動(dòng)設(shè)備試/開(kāi)車(chē)機(jī)械密封溫度高原因分析與解決措施

任小兵 (中國(guó)天辰工程有限公司，北京 100081)

0 引言

動(dòng)設(shè)備開(kāi)車(chē)前設(shè)備試/開(kāi)車(chē)過(guò)程中，某項(xiàng)目遇到了部分動(dòng)設(shè)備機(jī)械密封溫度>100℃的情況。由于機(jī)械密封正常溫度運(yùn)行會(huì)對(duì)動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)起到關(guān)鍵性的作用，特別是對(duì)于輸送烯烴等易燃易爆介質(zhì)的機(jī)泵，一旦出現(xiàn)機(jī)封溫度短時(shí)間(約10 min)內(nèi)持續(xù)升高至(100 ℃)的情況，安全性、可靠性會(huì)直接影響項(xiàng)目試車(chē)/生產(chǎn)運(yùn)行工作的正常進(jìn)行，造成不可預(yù)估經(jīng)濟(jì)成本急劇上升。該問(wèn)題的分析與解決對(duì)于項(xiàng)目試車(chē)/生產(chǎn)運(yùn)行的順利推進(jìn)將起到重要作用。因此，如何通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐進(jìn)行結(jié)合就成為了解決該問(wèn)題的關(guān)鍵所在[1-3]。

文章力求通過(guò)理論說(shuō)明和實(shí)踐的結(jié)合加以說(shuō)明清楚，該篇幅中的內(nèi)容涉及機(jī)械原理和材料、熱力學(xué)等相關(guān)知識(shí)，受筆者水平有限，可能分析文案的不是非常貼切，文中如有錯(cuò)誤亟盼專(zhuān)業(yè)同仁前輩加以批評(píng)和指正。

1 機(jī)封原理/常見(jiàn)材料/溫變后果

1.1 機(jī)械密封工作原理

通過(guò)與軸垂直做相對(duì)滑動(dòng)的端面(動(dòng)環(huán)和靜環(huán))在密封腔介質(zhì)壓力和補(bǔ)償彈簧共同作用下，使密封端面間緊密貼合，當(dāng)有壓介質(zhì)通過(guò)此間隙時(shí)形成液膜，并配和輔助密封進(jìn)而達(dá)到阻值介質(zhì)向外泄漏的軸封裝置。

1.2 機(jī)械密封零部件常用材質(zhì)

1.2.1 端面密封摩擦副的材料

摩擦副材料有硬質(zhì)合金、陶瓷、石墨、剛結(jié)硬質(zhì)合金、SiC、聚四氟乙烯、碳化鎢合金等。

(1)硬質(zhì)合金。具有高硬度、高強(qiáng)度、大彈性模量，以及耐磨損、耐高溫(>600 ℃)和膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，特別適合高溫和工作條件苛刻的場(chǎng)合，缺點(diǎn)：脆性大、加工困難、棱角易碎。

(2)陶瓷。陶瓷通常為金屬氧化物，在大多數(shù)介質(zhì)中具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性(除氟硅酸、氫氟酸、強(qiáng)堿之外)，高的硬度和耐磨性能。缺點(diǎn)：導(dǎo)熱系數(shù)小，沖擊韌性低、易熱裂。

(3)石墨。耐腐蝕和自潤(rùn)滑性好，摩擦系數(shù)小，耐熱沖擊性好且加工容易。不足之處：機(jī)械強(qiáng)度低，材質(zhì)有孔隙。但是這兩個(gè)缺點(diǎn)可以通過(guò)浸漬和滲碳等方法來(lái)堵塞孔隙以提高其機(jī)械性能。

1.2.2 輔助密封圈的材料

常用的輔助密封圈材料是聚四氟乙烯和橡膠等。

(1)聚四氟乙烯：①優(yōu)良的耐化學(xué)侵蝕、耐老化；②適用溫度廣泛，-180～260 ℃；③低摩擦系數(shù)和不粘性；④填充改性后耐磨性大幅度提高；⑤機(jī)械性能受溫度與符合的影響較顯著，線(xiàn)脹系數(shù)大，導(dǎo)熱系數(shù)小，奇特的冷流性，在20 ℃左右時(shí)，體積變化明顯(圖1)。

