中壓鍋爐給水泵機械密封失效分析

萬 濤，羅偉雄

(海洋石油富島股份有限公司，海南 東方 572600)

60萬t/a甲醇裝置(下稱“甲醇一期”)于2006年9月正式建成投產(chǎn)，生產(chǎn)工藝采用德國魯奇(LURGI)公司中壓甲醇合成技術，裝置規(guī)模和技術在建成投產(chǎn)時期均處于國際領先水平，投產(chǎn)至今一直處于良好運行狀態(tài)，最長連續(xù)運行周期達329 d。本著降本增效目的，公司決定對生產(chǎn)裝置部分設備的備件實施國產(chǎn)化替代。為慎重及確保生產(chǎn)裝置運行穩(wěn)定，制定了備件國產(chǎn)化替代原則：一是核心重要設備(A類設備)不進行國產(chǎn)化(如壓縮機組等)；二是單機重要設備(B類設備)不建議國產(chǎn)化(如轉(zhuǎn)化爐鼓風機、引風機透平等)；三是對設有備機的非關鍵設備(C類設備)且備件采購需求大、更換頻率較高的(如骨架油封、機械密封等)可實施國產(chǎn)化。輔助鍋爐供水設備——中壓鍋爐給水泵共2臺(位號為P-14001A/B)，正常情況下為1開1備，因此其機械密封等備件也進入國產(chǎn)化替代清單。但該泵在首次使用國產(chǎn)化機械密封替代產(chǎn)品時就出現(xiàn)了泄漏失效現(xiàn)象，因此本文將就該泵機械密封的泄漏原因進行分析并提出改進建議。

1 設備概況

甲醇一期中壓鍋爐給水泵由Sulzer Pumpen Gmbh公司制造，采用電機驅(qū)動，型號為GSG80-260/11S。其外缸為筒袋臥式結構，內(nèi)缸為徑向垂直式剖分結構；筒體采用鑄造結構，中心支撐；葉輪共有11級，串聯(lián)式安裝；泵進、出口均在上方，驅(qū)動側上方法蘭為介質(zhì)入口，非驅(qū)動側上方法蘭為介質(zhì)出口(見圖1)。轉(zhuǎn)子支撐采用滾動軸承，驅(qū)動側為圓柱滾子軸承，非驅(qū)動側面對面安裝一對圓錐滾子軸承定位轉(zhuǎn)子軸向位置。軸承的潤滑采用甩油潤滑，軸端密封采用機械密封,沖洗方式為API Plan 23。P-14001為輔助鍋爐(B-14000)輸送壓力5.9 MPa、溫度122 ℃的鍋爐給水，生產(chǎn)4.7 MPa(表)、400 ℃的中壓蒸汽供給蒸汽管網(wǎng)。P-14001性能參數(shù)見表1。

表1 P-14001主要性能參數(shù)

甲醇一期中壓鍋爐給水泵(P-14001)主要零部件結構示意如圖1所示。

圖1 甲醇一期中壓鍋爐給水泵(P-14001)結構示意

2 故障現(xiàn)象

中壓鍋爐給水泵P-14001A從2006年投產(chǎn)運行至2019年1月7日進行首次解體大修，期間在2017年1月曾因機械密封有滴漏進行中修，更換機械密封及軸承。P-14001主機原裝機械密封為德國BURGMANN(博格曼)H75F2/75-00L/R型機械密封(結構見圖2)。

① 靜密封點；② 靜密封點；③ 靜密封點；

在2017年1月中修后，機械密封運行良好，一直未曾發(fā)生泄漏。2019年1月，公司決定對該泵進行預防性非故障大修，解體檢查葉輪、軸及平衡鼓等零部件的磨損、沖刷情況，并對原裝機械密封實施國產(chǎn)化替代。替代品采用國內(nèi)某密封公司對原裝機械密封進行測繪后加工的產(chǎn)品。檢修后，排氣灌泵對新安裝的國產(chǎn)機械密封靜壓試漏，兩端機械密封靜密封性能良好，均未發(fā)生泄漏，工藝操作人員隨即按程序啟泵試車。隨著轉(zhuǎn)速的增加，泵出口端機械密封出現(xiàn)由小到大的持續(xù)性泄漏現(xiàn)象(見圖3)，立即停泵檢修并查找原因，未發(fā)現(xiàn)機械密封安裝存在問題。重新更換另一套新的替代機械密封備件，仍然出現(xiàn)同樣問題，于是對國產(chǎn)化替代的集裝式機械密封進行解體檢查，查找泄漏原因。

