雙端面機械密封在含顆粒介質燃料油泵中的應用

郭慶峰

（中國石油大慶煉化公司，黑龍江大慶 163411）

0 引言

某煉化公司動力裝置配置6 臺燃料油泵，是為鍋爐提供燃料供應的主要轉動設備。近年來，根據公司生產結構調整，經過煉油裝置提煉后的油漿作為鍋爐的主要燃料，燃料油泵輸送的介質也由渣油改為油漿。由于油漿內含有催化劑類顆粒性雜質，機械密封因雜質堆積造成彈性失效而頻繁泄漏。據統計，該類機泵的機械密封使用周期是3000 h 左右，最短的僅為800 h，年檢修頻次達到10 余次，使用周期均無法達到規定要求。機械密封突然泄漏將會影響裝置的安全生產，造成鍋爐因燃料中斷停工。另外，燃料具有易燃性，暴露在大氣中遇到火源將引起火災，影響設備、人身的安全。

例如，2019 年7 月10 日，PY101 燃料油泵因機封泄漏導致泵的軸向力突然改變，造成高壓端軸承磨損過熱打火冒煙，不但設備損壞，同時也造成鍋爐燃油壓力突降、鍋爐負荷突降、蒸汽壓力波動。

為此，對油泵機封實施改造。改造目標：實現油泵機械密封介質無泄漏，壽命≥8000 h，發生泄漏時提前預知并報警。

1 單端面機械密封泄漏分析

該裝置燃料油泵原設計機械密封為單端面機械密封（圖1），沖洗方案為Plan 11，即介質從泵體第一級葉輪的殼體處引出，接入機械密封壓蓋，對機械密封摩擦副進行沖洗。動環受到密封腔中液體和彈性元件的壓力，使其端面貼合在靜環的端面上，形成微小的軸向間隙而達到密封的目的。

圖1 單端面機械密封

圖2 是動力裝置燃料油泵泄漏的機械密封，可見機械密封緩沖補償機構（大彈簧）、動環組件和靜環組件附著了大量的類焦炭物質，并且大彈簧已經完全失去彈性補償功能。

圖2 機械密封泄漏

根據檢查結果，分析機械密封泄漏原因：

（1）由于油泵的泵送介質為燃料油（組分重且含有催化劑顆粒），在機械密封端面處無法形成正常的密封液膜，而是在密封面處凝固成顆粒物，這些顆粒物造成端面的不可逆磨損，導致密封泄漏。

（2）由于介質含有催化劑類的灰分，在動靜環摩擦高溫處造成機械密封波紋管或彈簧處堆積結焦而失去彈性，發生機械密封彈性失效，導致機械密封泄漏。

2 雙端面機械密封改造方案

通過對燃料油泵單端面機械密封頻繁泄漏的原因進行分析得出，只有改善密封端面的工作環境，才能延長密封使用壽命，因此需要選用其他介質代替油漿作為沖洗液。

2.1 密封型式及沖洗方案的選擇

（1）確認機械密封型式。根據以上分析內容，如果外引介質作為沖洗液，則需要改進密封結構，將單端面密封改為雙端面密封結構，增加一個外沖洗構造。

（2）確認沖洗液。根據燃料油泵輸送介質為油漿的特性，油漿內滲水易發生汽化、抽空等問題，因此不能選用水作為沖洗液。但公司自產產品白油允許微量（＜5.6 g/h）進入油漿，并且白油形成的端面液膜穩定性比水及催化油漿更好，選用白油對機械密封進行沖洗，能夠在一級端面處形成穩定的液膜，徹底杜絕介質外漏隱患。

2.2 密封結構設計

（1）選用串聯的雙端密封結構（圖3），在一級和二級密封之間形成一個密封腔，白油在此區間流通，同時白油壓力高于一級密封腔工作壓力（0.2～0.3 MPa），這樣一級密封摩擦副在壓差的作用下形成80%以上的白油液膜，二級密封為100%白油液膜，極大改善密封的工作環境，也為密封壽命的延長提供了良好的條件。而且，由于密封白油的壓力始終高于密封腔處油漿壓力，可以實現介質零泄漏。

圖3 雙端面機械密封

（2）一級密封端面和補償機構采用彈簧密閉結構（圖4），使其與泵體內的油漿隔離，從根本上杜絕密封端面和補償機構結焦失彈問題。

圖4 PLAN 53B 沖洗方案—密封腔結構

（3）增設密封輔助系統設計。根據計算，密封腔處介質壓力為0.3 MPa 左右，外接白油需要加壓到合適壓力（0.5 MPa 左右），因此需增加一個外在加壓系統。根據該泵房室內面積小、無管網氮氣等具體條件，選用PLAN 53B 沖洗方案。該密封輔助系統（圖5）有氮氣、白油、循環水3 種介質，氮氣加注在蓄能器氣囊內，作為提供系統穩定壓力的動力源；白油作為密封沖洗介質在輔助系統與機封間循環；循環水作為冷卻介質為循環的白油降溫。

圖5 密封輔助系統

（4）為增加安全性能，除安裝就地儀表外，還增設遠程在線監控系統，一旦出現密封白油壓力低等異常情況，控制室內將收到報警提示并及時進行處理。

3 投用效果

動力裝置改造6 臺燃料油泵，將密封由單端面改為雙端面結構，沖洗方案由Plan 11 改Plan 11+Plan 53B 的雙結合型式。經過近一年運行、調整，觀察現場的密封泄漏情況（包括油漿、白油泄漏），密封白油壓力最終定為0.49～0.55 MPa。系統整體運行穩定，油漿泄漏問題得以解決。