煉化企業(yè)高危泵機械密封失效分析及對策

閔浩晨 丁 偉 郭 睿

（1.蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅蘭州730050；2.中國石油蘭州石化分公司，甘肅蘭州730060）

0 引言

煉化企業(yè)高危泵主要包括高溫?zé)嵊皖惐茫摧斔徒橘|(zhì)最高運行溫度大于或等于自燃點或介質(zhì)溫度大于200℃的機泵；輕烴類泵，即輸送介質(zhì)為在大氣壓力下容易揮發(fā)的烴類物質(zhì)（一般是指碳五或更輕的烴類物質(zhì)的單體或其混合物）的機泵。有毒有害類泵即輸送毒性程度在重度及重度以上介質(zhì)的機泵。

在化工企業(yè)歷次事故中可以看到化工裝置原料泵密封失效，引發(fā)火災(zāi)的案例較為突出，我們在這里針對高危泵機械密封類型失效問題，就選型、沖洗、運行、監(jiān)測、檢修、管理等因素進行總結(jié)，以提高設(shè)備的安全管理水平。

1 機械密封失效的原因分析

機械密封是一種旋轉(zhuǎn)式流體機械的軸封裝置，是為了防止介質(zhì)從設(shè)備內(nèi)泄漏到外界，或空間氣體侵入到設(shè)備內(nèi)部的裝置或措施。按密封端面對數(shù)分類有單端面密封、雙端面密封、多端面密封等。其主要部件為動環(huán)、靜環(huán)、冷卻裝置、壓緊彈簧、密封膠圈和輔助密封件。

化工裝置高危泵均處在高溫、高壓、強腐蝕的物料和苛刻工況環(huán)境下運行，因物料性質(zhì)和工況環(huán)境非常復(fù)雜，機泵機械密封在使用的過程中存在微小泄漏，都可能出現(xiàn)令人尷尬和難以挽回的局面。下面分析機械密封失效的原因，以制定有效的應(yīng)對措施。

1.1 機械密封結(jié)構(gòu)選擇不合理

在設(shè)計中由于對機泵工作狀況的掌握不夠，對一些工況按照一般情況考慮使用了單端面機械密封，沒有從設(shè)施的安全性上優(yōu)先考慮。單端面密封結(jié)構(gòu)簡單，適用于一般油品等泄漏量要求不嚴(yán)格的生產(chǎn)場所。

1.2 機械密封的沖洗狀況不符合運行工況要求

在輸送易結(jié)晶或有細(xì)小顆粒的介質(zhì)時，必須有一定壓力和一定流量的沖洗液進行沖洗，否則結(jié)晶體或微粒會加速密封副的磨損，并影響密封副磨損后的自動補償而導(dǎo)致發(fā)生泄漏。

1.3 機械密封的材質(zhì)選擇不合適

機械密封的材質(zhì)與所輸送的介質(zhì)不相匹配，在運行時，密封元件就會很快被腐蝕、溶解或磨損，因而失去密封能力。根據(jù)輸送介質(zhì)的性質(zhì)選擇機械密封的材質(zhì)是保證其密封性能和正常壽命的先決條件。

1.4 機械密封的密封壓力測定不準(zhǔn)確

機械密封所能承受的壓力都是一定的，但由于對密封腔內(nèi)的壓力測算不準(zhǔn)或壓力大幅度波動，造成密封腔內(nèi)的壓力超過了機械密封所能承受的壓力，從而導(dǎo)致物料外泄，這是機械密封常見的失效原因。

1.5 機械密封的工作溫度不適宜

在有冷卻管路的設(shè)計中，往往由于冷卻介質(zhì)的流量不足、冷卻介質(zhì)溫度高而使冷卻效果降低；在沒有冷卻管路和沖洗的設(shè)計中，密封腔內(nèi)經(jīng)常由于窩存空氣而造成機械密封處于干摩擦狀態(tài)，進而使密封溫度急劇上升，導(dǎo)致動、靜環(huán)破裂。

1.6 在使用單彈簧的機械密封時

忽略彈簧的旋轉(zhuǎn)方向與泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向的正確組合，沒有按照設(shè)計說明安裝，裝配錯誤，沒有做到因為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而使機械密封的彈簧力加大而是相反，結(jié)果造成動環(huán)和靜環(huán)摩擦副壓力不足而形成泄漏。

1.7 機泵產(chǎn)生振動影響密封的穩(wěn)定性

主軸變形，產(chǎn)生徑向振動，將影響密封的穩(wěn)定運行；軸承嚴(yán)重磨損和損壞，使泵軸產(chǎn)生嚴(yán)重的軸向竄動或徑向振動，也會導(dǎo)致機械密封泄漏。

1.8 機械密封監(jiān)測、報警不到位

沒有設(shè)置振動監(jiān)測和泄漏報警裝置，報警信號不能遠(yuǎn)傳到操作室，沒有及時發(fā)現(xiàn)機械密封的泄漏和失效，造成機械密封沒有得到及時維修。