圖1 聚四氟乙烯的線(xiàn)膨脹系數(shù)與溫度關(guān)系

(2)橡膠O型圈：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便、表面粗糙度自適應(yīng)性，因此具有自封作用；②摩擦阻力較小、溫度適應(yīng)范圍廣、耐壓性能好。

1.2.3 彈簧及其他零件材料

彈簧：彈性好、耐介質(zhì)腐蝕，彈性強(qiáng)度大。

波紋管：焊接性能良好，彈性較大，耐腐蝕性較好。通常見(jiàn)到的波紋管材料有鎳基合金、銅基和鐵基以及鈦材料等。

1.3 機(jī)械密封溫度變化引起的后果

(1)液膜破壞；(2)磨損加快；(3)端面燒灼變形；(4)液體汽化，結(jié)晶析出或凝固物產(chǎn)生；(5)化學(xué)侵蝕機(jī)具；(6)蠟化；(7)材料損壞或脆化；(8)嚴(yán)重泄漏發(fā)生。

2 機(jī)封溫度高現(xiàn)象及理論分析

2.1 問(wèn)題背景

2022年4月12日B項(xiàng)目PP裝置PP-1102A機(jī)泵(OH2型)帶介質(zhì)丙烯試/開(kāi)車(chē)期間，短時(shí)間(約10 min)出現(xiàn)機(jī)封溫度升高至100 ℃的情況(圖2)。

圖2 機(jī)泵

初步排除可能影響的因素后，按照試車(chē)節(jié)點(diǎn)和工藝條件要求進(jìn)行了其他機(jī)泵(VS6型號(hào)/BB5型號(hào))帶介質(zhì)丙烯試/開(kāi)車(chē)，均出現(xiàn)了同樣的問(wèn)題—短時(shí)間內(nèi)機(jī)封溫度升至100 ℃的情況，處于安全考慮不得不做出暫且停機(jī)的處理決定。由于該類(lèi)關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備整體出現(xiàn)的以上問(wèn)題直接影響該項(xiàng)目按期投料開(kāi)車(chē)，經(jīng)濟(jì)效益(日產(chǎn)約720 t聚丙烯)角度出發(fā)該問(wèn)題亟待解決。

2.2 機(jī)械密封運(yùn)行溫度升高及降低溫度原理

動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在動(dòng)、靜環(huán)接觸端面間由于摩擦的原因會(huì)在密封腔內(nèi)產(chǎn)生大量的熱，為了防止介質(zhì)受熱發(fā)生汽化，必須將端面間產(chǎn)生的熱量及時(shí)移除。通常采取安裝冷卻裝置或者沖洗的方式來(lái)降低密封腔內(nèi)的溫度以達(dá)到設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

2.3 機(jī)械密封運(yùn)行溫度高原因分析

2.3.1 工藝方面

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地查看，試車(chē)流程有一個(gè)共同點(diǎn)—封閉系統(tǒng)，即：儲(chǔ)液罐→管道1→機(jī)泵→管道2→儲(chǔ)液罐。系統(tǒng)存在內(nèi)部循環(huán)做功的情況，可能會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)能增加溫度升高的情況。

2.3.2 機(jī)封密封液冷卻水

冷卻水路流量和壓力不足問(wèn)題。

2.3.3 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)熱量傳導(dǎo)

機(jī)封靠近電機(jī)驅(qū)動(dòng)端側(cè)溫度高于非驅(qū)動(dòng)端，由此分析可能是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)溫度導(dǎo)致熱量傳導(dǎo)引起機(jī)泵機(jī)械密封溫度較高。

2.3.4 密封沖洗液管路不暢

有堵塞或安裝盲板，造成管理不暢。

2.3.5 密封液蓄能器充壓不符合技術(shù)參數(shù)要求

蓄能器的作用在于補(bǔ)充密封液壓力(維持密封腔出于一定壓力)，合理的充壓數(shù)值有利于系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3.6 端面比壓

端面比壓的合適選擇對(duì)于機(jī)械密封長(zhǎng)周期安全運(yùn)行具有重要意義。比壓如果選取過(guò)大，端面間會(huì)產(chǎn)生大量的熱，不僅造成端面磨損加劇、破壞密封間液膜的情況發(fā)生，同時(shí)設(shè)備能耗增大，經(jīng)濟(jì)性能降低。

