煉油廠高溫油泵機械密封泄漏原因分析及對策

亓東民，趙 娜

（1.石油化工管理干部學院，北京 100012；2.中石化北京燕山分公司，北京 102500）

1 前言

當前焊接金屬波紋管機械密封已被廣泛應用在各個行業(yè)中，人們對其使用性能的關注度也與日俱增。雖然在整臺機器設備中，機械密封并不是很大的工作元件，但其對整臺機器設備、整套裝置，甚至對整個工廠的影響卻是很巨大的，特別在石油石化企業(yè)中，流體介質大多數(shù)具有腐蝕性、可燃性、易爆性和毒性，一旦密封失效，介質外漏，不僅污染環(huán)境、影響產(chǎn)品質量，而且往往會導致火災、爆炸和人身傷亡等重大事故。

2 焊接金屬波紋管機械密封的組成

目前，在石油石化煉油廠使用的高溫介質泵中，普通的彈簧機械密封已被焊接波紋管機械密封廣泛替代。另外，金屬波紋管機械密封也被大量地使用在輸送液化天然氣、液氧、液氮等低溫介質的泵中。

焊接金屬波紋管機械密封是各種機械密封結構中較為先進的一種接觸型機械密封裝置，金屬波紋管機械密封的基本結構如圖1所示。

圖l 焊接金屬波紋管機械密封基本結構

焊接金屬波紋管機械密封與傳統(tǒng)的彈簧機械密封相比具有三大特點：（1）以焊接金屬波紋管替代彈簧作為彈性元件。由于波紋管具有輔助密封的作用，因此減少了密封裝置的零件數(shù)，使機械密封整體結構更加簡單。（2）通過選擇和處理金屬波紋管材料，讓波紋管的剛度可以調(diào)節(jié)，使波紋管的彈力更趨穩(wěn)定。（3）金屬波紋管具有良好的軸向隨動性和傾斜方向的浮動性，摩擦副能更可靠地貼合，使密封性能大大提高。

3 機械密封故障情況及其失效分析

3.1 故障情況分析

從實際使用情況結果看，盡管焊接金屬波紋管機械密封具有很多優(yōu)點，并且得到了廣泛的應用。然而，由于其使用的溫度、壓力、介質、沖洗方式等參數(shù)的不同，加之國內(nèi)產(chǎn)品質量的不穩(wěn)定以及用戶安裝使用的水平不同，導致焊接金屬波紋管機械密封在使用過程中還存在著許多問題，這些問題常常會造成密封的不穩(wěn)定和使用壽命的縮短。密封失效通常表現(xiàn)為異常泄漏、異常磨損、異常聲音、異常振動及異常扭曲等［1］。

某煉油廠加氫裂化裝置塔底油泵采用的是金屬波紋管機械密封，該機泵機械密封采用PLAN21帶冷卻器的自沖洗方案。機械密封剛投用時情況良好，但隨著運行時間的延長，機械密封從開始冒煙，而后轉而滴漏，通過檢修更換新的密封，使用不久又開始滴漏。如此反復檢修，給裝置運行帶來了極大的隱患。該泵具體工作參數(shù)見表1。

通過檢修解體發(fā)現(xiàn)泄漏機械密封的動、環(huán)接觸表面磨損比較嚴重，有明顯的變形，用光學平晶觀察，其干涉條紋也是多條彎曲的、不合格的干涉條紋；通過仔細查看發(fā)現(xiàn)機械密封的動、環(huán)組件內(nèi)表面粘著一層較厚的固體碳化物（如圖2所示），而且黑色的固體碳化物布滿了從動環(huán)座到波紋管的整個動環(huán)組件內(nèi)表面，特別是波紋管上的碳化物，已經(jīng)完全占據(jù)了波紋管內(nèi)波峰和波谷的整個壓縮空間（如圖3所示）。

圖2 動環(huán)組件內(nèi)表面積碳情況

波紋管作為機械密封唯一的補償機構，幾乎不能被壓縮，補償性能基本喪失，機械密封在工作狀態(tài)時，不能實現(xiàn)自由補償，動、靜環(huán)也就不能實現(xiàn)良好的貼合，起不到密封的效果，進而出現(xiàn)了泄漏。

圖3 波紋管內(nèi)的固體碳化物

固體碳化物是由于動、靜摩擦副端面摩擦產(chǎn)生大量的熱，加之介質本身溫度比較高且密封沖洗冷卻不足，致使介質在密封端面碳化所致。積碳情況的產(chǎn)生不僅嚴重影響了波紋管的補償性能，而且，固體碳化顆粒很容易進入高速旋轉的摩擦副端面，使密封面造成嚴重磨損、變形；此外，由于摩擦導致密封端面液體溫度超過其沸點時，流體沸騰會產(chǎn)生噪音和振動，更加劇了磨損和泄漏的發(fā)生，致使機械密封壽命降低。所以，要根本解決機械密封頻繁泄漏的問題，必須要抑制住積碳情況的發(fā)生。