2 改進方案與對策

在煉化裝置原設(shè)計中，機泵一般都采用單端面機械密封，因物料特性的復(fù)雜性，當(dāng)密封失效時發(fā)生泄漏，極易造成不可挽回的嚴(yán)重?fù)p失。為了更好地確保裝置安全平穩(wěn)運行，應(yīng)將機泵的密封改造為雙端面密封，以達(dá)到“零泄漏”的目的。

2.1 密封選型原則

在設(shè)備安全使用過程中根據(jù)工作的特性界定高危泵范圍，對高溫?zé)嵊皖惐谩⑤p烴類泵、有毒有害類泵分別制定機泵密封實施方案，在密封選型和方案配置中，依據(jù)機泵安裝的有效空間和場所進行合理選擇，并能夠在全壽命周期使用過程中滿足機械密封的密封性、安全性、經(jīng)濟性、有效性。

2.2 密封選型方案

2.2.1 高溫?zé)嵊皖悪C械密封的選型

可選擇背靠背、面對面、面對背有壓雙端面密封等類型，這種密封結(jié)構(gòu)在工作時在兩端面間引入高于介質(zhì)壓力的密封液以改善端面間的油滑及冷卻，并將物料與外界隔離，以增強密封的效果。

2.2.2 輕烴介質(zhì)泵機械密封的選型

可選無壓面對背雙密封或有壓雙密封。無壓面對背雙密封是適用于壓力低于密封介質(zhì)的緩沖流體的雙密封，有壓雙密封是適用于壓力高于密封介質(zhì)的阻塞流體的雙密封。

2.2.3 有毒有害介質(zhì)泵機械密封的選型

可選有壓雙密封，但在一些特殊情況下可以根據(jù)工作溫度、工況特點進行專門設(shè)計。

2.3 密封系統(tǒng)沖洗方案的選擇

2.3.1 輕烴介質(zhì)泵沖洗方案的選擇

輕烴介質(zhì)泵沖洗方案的選擇條件，可依據(jù)生產(chǎn)工況、物料性質(zhì)、溫度、壓力、潤滑以及物料的相宜性來確定。雙密封沖洗方案可依據(jù)上述條件選擇，如在烯烴裝置中可采用自沖洗方案：首先再循環(huán)由泵的出口引入，經(jīng)由一個流量控制口和冷卻器，然后進入前端密封腔內(nèi)，可以有效降低密封的機封溫度；其次，由外部對系統(tǒng)密封的外側(cè)密封提供沖洗液，在正常的運行下，由各內(nèi)部泵送環(huán)保持循環(huán)，儲液器必須聯(lián)通放空或接通火炬管網(wǎng)，當(dāng)內(nèi)側(cè)密封失效時，外側(cè)密封可以阻擋被密封介質(zhì)向外泄漏可燃?xì)怏w排向火炬系統(tǒng)，當(dāng)儲液器壓力升高時，可以通過壓力信號遠(yuǎn)傳報警，以提醒更換密封。

2.3.2 有毒有害介質(zhì)泵沖洗方案的選擇

有毒有害介質(zhì)泵沖洗方案的選擇條件可以依據(jù)生產(chǎn)工況、物料毒性以及物料的相宜性來確定。雙密封沖洗方案可依據(jù)上述條件選擇，如在丙烯烴裝置中可以采用自沖洗方案，首先使用上面的方法；其次，從外部管線為受壓的雙密封布置的外側(cè)密封提供沖洗液，預(yù)加壓的皮囊式儲能器為循環(huán)系統(tǒng)提供壓力，一個內(nèi)部泵送環(huán)來保持流體流動，熱量由一個冷卻器從循環(huán)系統(tǒng)中除去，以保持密封系統(tǒng)在溫度適宜的條件下運行。

3 安裝技術(shù)和使用對策

（1）機械密封在安裝前，應(yīng)對機軸進行嚴(yán)格檢查，對主機軸的竄動量、擺動量和撓度在檢修中進行測定。一般要求軸的竄動量不大于-0.5 mm，軸的擺動量不大于0.06 mm，軸的撓度不大于0.05 mm，以確保機械密封的安裝精度。

（2）密封材質(zhì)的選擇：石墨環(huán)均采用優(yōu)質(zhì)的抗皰疤碳石墨，可有效降低機泵的維修率，增強密封使用的可靠性。密封結(jié)構(gòu)選擇A型密封，摩擦副配對材料宜選用摩擦熱低、傳熱性好的材質(zhì)；針對具有腐蝕性的介質(zhì)，選擇耐腐蝕性密封材質(zhì)，以提高機封面的耐腐蝕性。

（3）彈性元件的選取方面，高溫泵密封彈簧采用耐高溫金屬波紋管，金屬波紋管具有防腐蝕特性、耐高溫性、耐疲勞性；采用沖洗方案時，應(yīng)盡量選擇滿足承受正、反兩個方向壓力的要求的介質(zhì)側(cè)密封；大氣側(cè)密封與介質(zhì)側(cè)密封應(yīng)保證具備同樣的性能，以保證機泵在主密封失效時后側(cè)機械密封仍然完好有效。