圖3 泵啟動后，機械密封出現(xiàn)大量連續(xù)泄漏現(xiàn)象

3 原因分析

泄漏是機械密封失效的主要表現(xiàn)形式。根據(jù)泵啟動后觀察到的持續(xù)性泄漏現(xiàn)象，針對機械密封的常見泄漏通道進行一般性分析，可從以下幾個方面查找原因。

3.1 靜密封點發(fā)生泄漏

由H75F2/75-00L/R機械密封結構可知，該結構機械密封共有4處靜密封點，均使用氟橡膠“O”形圈作為輔助密封圈，阻止介質(zhì)流體沿各連接處間隙發(fā)生泄漏。4處靜密封點分布如圖2 所示。

其中靜密封點①為靜環(huán)與靜環(huán)座間隙；②為動環(huán)與軸套間隙；③為靜環(huán)座與密封腔體連接處間隙；④為軸套與軸間隙。根據(jù)廠家所提供的技術文件， 測繪加工備件在出廠后做過2.2 MPa的充氮靜壓試驗， 持續(xù)30 min無泄漏現(xiàn)象發(fā)生；檢修后進行排氣灌泵充壓， 手動盤車試漏， 所更換的2套機械密封備件靜壓狀態(tài)均無泄漏現(xiàn)象；在泵啟動出現(xiàn)大量連續(xù)泄漏情況后，停車解體檢查機械密封各處靜密封點也都無泄漏痕跡。由此可排除上述4處靜密封點輔助密封圈密封不嚴引起泄漏的可能。

3.2 動密封點發(fā)生泄漏

動密封點是由動環(huán)與靜環(huán)所組成的摩擦副之間的間隙(見圖2)。由于動、靜環(huán)之間依靠彈性補償機構彈力和介質(zhì)壓力保持貼合并有相對滑動，故屬于動密封點。該點是機械密封中的主密封，也是決定機械密封性能和壽命的關鍵。通常動密封點泄漏主要有以下原因：

Ⅰ) 動、靜環(huán)密封端面不平，密封面平面度、粗糙度未達到要求；

Ⅱ) 動、靜環(huán)密封端面出現(xiàn)破損或裂紋；

Ⅲ) 動、靜環(huán)密封端面間有異物或工藝介質(zhì)臟存在顆粒等雜質(zhì)；

Ⅳ) 轉(zhuǎn)子軸向止推間隙超差，造成轉(zhuǎn)子發(fā)生竄動；

Ⅴ) 彈性補償機構卡澀或補償能力不足造成端面不能很好地貼合；

Ⅶ) 端面比壓不足，造成運轉(zhuǎn)時端面閉合壓力不夠，使密封面打開。

針對上述原因展開分析：

1) 廠家提供的技術文件中給出的動、靜環(huán)端面平面度為0.3 μm、表面粗糙度Ra值0.2 μm, 符合JB/T 4127.1—2013第4.1條密封面平面度不大于0.9 μm， 硬質(zhì)材料密封端面粗糙度Ra值不大于0.2 μm， 軟質(zhì)材料密封端面粗糙度Ra值不大于0.4 μm的規(guī)定，且密封出廠靜壓試驗及現(xiàn)場灌泵充壓試漏，均未發(fā)生泄漏，由此可排除原因Ⅰ；

2) 發(fā)生泄漏后，對集裝式機械密封解體檢查，未發(fā)現(xiàn)密封面有破損或裂紋，且動、靜環(huán)密封端面間潔凈無雜質(zhì)，由此可排除原因Ⅱ和Ⅲ；

3) 停車后，復查轉(zhuǎn)子的軸向止推間隙為0.04 mm，在設計要求的0.04～0.06 mm范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子軸位移正常，動環(huán)座彈簧也完全能夠補償，因此也可排除原因Ⅳ。

