高温热水泵机封失效的研究和改造

摘 要：本文针对机泵机械密封的非正常泄漏进行了认真分析，对泵机封结构的分析和操作条件的研究，保证设备的平稳运转，解决机械密封使用周期短问题。

关键词：机械密封 泄漏 冲洗方案 改造

一、项目背景

华北石化分公司目前装置有年500万炼油装置及配套工程，其中包含两套常压、两套催化、两套加氢重整以及其他配套装置。随着炼厂加工量不断增加，各套装置中的机泵也随之增加，据钳修工区初步统计，日常维修工作70%以上的工作量为泵机封故障，而机封故障中又有50%以上集中在一些特殊泵机封的非正常损坏，这些泵机封的寿命大致都在0.5-3月左右。其中不乏各装置的核心设备，不仅给维修车间带来了极大的人力和材料压力，更严重的威胁着装置的平稳运行，存在巨大隐患。

二、工作过程

根据上述情况，钳修工区组织各技术人员和维修骨干，对这些泵机封的非正常泄漏进行了认真分析，包括对泵机封结构的分析和操作条件的研究。在排除了机封的安装原因之后，失效原因大致可分为：

1.机封的选型不当；

2.机封辅助系统的设计不当；

3.密封副材料的选型不当；

4.辅助密封材质的选用不合理；

5.轴套定位和密封性是不可靠；

6.机封国产化后的寿命较短。

通过对机封寿命较短的泵的工艺参数分析，大致可对这些泵归纳为：1.高温热水泵；2.高温油含催化剂杂质的泵；3.液化气等轻烃泵；4.酸碱等有腐蚀性介质的泵。

钳修工区人员针对泵工艺类型逐台的分析机封失效原因，然后针对分析出的原因进行调整和改造。并进行改造后的试验，效果不佳的继续进行研究整改，直到使这些泵的机封使用寿命都接近或超过正常寿命。其中以高温热水泵机封使用寿命最短，延长高温热水泵机封使用寿命的也是目前亟待解决的重要课题。

三、技术方案研究过程和结果

1.高温热水泵机封改造方案的确定过程

以二催化装置的五台高温热水泵为例：该泵的机械密封及其附属系统改造项目内容包括：采用API方案23+62对机封冲洗系统改造、解决该系统中换热器选型及管线连接布置的合理性及安装操作的正确性、机械密封内部增加泵送环装置以加快冲洗介质的循环速度，在静环的密封面上从外缘沿径向朝里开出凹槽，合理选用机封各部件的制造材料、解决密封的水封不良问题以及增加一个石墨节流衬套。虽然该项目采用了常规的冲洗方案，但是在改造的细节中，改造人员做了多项的辅助项目设计，使得该项目圆满成功，运行效果良好，受到各方面的好评。

首先钳修工区组织会同设计单位（包括用户）、泵厂和密封厂三方了解密封选用参数，掌握密封的结构、型式、材料、标准及其特点，相互配合，保证密封改造方案的正确选用。三方首先对改造前机封的失效形式和原因进行了仔细深入的分析。

改造前机械密封的失效形式分析：

1.1从失效机封的端面观察，动静环出现严重干磨现象；

1.2从机封压盖温度过高及现场管线温差分析，机封腔温度没有降低下来；

1.3机封压盖水封效果不佳。

2.从上述三条可以分析出原机封的失效原因只有可能是：

2.1端面比压过大或平衡程度β值过大，造成密封副运转时负荷过大密封面过早失效；

2.2介质低于饱和蒸汽压力，使得端面液膜发生闪蒸，丧失；

2.3机封压盖冷却效果不佳，端面旋转原件产生热量使介质的饱和蒸汽压上升；

2.4冲洗系统温度过高，到达105-250℃之间时，石墨表面析出树脂产生粘结，同时辅助密封圈老化、龟裂、变硬失弹；

2.5动静摩擦副材质选择不合适。

3.通过认真的机封失效原因分析，决定采取多种改造方案齐上，将所有导致机封失效的可能性原因一一排除，具体改造措施有：

3.1决定采用API Plan23+62的介质冲洗方案；API Plan23方案是将热水从密封腔引出，经过一个换热器后再冲洗密封面，换热器使热水的温度在重新注入密封腔并冲洗密封面之前降低了，API plan62典型的用法是配合23方案增加采用一个小间隙的节流衬套。一个合适的节流衬套能够有助于将泵腔和密封腔进一步隔开，这样有利于密封腔环境的相对稳定。同时这样能有助于提高密封腔压力，使密封压力与汽化压力之间有一个较大的余量。