（4）在儲液罐設(shè)置高、低液位報警，其頂部排放上配限流孔板和單向閥（根據(jù)需要選配），并將排放系統(tǒng)與火炬放空管線聯(lián)通，在主密封泄漏后能將可燃?xì)怏w排出，以防止高溫易燃介質(zhì)的外泄造成危險。

（5）設(shè)手動補液泵的可以在沖洗系統(tǒng)壓力不足時補充沖洗液，以保住系統(tǒng)壓力恒定，但在進行補液時不能超過預(yù)設(shè)壓力值，壓力過高也會導(dǎo)致密封損壞。

（6）沖洗液的選擇：可用導(dǎo)熱油、耐高溫白油等或相適宜的物料，選用條件為耐高溫、不結(jié)焦、不產(chǎn)生污染和雜質(zhì)。當(dāng)油類沖洗液與介質(zhì)不相容時，必須考慮物料與沖洗液的相宜性，外引沖洗液要采用穩(wěn)定、潔凈、與介質(zhì)相容且不會發(fā)生汽化、化學(xué)反應(yīng)的物料進行沖洗。

（7）完善報警系統(tǒng)：報警系統(tǒng)對于高位泵的安全使用是至關(guān)重要的，根據(jù)生產(chǎn)的特點合理配置，可以達(dá)到安全警示的目的，如設(shè)置壓力和高/低液位報警、流量報警，并將信號和報警系統(tǒng)引入DCS操作系統(tǒng)。針對重催裝置中油漿泵進行改造，將壓力和高/低液位報警信號引入操作室DCS操作系統(tǒng)等，可以達(dá)到實時監(jiān)測的目的。

（8）輔助密封的選擇：材料要有耐熱性、耐腐蝕性和介質(zhì)相容性，在選擇輸送高硫化氫含量介質(zhì)的密封時，輔助密封元件應(yīng)考慮耐硫化氫材料，如全氟醚橡膠，其具有優(yōu)異的耐高溫性能：耐熱性方面，在300℃的高溫下也能保持橡膠的彈性特征；耐化學(xué)性方面，對所有化學(xué)品都具有優(yōu)異的耐受性。

4 日常管理與維護對策

（1）制定操作規(guī)程和維護作業(yè)規(guī)程，并嚴(yán)格執(zhí)行；操作人員要關(guān)注高危泵的報警情況，發(fā)現(xiàn)異常，及時處理，定期檢查冷卻水、沖洗油、沖洗液、冷卻器、密封壓力、溫度、液位等情況，確保系統(tǒng)運行正常。（2）對操作、巡檢、維修、維護、管理人員進行專業(yè)化培訓(xùn)，使其掌握高危泵的管理與維護技能，做到對高危泵及輔助系統(tǒng)的正確安裝、規(guī)范管理，檢修維護、清潔和無泄漏等具體要求。（3）在改造設(shè)計時要考慮密封系統(tǒng)管路在工作現(xiàn)場布置合理，便于介質(zhì)的循環(huán)和流動，利于檢修，防止人員踩踏，防止造成介質(zhì)外漏和不必要的人為損壞。（4）對機泵的運行進行動態(tài)監(jiān)測，對高危泵振動頻譜進行分析，更準(zhǔn)確掌握機泵日常的運行情況，分析振動波動異常數(shù)據(jù)，防止因振動超標(biāo)、軸承故障等造成密封損壞，并依據(jù)振動頻譜分析確定機泵檢修計劃，采取處理措施加以處理。（5）安排專業(yè)管理人員，配備必要的測振、測溫儀器，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，全面分析診斷故障，保證機泵正常運行，制定有針對性的整改措施。（6）在新建、改建等工程中，購機泵前應(yīng)根據(jù)工況提出準(zhǔn)確的機泵工況條件、工藝介質(zhì)和技術(shù)要求，對符合要求的機泵選用符合規(guī)定的機械密封，并進行可靠的技術(shù)交流和論證，以選擇適合相關(guān)工作環(huán)境的產(chǎn)品。（7）建立專項應(yīng)急預(yù)案，明確在出現(xiàn)異常時采取有效的應(yīng)對措施進行處理，以提高緊急狀況下的應(yīng)急處理能力。

5 結(jié)語

近年來，通過高危泵改造和日常嚴(yán)格的管理，煉化企業(yè)高危泵介質(zhì)泄漏引發(fā)的爆炸中毒事件得到了有效的控制，將機械密封由單端面改為雙端面密封，有效避免了高溫油泵主密封的失效，避免了高溫易燃介質(zhì)外漏造成的危險；也實現(xiàn)了輕烴泵、有毒有害介質(zhì)泵的零溢出和嚴(yán)管控的目標(biāo)，給企業(yè)安全平穩(wěn)運行提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。