基于ANSYS穩態傳熱數值模擬方法的機械密封失效分析

李早東，孟晉安

（中國石油 蘭州石化分公司，甘肅 蘭州 730060）

在石油化工設備中，因機械密封（簡稱機封）泄漏失效而引發的機泵泄漏故障占比很高[1-2]。以往都采用以經驗性定性分析為主的傳統分析方法對機密失效原因進行分析，對設備管理人員的工作經驗和能力要求非常高。近年來，國內很多學者采用ANSYS、FLUENT等有限元軟件，對機封系統和機封動、靜環摩擦副進行了大量的數值模擬分析[3-9]，取得了諸多研究成果。

文中以某乙烯裝置脫丁烷塔循環泵機封頻繁泄漏失效的實際工程問題為例，結合ANSYS分析軟件，將基于穩態傳熱理論的以定量分析為主、定性分析為輔的數值模擬方法應用到機封泄漏失效分析中，為機封泄漏失效原因分析提供一種新思路。

1 脫丁烷塔循環泵機封失效情況

脫丁烷塔循環泵輸送介質主要成分為混合C4（1，3-丁二烯），機封冷卻沖洗系統為API 682—2014《離心泵和轉子泵用軸封系統》[10]中的Plan52系統，機封型號為2648。該泵運行過程中機封頻繁失效，主密封靜環摩擦端面磨損比較嚴重，內圈表面出現了不同程度的磨損環狀紋路（圖1a）。主密封動環及其組件周圍附著大量聚合物（圖1b），該聚合物很可能是因機封局部溫度過高使C4混合物發生聚合而產生。

圖1 脫丁烷塔循環泵2648型機封失效狀態

2 穩態傳熱理論基礎及本文分析方法[6]

2.1 穩態傳熱理論方程

機封穩定工作時，動、靜環摩擦副處于穩態傳熱狀態。根據數值傳熱學的基本理論，二維軸對稱穩態溫度場中的導熱微分方程為：