泵密封失效原因分析與改進(jìn)方案的優(yōu)化

離心泵是煉化裝置必不可少的動(dòng)力設(shè)備，機(jī)泵是否能夠運(yùn)行正常，直接關(guān)系到裝置安全、生產(chǎn)穩(wěn)定性和連續(xù)性，而正常運(yùn)行的關(guān)鍵主要取決于機(jī)械密封的可靠性。國(guó)內(nèi)外由于機(jī)械密封失效導(dǎo)致發(fā)生多起著火事故，損失巨大。機(jī)械密封近年來(lái)已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，可靠性及壽命都得到了大幅提升，但某些機(jī)泵由于配置不合理，實(shí)際工藝參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)存在偏差以及流量、壓力設(shè)置等造成機(jī)械密封運(yùn)行壽命不長(zhǎng)，泄漏頻繁。國(guó)內(nèi)某石油化工公司70萬(wàn)t/a氣體分餾裝置，所有輕烴類(lèi)機(jī)泵均采用串聯(lián)式機(jī)械干氣密封（機(jī)械密封+干氣密封），其中脫丙烷塔進(jìn)料泵設(shè)計(jì)型式為BB5，5級(jí)葉輪，首級(jí)采用雙吸結(jié)構(gòu)，操作介質(zhì)為經(jīng)過(guò)脫硫的液化氣，操作溫度為40℃，出口壓力2.72MPa，機(jī)封沖洗方案選用P11+72/76，首級(jí)密封沖洗液為機(jī)泵二級(jí)出口介質(zhì)外引至P11系統(tǒng)，抑制密封選用外引0.7MPa系統(tǒng)氮?dú)?。開(kāi)工初期裝置在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，首級(jí)機(jī)械密封頻繁泄漏，導(dǎo)致裝置無(wú)法長(zhǎng)期運(yùn)行并存在安全隱患，備件消耗和維修成本也大幅度上升，為降低安全風(fēng)險(xiǎn)及人力物力消耗，全面優(yōu)化勢(shì)在必行。泄漏事件經(jīng)過(guò)及原因分析裝置投產(chǎn)初期該泵在介質(zhì)性質(zhì)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求及運(yùn)行工況在性能曲線(xiàn)優(yōu)選范圍內(nèi)的情況下，機(jī)械密封頻繁泄漏。該泵在運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)封本體過(guò)熱并伴隨著尖銳刺耳的摩擦聲。經(jīng)對(duì)失效機(jī)封拆檢，發(fā)現(xiàn)首級(jí)密封動(dòng)環(huán)磨損嚴(yán)重（動(dòng)環(huán)為碳化硅材質(zhì)，靜環(huán)采用硬質(zhì)合金材質(zhì)），并且干氣至放火炬管線(xiàn)單向閥孔板前堵塞嚴(yán)重（為動(dòng)環(huán)磨損造成）。故判斷造成機(jī)械密封失穩(wěn)的主要原因?yàn)槭准?jí)機(jī)封動(dòng)環(huán)與靜環(huán)未形成有效液膜，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中動(dòng)靜環(huán)干摩擦并產(chǎn)生大量摩擦熱。最終導(dǎo)致動(dòng)環(huán)磨損嚴(yán)重，密封失效（見(jiàn)圖1、圖2）。圖1一級(jí)動(dòng)環(huán)磨損狀態(tài)圖2磨損后抑制密封腔內(nèi)部狀態(tài)原因分析根據(jù)API682標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，對(duì)于接觸式濕密封（不含抑制密封）的密封腔設(shè)計(jì)壓力應(yīng)比流體最大飽和蒸氣壓高30%以上，或比流體最高溫度高至少20℃時(shí)的壓力，并且密封在合理工況范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)壽命不低于25000h，現(xiàn)實(shí)卻遠(yuǎn)未達(dá)到使用要求。1.沖洗液流量過(guò)低該泵原設(shè)計(jì)機(jī)械密封P11沖洗液為二級(jí)葉輪出口外引DN15管路，經(jīng)三通分兩路給驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封，作為首級(jí)沖洗液使用。機(jī)械密封在運(yùn)轉(zhuǎn)壽命尾聲會(huì)出現(xiàn)沖洗管線(xiàn)兩側(cè)溫差上升（一側(cè)為二級(jí)出口溫度，一側(cè)為環(huán)境溫度），溫度低的一側(cè)機(jī)封本體過(guò)熱，短時(shí)間內(nèi)失效，造成該現(xiàn)象的主要因素為機(jī)泵兩端沖洗流量嚴(yán)重分配不勻（分流后流量會(huì)成指數(shù)下降），流量低的一側(cè)由于動(dòng)靜環(huán)摩擦副端面無(wú)冷卻潤(rùn)滑沖洗介質(zhì)，造成動(dòng)靜環(huán)干磨超溫?fù)p壞，進(jìn)而密封失效。2.機(jī)泵本體設(shè)計(jì)缺陷經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，喉部襯套間隙為2mm（規(guī)范要求為~0.5mm），襯套與機(jī)體設(shè)計(jì)兩處φ5mm的通孔（如圖3）。喉部襯套的作用為使泵軸與金屬襯套之間保持一定間隙，以此來(lái)保證密封腔壓力。該設(shè)計(jì)失去了對(duì)密封腔壓力的控制，過(guò)流部位由于間隙過(guò)大，造成介質(zhì)在腔內(nèi)停留時(shí)間過(guò)短，從而導(dǎo)致流量增大，腔內(nèi)壓力降低。圖3機(jī)泵喉部襯套3.