烴重組裝置泵-106 機(jī)封泄漏故障分析及處理

侯炳穎

（蘭州石化檢維修中心，甘肅蘭州 730060）

1 設(shè)備概況

80 萬噸/年催化汽油烴重組裝置泵-106 采用丹東克隆雙端面（外機(jī)封為多彈簧式、內(nèi)機(jī)封為焊接波紋管式）機(jī)械密封，機(jī)封靜環(huán)材料為浸青銅石墨，動(dòng)環(huán)材料為SiC，沖洗方案采用PLAN 11+51 方案。該泵的工作介質(zhì)為烴、溶劑、水（176 ℃），入口壓力0.02 MPa，出口壓力2.2 MPa，轉(zhuǎn)速2950 r/min。在運(yùn)行過程中，該泵頻繁發(fā)生機(jī)封泄漏故障。

2 機(jī)封泄漏原因分析

從機(jī)封的拆檢情況來看，機(jī)封失效表現(xiàn)在以下4 個(gè)方面：①機(jī)封波紋管斷裂（圖1）；②驅(qū)動(dòng)端內(nèi)機(jī)封O 形圈膨脹失效；③內(nèi)機(jī)封靜環(huán)抽出失效（圖2）；④內(nèi)機(jī)封靜環(huán)破裂失效。

泵-106 采用的C65-95/C8B-90 型雙端面機(jī)封總成，是由內(nèi)機(jī)封和外機(jī)封兩對密封組成。自開工以來，所有的密封故障均發(fā)生于內(nèi)機(jī)封，除了O 形圈耐蝕性問題和波紋管斷裂問題之外，其余故障現(xiàn)象均是在泵運(yùn)行期間，該雙端面機(jī)封的內(nèi)機(jī)封靜環(huán)防轉(zhuǎn)銷直徑過小且一側(cè)磨成平面（實(shí)際有效厚度僅為1 mm），機(jī)封在抽空情況下靜環(huán)很容易從定位銷處脫出、無法復(fù)位，造成機(jī)封動(dòng)、靜環(huán)不平行，機(jī)封泄漏。

機(jī)封外徑與泵機(jī)封安裝止扣采用一道O 形圈來進(jìn)行密封，作用是阻絕內(nèi)機(jī)封的徑向泄漏。現(xiàn)場檢修發(fā)現(xiàn)，O 形圈使用后在較短時(shí)間內(nèi)均會(huì)發(fā)生膨脹和軟化現(xiàn)象，影響使用效果，造成介質(zhì)外漏。

圖1 機(jī)封波紋管斷裂

圖2 機(jī)封靜環(huán)抽出

3 機(jī)封結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在該泵運(yùn)行過程中，因?yàn)椴僮髟颉⑦\(yùn)行狀況會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)抽空的現(xiàn)象，且從操作上無法完全消除抽空現(xiàn)象，所以對原裝機(jī)封進(jìn)行改造。

3.1 確定改造方案

該型機(jī)封靜環(huán)材料為浸青銅石墨，動(dòng)環(huán)材料為SiC，沖洗方案采用PLAN 11+51 方案。

（1）針對泵經(jīng)常抽空的情況，為內(nèi)機(jī)封加裝防抽空裝置：使用環(huán)形卡簧將內(nèi)機(jī)封靜環(huán)固定（圖3）。

（2）在機(jī)封徑向O 形圈內(nèi)側(cè)增加一道O 形圈，并用聚四氟乙烯包覆O 形圈，以增強(qiáng)密封圈抗溶劑腐蝕的能力（圖4）。

（3）為了驗(yàn)證該內(nèi)機(jī)封在突發(fā)情況下的輔助密封作用可靠性，對其端面比壓進(jìn)行校核。

3.2 幾何尺寸及相關(guān)工藝參數(shù)

密封端面內(nèi)徑d1=92.4 mm，密封端面外徑d2=102.4 mm，密封直徑db=95 mm；軸轉(zhuǎn)速n=2950 r/min；密封端面平均直徑dm=（d1+d2）/2=97.4 mm；密封面寬度b=（d1-d2）/2=5 mm；密封端面摩擦因數(shù)f=0.1（普通機(jī)械密封無實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可取該值）。

由此可以計(jì)算出載荷系數(shù)K=Ae/A。

圖3 加裝了靜環(huán)防抽空卡簧的改裝機(jī)封結(jié)構(gòu)

代入上式，計(jì)算得到K=0.749。

從計(jì)算結(jié)果來看，機(jī)封屬于部分平衡型機(jī)封。

3.3 端面比壓的計(jì)算

圖4 機(jī)封輔助徑向密封圈的改造情況

已知數(shù)據(jù)：動(dòng)環(huán)內(nèi)徑d1=92.4 mm，動(dòng)環(huán)外徑d2=102.4 mm，平衡直徑db=95 mm，彈簧個(gè)數(shù)i=12。按照該機(jī)封彈簧的使用條件，選擇彈簧材料為不銹鋼3Cr13，該彈簧材料剪切彈性模量G=7700 kgf/mm2，彈簧中徑D=7.0 mm，彈簧絲徑d=1.0 mm，彈簧有效圈數(shù)n=7，彈簧旋繞比C=D/d=7，彈簧平均壓縮量Δl=3.5 mm，密封面液膜反壓系數(shù)λ=0.707（液態(tài)烴），密封面載荷系數(shù)K=0.749，軸轉(zhuǎn)速n=2950 r/min，密封面平均直徑dm=97.4 mm，SiC—石墨許用pcv 值[pcv]=18 MPa·m/s。

（1）彈簧力。因?yàn)閺椈蓜偠萲=9.8×（G×D）/（8×n×C4），代入數(shù)值得k=3.93 kgf/mm；又因?yàn)閺椈闪Υ霐?shù)值得彈簧比壓PT=0.108 MPa。該型機(jī)封屬于中速機(jī)械密封，彈簧比壓推薦值為0.15～0.3 MPa。從計(jì)算結(jié)果來看，彈簧比壓值略低于推薦值。

（2）該型機(jī)封的封液壓力為0.47 MPa。

（3）對于雙端面機(jī)械密封，靠近大氣側(cè)的外機(jī)封端面比壓計(jì)算公式為Pc=PT+（K-λ）Pf。其中，Pf為封液壓力，代入數(shù)值，得Pc=0.108+（0.749-0.707）×0.47=0.128 MPa。

4 小結(jié)

（1）從機(jī)封端面比壓的計(jì)算結(jié)果來看，其滿足機(jī)封的使用要求，但是對于內(nèi)裝式機(jī)封在低黏度介質(zhì)工況下的推薦端面比壓0.2～0.4 MPa 來說，該值略顯過小。在高溫狀態(tài)下，當(dāng)端面比壓小于端面間溫度升高時(shí)密封流體或沖洗介質(zhì)的飽和蒸汽壓時(shí)，液態(tài)的流體膜將會(huì)汽化，使密封面磨損加劇，密封失效。

（2）在現(xiàn)有條件、不改變機(jī)封密封端面尺寸的情況下，將機(jī)封彈簧的壓縮量從3.5 mm 增至5.0 mm，重新校核其彈簧比壓，PT=0.154 MPa，達(dá)到彈簧比壓推薦值的下限以上。相應(yīng)地，其機(jī)封端面比壓增大至Pc=0.174 MPa，也接近推薦值的下限。

（3）該泵自2017 年改造以來，已連續(xù)運(yùn)行30 個(gè)月，運(yùn)行效果良好。