高溫高壓機(jī)械密封失效原因分析及改進(jìn)措施

潘向東，高 麗，王 芳，焦 茗

(1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司吉林石化分公司丙烯腈廠，吉林 吉林 132021；2.海洋石油工程 (青島)有限公司，山東 青島 266426)

某石化公司乙烯配套裝置反應(yīng)器冷卻水泵采用型號(hào)為3620L的雙吸雙支撐徑向剖分結(jié)構(gòu)的單級(jí)離心泵，起到排出反應(yīng)器產(chǎn)生的多余熱負(fù)荷及為空壓機(jī)透平提供高壓蒸汽的作用。該泵為水平安裝，單臺(tái)泵雙套機(jī)械密封，以256℃、4.4MPa的過(guò)熱水(PH值8～10)為介質(zhì)，出口壓力為4.8MPa，流量為592.25m3/h。軸外徑為φ95m m，材質(zhì)為17-4PH(A564 Ty.630)。該泵原裝機(jī)封采用約翰克蘭的平衡型單端面多彈簧機(jī)封，機(jī)封冷卻方式采用帶盤(pán)管冷卻器的自沖洗方式(API plan23)。由于進(jìn)口該類型機(jī)械密封費(fèi)用很高，并且我國(guó)引入機(jī)械密封60多年，技術(shù)已經(jīng)很成熟，因此在裝置投產(chǎn)后決定將該機(jī)械密封國(guó)產(chǎn)化。國(guó)產(chǎn)化后機(jī)械密封基本結(jié)構(gòu)不變，仍然采用平衡型單端面多彈簧集裝式結(jié)構(gòu)及非補(bǔ)償環(huán)旋轉(zhuǎn)的方式。動(dòng)環(huán)材質(zhì)采用硬質(zhì)合金(YWN8)，靜環(huán)材質(zhì)采用自潤(rùn)滑性能較好的浸銻石墨。采用國(guó)產(chǎn)化機(jī)械密封以來(lái)，多臺(tái)泵先后出現(xiàn)機(jī)封泄漏情況，經(jīng)拆檢分析，確定了主要存在以下幾種失效形式。

一、失效形式及原因

1.機(jī)械密封硬質(zhì)合金動(dòng)環(huán)炸裂，浸銻石墨靜環(huán)表面出現(xiàn)氣蝕性裂紋。

(1)泵抽空斷料或發(fā)生氣蝕。泵進(jìn)料為4.4MPa的過(guò)熱水，經(jīng)檢查，泵的流量、壓力沒(méi)有異常；密封失效炸環(huán)始終只是發(fā)生在某一端，由此，可確定機(jī)封失效不是由于泵抽空或發(fā)生嚴(yán)重氣蝕所引起的。

(2)封水管堵塞或自封水換熱器換熱效果不好。在高溫?zé)崴r下，如果冷卻效果不好，機(jī)械密封端面的液膜易產(chǎn)生氣化，承載能力降低、液膜減薄，造成密封失效。具體到本泵機(jī)封冷卻不良的原因，主要是換熱器堵塞或不暢。

2.機(jī)械密封軸套內(nèi)部O型圈碳化變質(zhì)，軸套和軸沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的痕跡。

機(jī)封軸套內(nèi)部O型圈碳化主要原因?yàn)闄C(jī)封廠家選用O型圈材質(zhì)不正確。三元乙丙橡膠一般使用溫度為150℃，性能等級(jí)較高的使用溫度為230℃。而泵身溫度為256℃，經(jīng)分析除了機(jī)封軸套O型圈處溫度可達(dá)到256℃外，其余四處輔助密封圈溫度均不超過(guò)220℃，故選用性能等級(jí)較高的三元乙丙橡膠能滿足大多工況要求，而機(jī)封軸套內(nèi)O型圈選用三元乙丙橡膠卻會(huì)造成機(jī)封失效泄漏。

3.機(jī)封軸套內(nèi)部O型圈老化變質(zhì)，軸套內(nèi)有旋轉(zhuǎn)摩擦痕跡，軸套和軸有相對(duì)運(yùn)動(dòng)痕跡。

軸套膠圈老化原因應(yīng)該是傳動(dòng)環(huán)傳動(dòng)頂絲松脫造成軸套不隨軸旋轉(zhuǎn)，軸套、膠圈、軸三者產(chǎn)生相對(duì)位移，導(dǎo)致膠圈老化機(jī)封失效。其主要原因如下。