3.2 失效分析

導致機械密封密封端面變形的一個重要因素就是摩擦副端面內(nèi)、外側的壓差。變形的方式有2種：機械變形和熱變形，目前被普遍認同的端面變形形狀為錐形［2］。密封端面錐形變形一旦產(chǎn)生，將導致密封端面局部應力集中，以致局部過度磨損和高溫，影響整個密封端面的密封性能，導致泄漏量增加。密封斷面的變形如圖4所示。

圖4 密封端面的變形形式

需要系統(tǒng)地研究機械密封泄漏的根本原因，減小錐形變形的發(fā)生，首先要從研究機械密封密封端面的溫度場開始。因此，本文借助ANSYS軟件的前處理程序，選擇溫度作為反饋參量來研究機械密封的控制策略，通過建立密封端面溫度場的有限元分析模型［3～8］，對機械密封端面溫度及應力場進行分析。

3.2.1 溫度場的計算與分析

通過密封端面溫度場的有限元分析模型，把溫度數(shù)據(jù)作為基本數(shù)據(jù)的節(jié)點。由于建立的是穩(wěn)態(tài)的溫度場模型，故分析結果如圖5所示。從圖中看到，顏色的不同代表等值溫度區(qū)不同的溫度；密封端面內(nèi)徑處散熱不好，溫度變化明顯且溫度最高；密封端面外端面散熱情況好，溫度變化不明顯且溫度最低。

圖5 密封環(huán)溫度場云圖

3.2.2 熱應力分析

通過建立密封端面應力場的有限元分析模型，對密封環(huán)的徑向應力、軸向應力、周向應力、等效應力進行分析。應力場云圖如圖6所示。

圖6 密封環(huán)的應力場云圖

對以上云圖進行分析：從靜環(huán)密封端面的應力分量的分布情況看，由于靜環(huán)端面在接觸區(qū)域產(chǎn)生一定的繞曲變形，故徑向應力分量波動較大；且軸向和周向的壓應力較高與接觸壓力值相當；由于在接觸區(qū)域內(nèi)軸向、周向應力分量與徑向應力分量相差較大，因此，最大綜合應力與最大接觸壓力位置一致，且應力強度高；而在密封端面中部，軸向、周向應力分量與徑向應力分量相差很小，故綜合應力和應力強度都很小。

根據(jù)溫度場模型及應力場模型可知，密封端面的內(nèi)徑處溫度最高且溫度變化也最明顯，也最容易出現(xiàn)熱變形；同時最大的應力出現(xiàn)在端面外徑臺階附近，主要是由于該處溫度變化較明顯，溫度梯度較大所導致；而且密封環(huán)內(nèi)溫度隨軸向尺寸的增加而減小，靠近端面處軸向溫度梯度較大，遠離端面的軸向溫度梯度較?。痪C上分析，密封端面內(nèi)徑處，由于摩擦局部產(chǎn)生應力集中，以致局部過度磨損和高溫，從而導致密封端面發(fā)生錐形變形，最終導致密封失效，這與前面的實例內(nèi)徑處大量積碳相吻合。

4 密封改進措施及效果

綜合以上分析，為了保證機械密封長期有效的運行，結合裝置現(xiàn)場實際工作情況，提出改進措施：

（1）在設計機械密封時應設法控制變形，建議在距密封端面一段距離開一圈應力槽，以降低應力集中。

（2）為減少摩擦熱的產(chǎn)生，應將摩擦副適當變窄，建議選擇彈性模量大，熱膨脹系數(shù)小而導熱系數(shù)高的材料來減小熱變形。

（3）建議增加一套外部沖洗系統(tǒng)，適當加大沖洗量，改變自沖洗方式為外部沖洗PLAN32方案，從而盡量降低密封端面溫度，避免由于密封端面溫度太高，而導致摩擦副端面磨損、變形。

（4）建議將單端面機械密封升級替換成雙端面機械密封，且外沖洗為PLAN53A的沖洗方案，從而保證密封介質不外漏，保證裝置安全。

5 結語

在高溫高熱金屬波紋管機械密封裝置中，端面摩擦副（動、靜環(huán)）接觸面上的摩擦熱容易造成干摩擦或產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而使密封環(huán)內(nèi)產(chǎn)生過大的熱應力出現(xiàn)端面結焦或熱裂紋，致使機械密封使用壽命降低。本文結合具體實例介紹了金屬波紋管機械密封的結構原理，并對金屬波紋管機械密封端面溫度及應力場進行了模擬分析研究，找到了密封失效的原因，提出了密封改進措施和方法，對于同類型機械密封設計和制造及其應用具有理論指導和現(xiàn)實意義。

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