水環泵機械密封失效分析與改造

羅 杰

（中石化金陵分公司，江蘇南京 210033）

0 引言

某煉油廠常減壓蒸餾裝置水環泵機械密封故障頻繁，平均使用壽命僅為6個月，遠達不到SH/T 3156—2009《石油化工離心泵和轉子泵用軸封系統工程技術規范》所規定的不間斷連續運行不低于25 000 h的規定。本文從機械密封拆解狀況入手，經仔細分析得出了適用于現場實際情況的修改方案。通過實施后的運行情況得出該方案是可行的，對今后解決其他機械密封泄漏問題具有一定的借鑒意義。

1 泵及機械密封的型式

該裝置水環泵為塔頂不凝氣增壓并輸送至下游裝置，其主要靠泵腔容積的變化來實現吸氣、壓縮和排氣，具有結構簡單、工作平穩可靠、操作簡單的特點。該不凝氣水環泵型號為2BEY1-20-1ED2-980，吸氣流量1200 Nm3/h，進氣壓力0.02 MPa（G），排氣壓力0.25～0.27 MPa（G），進氣溫度45℃，轉速980 r/min，原軸封采用雙端面彈簧機械密封，沖洗方案為PLAN53A。通過隔離液儲罐向有壓雙重密封提供隔離液。正常運行時，隔離液由螺旋套維持循環[1]，隔離罐壓力高于密封腔內液體的壓力。

2 機械密封的拆解情況

經對機械密封進行拆解，并核對各個部件及相關安裝尺寸，發現有如下問題：

（1）螺旋套外表面有明顯擦痕，覆蓋面約為螺旋套寬度1/3，但蹭擦寬度不一，緊固螺栓松動（圖1）。

圖1 螺旋套磨損

（2）二級機械密封O形密封圈呈高溫炭化狀，明顯受高溫失效（圖2）。

圖2 O形密封圈炭化

（3）軸套表面的緊固螺栓處和密封環處有明顯劃痕，原因為螺旋套松動后與軸套發生相對位移，產生摩擦（圖3）。

圖3 軸套磨損

（4）動、靜環密封面磨損量較小，但有明顯偏磨現象，二級密封環發生斷裂（圖4）。

圖4 密封環偏磨、斷裂

（5）軸和泵腔體同心度偏差較大，經測量泵非驅動端軸同心度向下偏差0.28 mm，與SH/T 3156—2009規定的同心度偏差應≤0.125 mm嚴重不符。另外，測量機械密封安裝位置的軸徑向圓跳動為0.03 mm，符合SH/T 3156—2009所要求的小于0.05 mm。

3 故障分析

針對以上拆解發現的問題，結合多年來該機械密封的使用安裝情況，可以判斷密封組件異常摩擦是造成機械密封失效的直接原因，而造成摩擦的原因主要為安裝精度低和軸承箱設計缺陷。

3.1 安裝精度低

受制于現場維修條件采用臥式安裝（廠家建議立式安裝），正常情況下，軸套和泵蓋之間間隙為2 mm，單側維修機械密封時（此時軸承箱拆除），轉子下沉導致軸套不能安裝。此時需將軸托起，機械密封安裝完成后撤出千斤頂的瞬間，轉子的自重著力于軸套，會導致軸套輕微變形，而密封環在此過程也有可能受損（圖5），大大減少機械密封的使用壽命。

圖5 水環泵泵軸

3.2 軸承箱設計缺陷

經測量，泵非驅動端軸同心度向下偏差0.28 mm，原因為軸承箱沒有設置定位止口或定位銷，軸承箱自重較大產生向下的位移，單純靠螺栓緊固不能有效精確對軸承箱定位。同心度偏差大，是造成機械密封內件異常摩擦的原因之一。

當機泵運轉時，機械密封內部組件發生不均勻摩擦。運轉時的巨大摩擦力導致螺旋套緊固螺栓的松動，在軸向力和旋轉力的長時間共同作用下，螺旋套會在軸向和環向發生不規則運動，從而導致軸套和螺旋套磨損、密封環受沖擊斷裂。在實際使用過程中，密封壓蓋溫度偏高也是該現象的客觀反映。

二級機械密封O形密封圈炭化的主因為機械密封發生泄漏后，特別是隔離液泄漏后，機械密封失去冷卻作用，摩擦產生的熱量聚集導致O形密封圈炭化。

3.3 密封沖洗線設計缺陷

原泵Plan53A隔離液進出孔LBI、LBO設計為水平方向接管，因LBO孔沒有設在高點，無法將壓蓋腔體內的氣體排凈，導致密封端面上半部沒有浸在隔離液中（圖6）。當設備運行時，端面無法形成穩定的液膜，發生干摩擦。在實際使用中，隔離液罐底經常排放出帶黑色粉末狀混懸液體，就是密封端面磨損造成的。

圖6 水環泵密封沖洗線

4 解決措施

優化后的機械密封結構如圖7所示。

圖7 優化后的密封結構

（1）針對軸套在安裝過程中可能存在變形的情況，將整體軸套設計成兩節，這樣既減小密封的安裝難度，同時因軸套長度減短，減小密封臥式安裝時軸套整體產生的變形量，進一步避免螺旋套外圓與壓蓋發生蹭擦[2]。

（2）針對螺旋套蹭擦的情況，考慮到泵轉速較低（980 r/min），在保證泵送流量的前提下增大螺旋套與壓蓋之間的間隙，經試驗，由原來的單邊間隙0.5 mm改為0.65 mm。

（3）針對密封沖洗線設計的缺陷，在密封壓蓋高點處設置排氣孔（圖7），用于設備運行前排除壓蓋腔體內的氣體，確保密封端面始終處于浸潤中，防止端面發生干摩擦加速端面磨損、減少密封壽命。

（4）針對多次發生機封安裝完成后，一級密封發生內漏的現象，在一級靜環處設置限位裝置（圖7），避免壓力因工藝波動，導致一級靜環被推出[3]。

（5）針對軸承箱設計的缺陷，對軸承箱增加定位銷，減少安裝誤差，保證轉子和泵腔體同心度。

5 改進效果及建議

改進后機械密封已經連續運行一年半，目前運行穩定，未發生機械密封泄漏現象，提高了設備運行的穩定性和安全性，降低了設備維修和維護費用，取得了良好的經濟效益，保證了裝置的長安穩運行。通過此次改造不難發現，對于一些結構特殊的設備，需要根據其結構的特殊性，在機械密封設計時，對密封的安裝和結構做出適當的改進調整，以確保機械密封安裝完成后達到預期的安裝精度，才能保證密封的性能和使用壽命。

此次機械密封的改造時間緊促，是在未改動現場設備結構的情況下實施的，方案難免未盡完善，進一步改進的措施建議如下：①對軸承箱托架進行機加工，增加朝天窗口，使密封沖洗液水平進、垂直出，保證整個密封端面液膜狀態良好；②當前機械密封使用時，隔離液進出溫差為32℃，遠大于SH/T 3156—2009規定的隔離液為礦物油時最大溫差應為16℃，可考慮增設隔離液外置密封沖洗液泵送泵，取消螺旋套，建立機械密封使用良好環境，也能避免因安裝原因或結構缺陷造成螺旋套磨損。