2.3.7 密封沖洗液量

沖洗液量一般根據(jù)密封系統(tǒng)的熱平衡原理確定。機(jī)封熱量主要由以下產(chǎn)生：泵內(nèi)介質(zhì)流體傳導(dǎo)至密封端面處的熱量、旋轉(zhuǎn)密封導(dǎo)致的攪拌熱、動(dòng)靜摩擦副間的摩擦熱。熱量散失的方式主要有：密封腔夾套冷卻、自然冷卻和壓蓋急冷。機(jī)封處產(chǎn)生的熱量與散失的熱量的差值即為沖洗液該攜帶移除的熱量。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，沖洗量通常控制在3～30 L/min較為合適。

特別需要注意得是，對(duì)易于揮發(fā)性介質(zhì)或溫度較高的介質(zhì)，沖洗液流量需適當(dāng)加大。

2.3.8 沖洗壓力的影響

沖洗壓力適當(dāng)為最好，沖洗壓力如果太大，注入的沖洗量會(huì)過(guò)大，能耗增大不經(jīng)濟(jì)。沖洗壓力如果太小，沖洗液又不足以進(jìn)入密封腔內(nèi)。一般認(rèn)為：沖洗壓力的確定與沖洗方式、流體介質(zhì)壓力及流體壓力變化等情況有關(guān)。泵用機(jī)械密封工作壓力在2 MPa以下，壓力變化不大時(shí)沖洗壓力比密封腔內(nèi)的大壓力大0.05～0.20 MPa，壓力變化較大時(shí)其差值可取0.1～0.2 MPa。

2.3.9 沖洗密封流體的要求

(1)清潔、對(duì)泵內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量無(wú)影響；(2)不影響泵的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，例如，不引起汽蝕或抽空的發(fā)生；(3)熱導(dǎo)性能好，成本低廉；(4)阻塞液壓力高于1.0 MPa的情況，選用低黏度流體更有利于沖洗；(5)對(duì)于烴類(lèi)介質(zhì)選擇合成油(白油：ISO VG 65 或者ISO VG 15)或蠟油比較合理。

2.3.10 機(jī)封冷卻方式

機(jī)封冷卻方式可分為直接冷卻和間接冷卻兩種方式。直接冷卻就是沖洗流體直接接觸密封端面帶走熱量。間接冷卻就是沖洗流體和密封摩擦副端面接觸，通過(guò)水冷器/冷卻水套的裝置移除沖洗液攜帶的熱量，以達(dá)到降低摩擦副端面的目的。

間接冷卻分為換熱器冷卻和夾套冷卻。換熱器冷卻分為密封腔內(nèi)/外置式換熱器、套管冷卻器、盤(pán)管冷卻器等。夾套冷卻分為壓蓋夾套冷卻、密封腔夾套冷卻等。空氣、水和蒸汽通常用作傳熱介質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，直接冷卻要要比間接冷卻效果好一些，但其對(duì)冷卻液的要求較高。

2.3.11 密封端面液膜閃蒸

液態(tài)烴(丙烯)作為易揮發(fā)介質(zhì)，極易汽化產(chǎn)生相變。機(jī)封冷卻系統(tǒng)發(fā)生通路不暢工況時(shí)，摩擦副端面及介質(zhì)流體的攪拌所產(chǎn)生的熱量會(huì)引起液態(tài)烴(丙烯)的飽和蒸汽壓上升，當(dāng)其飽和蒸汽壓高于密封腔的工作壓力時(shí)，動(dòng)靜端面間的液膜會(huì)產(chǎn)生閃蒸爆裂，潤(rùn)滑作用失效，進(jìn)而引起密封端面發(fā)生干摩擦，導(dǎo)致機(jī)械密封的溫度升高。

2.3.12 密封端面上汽化

(1)密封端面的摩擦熱同時(shí)取決于壓力和速度，PV值過(guò)高，如圖3所示(產(chǎn)生的摩擦熱，輕則汽化液膜，密封失效；嚴(yán)重磨損密封端面，產(chǎn)生瑕疵，更甚端面摩擦副出現(xiàn)裂紋，機(jī)封報(bào)廢)；

圖3 材料PV值-磨損率曲線(xiàn)

