熱水泵機械密封的實際情況，針對高溫高壓水泵機械密封的實際工況，新的密封改造方案采用T-48V 型單端面集裝式機械密封+API PLAN23 輔助系統方案。新的機械密封結構主要由補償環、配合環、輔助密封、泵效環等組成。PLAN23 沖洗方案見圖2。

在密封腔處設置循環進出口，外接換熱器，密封腔內部設置泵效環為循環提供動力。同時輔助密封密封O 形環材料為FFKM，耐溫達到320 ℃，解決了輔助密封高溫老化使密封失效的缺陷，新系統使熱介質在密封腔內部形成近似封閉的循環冷卻系統，冷卻效率大大高于PLAN21 方案，可以將熱介質溫度控制在80 ℃以下，從源頭上減少冷卻水在換熱器內部結垢的程度。更重要的是，密封腔內熱介質溫度低于80 ℃，從根本上避免了熱介質汽化的可能，使配合環與補償環之間得到良好潤滑和冷卻，延長了機械密封的整體使用壽命。

圖2 PLAN23 沖洗方案

3 使用效果

自2015 年7 月改造投用以來，熱水泵機械密封運轉至2018 年7 月大檢修，已經連續運轉3 年未出現泄漏，保障了裝置的長周期穩定運行。通過本次改造，高溫高壓工況的熱水泵機械密封對沖洗要求較高，同時輔助密封件的材質必須滿足工況的要求。