(1)傳動(dòng)頂絲緊固不到位。

(2)傳動(dòng)頂絲(304材質(zhì))硬度低于軸表面硬度，使頂絲在軸上不能定位，發(fā)生打滑。

4.機(jī)封軸套外圓與機(jī)封壓蓋發(fā)生嚴(yán)重磨損。

軸套和壓蓋之間有磨損證明機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)同軸度不好，增大密封摩擦面積，導(dǎo)致非正常磨損，使密封失效。另外軸套和軸的摩擦?xí)馆S產(chǎn)生不規(guī)則的跳動(dòng)，同樣能造成密封面非正常磨損，導(dǎo)致密封失效。

5.軸承損壞嚴(yán)重，機(jī)封軸套外圓與機(jī)封壓蓋發(fā)生嚴(yán)重磨損。

軸承損壞基本上是由于軸承安裝不當(dāng)所致。軸承損壞后，機(jī)封軸套產(chǎn)生軸向位移，致使壓縮量增大，加速了密封磨損導(dǎo)致的密封失效。

二、整改和預(yù)防措施

1.針對(duì)合金環(huán)炸裂、石墨環(huán)裂紋的原因，封水換熱器的冷卻水應(yīng)采用純凈水。但工程中大多數(shù)都用過(guò)濾江水或者經(jīng)處理的廢水作為機(jī)封沖洗水。因此每次更換機(jī)封時(shí)都要對(duì)其封水換熱器進(jìn)行拆解清洗。如果在運(yùn)行中自封水回水超過(guò)55℃，應(yīng)該立即倒泵，對(duì)封水換熱器的管程和殼程均進(jìn)行清洗。另外自封水系統(tǒng)管線的最高點(diǎn)應(yīng)安裝排氣閥門，在開(kāi)泵之前將系統(tǒng)里的氣體排凈，避免造成氣阻。

2.由于是雙吸雙支撐泵，更換單端機(jī)械密封時(shí)，另一端必須安裝機(jī)封定位卡子，并將機(jī)封傳動(dòng)頂絲松開(kāi)，使未更換的一端機(jī)封處于自由狀態(tài)，待更換機(jī)封完畢后，兩端同時(shí)緊固傳動(dòng)頂絲定位，摘掉定位卡子。兩端同時(shí)更換機(jī)械密封更是如此，兩端機(jī)械密封必須同時(shí)定位，保證機(jī)械密封彈簧的壓縮量。頂絲的緊固應(yīng)確?？煽?。

3.由于泵的軸承配合有一定的過(guò)盈量，因此安裝軸承必須熱裝。推薦使用軸承感應(yīng)加熱器，采用蒸汽加熱的方式也可以。但應(yīng)注意排出蒸汽凝液，并加油置換軸承箱內(nèi)無(wú)法擦拭的蒸汽凝液。在新裝配的軸承運(yùn)行滿200h后，需要再次換油，以保證密封的使用壽命。

4.提高安裝精度，保證機(jī)封軸套同壓蓋之間的同軸度要求。軸徑分別為20～40mm、50～80mm、80～120mm時(shí)，機(jī)械密封軸與密封腔的垂直度允差值分別為0.05mm、0.06～0.07mm、0.08mm，機(jī)械密封的同軸度偏差≤0.02～0.25mm。軸徑16～50mm時(shí)，軸的徑向跳動(dòng)偏差≤0.04mm；軸徑50～120mm時(shí)，徑向跳動(dòng)偏差≤0.05mm。軸向竄動(dòng)量不大于0.05mm；軸的表面粗糙度不得低于3.2。軸凸肩過(guò)渡部分以及機(jī)封壓蓋與泵殼接觸處均應(yīng)圓滑過(guò)渡，避免傷及輔助密封圈。

5.解決集裝式機(jī)械密封內(nèi)部非金屬輔助密封圈出現(xiàn)碳化變質(zhì)，首先更換機(jī)械密封軸套內(nèi)部O型圈材質(zhì)，選用性能等級(jí)較高的Kalrez全氟橡膠，耐溫能達(dá)275℃；其次更換密封壓蓋和泵殼密封圈為纏繞墊片、機(jī)械密封中面及靜環(huán)輔助密封圈為聚四氟乙烯。改后運(yùn)行1年未發(fā)現(xiàn)機(jī)封泄露。

6.處理機(jī)械密封傳動(dòng)頂絲的失效問(wèn)題。已知軸的材質(zhì)為17-4PH，是由銅、鈮/鈳構(gòu)成的沉淀、硬化、馬氏體不銹鋼，其硬度為38HRC。更換頂絲材質(zhì)為45#鋼，淬火處理，硬度40HRC。

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