3.2合理改造布置冲洗管路；将换热器布置高于机封压盖300mm，提高压盖上循环液出口高度大于800mm，同时尽量减少配管过程中的接头——拐弯处都采用热围弯（R值100mm），这样可极大提高介质的热虹吸现象和减少管路阻力，提高冲洗介质的循环速度。

3.3在机封轴套上增加泵送环；这样就可以使泵在运转时，循环液由密封室中的泵送环泵送出，经过冷却器返回到密封室，这个方案能有效降低冷却器上的热负荷。

3.4经从新核算后，合理选择冷却器型号；换热面积过小会导致冲洗介质温度较高的进入密封腔，不利于密封腔的温度控制（通常要求将冲洗业温度控制在65-82℃之间），换热面积过大虽说可以通过冷却水调节冷却效果，能有效控制冷却温度，但由于盘管过长导致沿程阻力过大，介质无法循环，所以合理选用换热器型号也由为重要，不可忽视。

3.5采用带有液体缓冲垫的密封面；“液体缓冲垫”是在动静环的任一密封面上从外缘沿径向朝里开出凹槽或企口。其深度可以从千分之几到0.125英寸（即3毫米）。开槽后造成密封端面运转时发生波状变形，波状变形有助于液膜在密封端面间的延展。液膜厚度沿圆周方向的收缩与扩展可以产生一个使密封面分离的流体推开力。这个流体推力能减小密封面间的机械接触、热量的产生及密封面磨损。流体的比重和粘度越小，流体推力越小。由于以上特性，“液体缓冲垫”比较适和用于高压热水泵的机械密封。

3.6合理选择密封各部件材质；密封各部件材质的选择对密封寿命也起着较为关键的作用，所以项目组会同各方技术人员经过翻阅大量技术资料，最终选出配对密封面为烧结碳化硅对优质浸渍石墨，O型圈选用氟橡胶，弹簧为哈氏合金C，其余部件（如轴套、压盖）为316不锈钢。新增节流衬套选用优质石墨制成。

3.7改造压盖水封；将原来简易的间隙水封改造为带辅助密封圈的迷宫水封，加强了密封腔的外部冷却效果，对密封腔温度多了一种控制的手段，进一步保证此次改造的细致程度。

4.其他寿命较短泵机封的改造方案的确定过程

在解决热水泵的机封改造同时，在日常维修工作中，我们还经常碰到其他一些机封非正常失效的情况。针对不同情况，我们采取了不同的改造措施，大致可归纳为：1、冲洗形式的合理改造；2、辅助密封圈材料的更改；3、轴套定位和密封形式的改造。通过分析总结及改造后运转试验，均取得了满意的效果。

四、应用效果、经济效益

1.应用效果

2007年至今，几台高温热水改造后机封寿命均在2年左右，使泵机封平均寿命在1年半以上（包括工艺波动造成的非正常失效），达到了预期目标，超过了国内外先进水平，保证了装置的安全生产。较之国外的关键泵、特殊泵通常采用的干气密封，明显有效的降低了购置成本与运行成本，操作难度也大大低于国外同类设备。

2.作用和影响

经过几年来的不停改造，大大的降低了维修成本。更重要的是保证了整个装置的平稳运行，为公司各装置的安、稳、长、满、优运行起到了重要作用。

此项目的成功必将为国内外的机封改造和应用带来深远意义，也为今后遇到的各类机封问题积累丰富的处理经验。

作者简介：李海亮（1983～），男，天津市蓟县人，助理工程师，学士学位，从事炼油生产和设备维修管理。