沖洗液壓力過(guò)低經(jīng)化驗(yàn)分析介質(zhì)在20℃時(shí)飽和蒸氣壓為0.711MPa。根據(jù)規(guī)范要求，密封腔壓力至少要大于該溫度下的飽和蒸氣壓0.35MPa。對(duì)運(yùn)行階段機(jī)封內(nèi)壓蓋開(kāi)孔實(shí)測(cè)機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的密封腔壓力，機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)前驅(qū)動(dòng)端及非驅(qū)動(dòng)端密封腔壓力接近入口壓力為0.9MPa,運(yùn)轉(zhuǎn)后兩端密封腔壓力為0.95MPa，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。加之沖洗介質(zhì)經(jīng)泵升壓后，存在一定溫升，其要求的密封腔壓力更高一些。推斷導(dǎo)致密封頻繁泄漏的直接原因?yàn)槊芊馇粔毫υＡ浚╒PM）不夠，促使密封腔內(nèi)介質(zhì)發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，說(shuō)明在該區(qū)域已經(jīng)進(jìn)入氣液混相，并馬上進(jìn)入完全氣相狀態(tài)。導(dǎo)致摩擦副之間無(wú)法建立有效液膜。方案優(yōu)化與實(shí)施效果為使流體滿(mǎn)足所需壓力、流量和溫度的要求，有如下幾種方法可以實(shí)現(xiàn)：（1）利用冷卻沖洗液以降低密封腔流體溫度，使其飽和蒸氣壓根據(jù)溫度的降低而降低。（2）通過(guò)向后移動(dòng)耐磨環(huán)或堵住葉輪平衡孔來(lái)提高密封腔的壓力。（3）利用外部沖洗流體提高密封腔壓力。（4）將喉套間隙減小來(lái)提高密封腔壓力。根據(jù)實(shí)際情況，方案2和方案4涉及到機(jī)泵本體動(dòng)改，改造后對(duì)軸串量會(huì)產(chǎn)生不可避免的影響，而方案1、方案3及機(jī)封本體動(dòng)改三種方式操作最為簡(jiǎn)便實(shí)用。優(yōu)化沖洗液流量及壓力該泵原設(shè)計(jì)為二級(jí)葉輪出口外引DN15管路，經(jīng)三通分兩路給驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封作為首級(jí)沖洗液使用。優(yōu)化設(shè)計(jì)為，驅(qū)動(dòng)端沖洗管路維持原設(shè)計(jì)不變，非驅(qū)動(dòng)端采用外引泵出口高壓介質(zhì)作為沖洗液?jiǎn)为?dú)沖洗，維持管徑不變的同時(shí)，沿途增設(shè)截止閥、孔板（φ3mm、φ4mm、φ5mm、φ8mm4種規(guī)格，初選φ3mm）、現(xiàn)場(chǎng)壓力表及渦街流量計(jì)（如圖4），使驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端沖洗液流量及壓力均得到保障，以此來(lái)增加密封腔壓力和沖洗流量。圖4改造后沖洗示意圖優(yōu)化機(jī)械密封結(jié)構(gòu)結(jié)合以往改造經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)此類(lèi)臨近飽和蒸氣壓的輕烴類(lèi)使用工況，對(duì)動(dòng)環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加端面開(kāi)深槽結(jié)構(gòu)，降低密封面的產(chǎn)熱量，前置獨(dú)立節(jié)流裝置以此營(yíng)造機(jī)械密封獨(dú)立密封腔壓力，節(jié)流環(huán)設(shè)計(jì)為碳化硅材質(zhì)，雙邊預(yù)留0.1mm余量，以此避免介質(zhì)壓力過(guò)大造成密封腔超壓（如圖5）。節(jié)流環(huán)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)隨著沖洗介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)調(diào)整至最佳位置，既保證了密封腔壓力，又與沖洗液通流部位達(dá)到平穩(wěn)過(guò)流。圖5改造前沖洗示意圖利用冷卻沖洗液降低流體溫度該泵密封腔外部設(shè)計(jì)為可通入冷卻液夾套形式，為下進(jìn)上出，內(nèi)螺紋聯(lián)接形式，可利用裝置服務(wù)站所提供的循環(huán)冷卻水引至夾套，通過(guò)調(diào)整流量來(lái)控制密封腔內(nèi)部溫度，以此來(lái)降低介質(zhì)溫度，使其飽和蒸氣壓降低，以保證液膜維持良好。實(shí)施效果改進(jìn)后運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)測(cè)，機(jī)封本體溫度45℃左右，密封腔壓力實(shí)測(cè)1.0MPa，非驅(qū)動(dòng)端新增沖洗管線(xiàn)表壓為1.1MPa,密封腔壓力為1.08MPa，流量為1.44m3/h，機(jī)械密封本體及沖洗管線(xiàn)溫度無(wú)異常，且運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期效果。該優(yōu)化方案有效地解決了之前密封頻繁泄漏的問(wèn)題，延長(zhǎng)了機(jī)械密封的使用壽命,直接節(jié)省了大量的維修費(fèi)用和配件費(fèi)用,更避免了裝置非計(jì)劃停工,保障了安全運(yùn)行，提高了裝置的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)論綜上所述，機(jī)械密封在輕烴類(lèi)機(jī)泵上的應(yīng)用由于介質(zhì)的特殊性和復(fù)雜性，為保證穩(wěn)定工作，密封端面之