(2)密封輔助設(shè)施未能應(yīng)用于溫度較高的泵；

(3)沖洗液回路不通暢或者中斷；

(4)冷卻設(shè)施結(jié)垢，冷卻能力下降；

(5)密封腔中的壓力隨著泵入口壓力的下降也下降；

(6)由于輕烴泵中輕組分含量的增加等因素可能會(huì)引起的密封端面更易汽化。

2.3.13 密封腔中有氣體或者沒(méi)有灌泵就啟動(dòng)

密封干摩擦。

2.3.14 密封輔助系統(tǒng)

密封沖洗液未建立循環(huán)：(1)密封液內(nèi)帶氣體；(2)泵校環(huán)反裝。

3.4 機(jī)械密封運(yùn)行溫度高可能原因排除

3.4.1 工藝方面

(以PP-3101為例，BB5型)經(jīng)過(guò)調(diào)取DCS系統(tǒng)運(yùn)行曲線(xiàn)查閱，機(jī)泵運(yùn)行期間系統(tǒng)溫度由29.2℃升至29.4 ℃。由此可見(jiàn)，工藝系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)造成機(jī)封溫度上升至100 ℃的情況可以排除。

3.4.2 機(jī)封密封液冷卻水流量壓力

冷卻水管路系統(tǒng)仔細(xì)排查，水流可構(gòu)成循環(huán)回路，系統(tǒng)壓力正常，水量充足排除循環(huán)水路不暢問(wèn)題。

3.4.3 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)熱量傳導(dǎo)

經(jīng)過(guò)實(shí)際溫度檢測(cè)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)端溫度符合國(guó)標(biāo)低于85 ℃，這與機(jī)封實(shí)際檢測(cè)到的溫度大于100 ℃不相符，同時(shí)由于非驅(qū)動(dòng)端由電機(jī)冷卻風(fēng)扇的存在，可以解釋非驅(qū)動(dòng)端溫度低于驅(qū)動(dòng)端的情況。由此分析，可以排除該因素的影響。

3.4.4 密封沖洗液管路不暢(有堵塞或安裝盲板)

逐段拆檢沖洗液管路，未發(fā)現(xiàn)管路有堵塞或者暗裝盲板的情況存在，管路通暢。

3.4.5 密封液蓄能器充壓不符合技術(shù)參數(shù)要求

現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格按照蓄能器銘牌要求進(jìn)行充氣(氮?dú)猓瑲鈮阂灶A(yù)充壓力為準(zhǔn))，可以排除該潛在因素的影響。

3.4.6 端面比壓

經(jīng)機(jī)封廠(chǎng)家專(zhuān)家討論認(rèn)為每臺(tái)機(jī)封端面比壓均根據(jù)工藝條件計(jì)算得出，符合要求。

3.4.7 密封沖洗液量

在預(yù)充壓力基礎(chǔ)上加入量適當(dāng)沖洗液至密封液循環(huán)管內(nèi)壓力至工作壓力，可以認(rèn)為沖洗液量符合要求。

3.4.8 沖洗壓力的影響

在預(yù)充壓力基礎(chǔ)上加入量適當(dāng)沖洗液至密封液循環(huán)管內(nèi)壓力至工作壓力，可以認(rèn)為沖洗液壓力符合要求。

3.4.9 沖洗密封流體的要求

采用Shell ondina X415_TDS GtL 機(jī)械白油，該白油是基于殼牌氣液技術(shù)的碳?xì)浠衔镆后w，具有高度飽和烷基結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格履行國(guó)際處方純凈度要求，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。

3.4.10 機(jī)封冷卻方式

現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)機(jī)封溫度高的泵均采用外置式冷卻器間接冷卻方式，是否可以判斷問(wèn)題所在需要實(shí)踐檢驗(yàn)。

3.4.11 密封端面液膜閃蒸

機(jī)泵試車(chē)期間壓力控制以設(shè)備參數(shù)為準(zhǔn)，技術(shù)上避免了由密封腔的工作壓力低于液態(tài)烴的飽和蒸汽壓時(shí)，引起端面液膜產(chǎn)生閃蒸爆裂，潤(rùn)滑失效，造成密封端面干摩擦的情況。

3.4.12 密封端面上汽化

(1)查閱機(jī)泵額定參數(shù)(以PP-3101為例[OH2型])：額定參數(shù)：V=1 480 r/min，端面比壓由該機(jī)封本身給定；查閱機(jī)泵額定參數(shù)(以PP-1102為例[BB5型])：額定參數(shù)：V=2 960 r/min，端面比壓由該機(jī)封本身給定故可以判定PV值固定；查閱機(jī)泵額定參數(shù)(以PP-6202 為例[VS6型])：額定參數(shù)：V=2 950 r/min，端面比壓由該機(jī)封本身給定。不同類(lèi)型/轉(zhuǎn)速/比壓的機(jī)泵(機(jī)封)均出現(xiàn)溫度升高的情況，該情況大致可以判斷要么整體機(jī)封參數(shù)設(shè)計(jì)有有誤要么外在其他條件有缺陷。

(2)所有機(jī)封均采用PLAN-53B機(jī)封密封輔助系統(tǒng)。

(3)由D/G/H分析可知系統(tǒng)內(nèi)本身沖洗液量和管路是滿(mǎn)足要求的，是否有回路不暢/沖洗中斷情況需進(jìn)一步分析和實(shí)踐檢驗(yàn)。

(4)冷卻設(shè)備為新設(shè)備，第一次通入冷卻水，發(fā)生結(jié)垢造成冷卻能力降低的可能性幾乎可以排除。

(5)同K的分析可知，該情況可以排除。

(6)同I的分析可知，該情況可以排除。

3.4.13 密封腔中有氣體或者沒(méi)有灌泵就啟動(dòng)

嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，可以排除該情況。

3.4.14 密封輔助系統(tǒng)

密封沖洗液未建立循環(huán)：

(1)密封液內(nèi)帶氣體。采取小量多次加密封液且機(jī)封油罐頂部排氣的操作工藝，基本可以排除帶氣的情況。

(2)泵校環(huán)反裝。拆檢一套新的備件雙軸封機(jī)封和PP-1102B雙軸封機(jī)封現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)，泵效環(huán)均正裝，故該情況也排除。

4 機(jī)封溫度高問(wèn)題歸結(jié)和解決措施

經(jīng)過(guò)以上理論分析和現(xiàn)場(chǎng)大量實(shí)踐，大致可以排除操作和工藝方面的問(wèn)題，主要問(wèn)題敘述如下。

4.1 機(jī)械密封參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)

該問(wèn)題機(jī)封廠(chǎng)家認(rèn)為可能性不大。

4.2 熱力不平衡

拆檢沖洗液水冷器，內(nèi)部盤(pán)管管徑較細(xì)，可能存在換熱不均，沖洗液所帶的熱量無(wú)法被移除，進(jìn)而溫度持續(xù)升高，直至達(dá)到?jīng)_洗液汽化，沖洗液循環(huán)中斷的情況。

4.3 解決措施

2022年4月24日嘗試更換一臺(tái)較大型號(hào)的水冷器(盤(pán)管)，更換后現(xiàn)場(chǎng)試/開(kāi)車(chē)效果良好(溫度≈60℃)，其余全部水冷器按照計(jì)劃依次更換完畢(歷時(shí)月余)。

4.4 試/開(kāi)車(chē)成功意義

(1)直接影響經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值：試/開(kāi)車(chē)的關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備 PP-1101A(BB5型)、PP-3101A/B(OH2型)、PP-3201(OH2)、PP-6202A(VS6型)機(jī)封水冷器更換完成歷時(shí)約20天，聚丙烯價(jià)格當(dāng)時(shí)約8 000元/t，產(chǎn)量約30 t/h。

(2)無(wú)形價(jià)值：積極解決問(wèn)題的態(tài)度贏得B項(xiàng)目業(yè)主的高度認(rèn)可，對(duì)于進(jìn)一步向外界展示公司立德、擔(dān)當(dāng)、創(chuàng)新、進(jìn)取的企業(yè)形象起到了積極作用。

5 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)設(shè)備試車(chē)是一門(mén)跨多個(gè)專(zhuān)業(yè)學(xué)科的綜合學(xué)問(wèn)。任何可能的因素都需要逐一加以分析和排除，做好該工作需要綜合的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)儲(chǔ)備和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的高度結(jié)合。