4) 對原因Ⅴ和Ⅵ展開分析，發(fā)現(xiàn)存在以下3點異常：

a) P-14001機械密封結構為內(nèi)裝內(nèi)流型多彈簧結構，解體檢查發(fā)生泄漏的機械密封彈性補償機構，發(fā)現(xiàn)其活動流暢，無卡澀現(xiàn)象，但對比原裝機械密封彈性補償機構，二者在結構上存在明顯差異。原裝機械密封彈性補償機構為壓縮彈簧與導向套組合的結構。導向套可對彈簧起支撐作用，防止彈簧受壓時發(fā)生彎曲變形，同時還有固定彈簧的作用，防止彈簧在旋轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生顫動，造成動環(huán)不穩(wěn)定。而替代機械密封結構只有壓縮彈簧，未設置導向套(見圖4)，且二者彈簧結構參數(shù)存在差異(見表2)。

表2 壓縮彈簧參數(shù)比較

b) 機械密封與替代機械密封摩擦副使用材料一致，均采用石墨-碳化硅組合，但動環(huán)(補償環(huán))密封面寬度存在差異，原裝機械密封動環(huán)寬度為3 mm，測繪加工備件為4 mm，且補償環(huán)壓縮量也不盡相同，具體參數(shù)見表3。

c) 摩擦痕跡可以直觀地反映出摩擦副的運動軌跡和磨損情況。圖5所示的機械密封動環(huán)(補償環(huán))端面摩擦痕跡斷斷續(xù)續(xù)，未能連接成完整密封線，說明每一次轉(zhuǎn)動中，補償環(huán)都有軸向位移和徑向偏擺，從而導致密封面開啟，出現(xiàn)連續(xù)泄漏現(xiàn)象。由此可以確定，密封端面貼合不嚴密為引起泄漏的主要原因。

表3 原裝機械密封與替代機械密封摩擦副參數(shù)對比

圖5 環(huán)端面磨痕不連續(xù)

3.3 彈簧比壓與端面比壓

H75F2/75-00L/R型機械密封補償環(huán)受力示意見圖6。

圖6 75F2/75-00L/R機械密封補償環(huán)受力示意

3.3.1 計算彈簧比壓

彈簧比壓Ps是單位密封面上的彈性力，其作用是當介質(zhì)壓力很小或者波動時，仍能維持一定的端面比壓使密封面貼緊，保持密封作用【1】。

根據(jù)GB/T 33509—2017【2】式(3)可計算得出機械密封彈簧比壓Ps，即:

式中：Ps——彈簧比壓，MPa；

Fs——彈性元件總彈力，N；

A——密封端面面積，mm2。

1) 計算彈性元件總彈力Fs

根據(jù)GB/T 23935—2009【3】式(2)可計算得出彈性元件總彈力Fs，即：

式中：G——材料切變模量，無量綱；

f——彈簧變形量，此處計算取機械密封工作狀態(tài)壓縮量，mm。

已知原裝機械密封與替代機械密封彈性元件材質(zhì)均為不銹鋼絲，查GB/T 23935—2009附錄A表A.1可知，對于彈簧用不銹鋼絲，切變模量為：

G=73×103

以公式中的標準符號表示原裝機械密封，帶上標“′”的符號表示國產(chǎn)化替代機械密封(下同)，根據(jù)表2和表3的已知條件有

2) 計算密封端面面積A

式中：D1——補償環(huán)內(nèi)徑，mm；

D2——補償環(huán)外徑，mm。

根據(jù)表3已知條件有

綜上可求得兩機械密封彈簧比壓分別為：

機械設計手冊【4】表10-3-26對于機械密封彈簧比壓Ps的選擇見表4。

表4 機械密封彈簧比壓Ps選擇規(guī)定

機械密封端面平均線速度v按下式計算：

式中：v——機械密封端面平均線速度，m/s；

Dm——密封環(huán)端面平均直徑，mm,

Dm=D2+D1/2；

N——密封軸轉(zhuǎn)速，r/min。

由表1可知，N=2 985 r/min，根據(jù)表3已知條件計算可得：

v≈v′≈12.7 m/s

3.3.2 端面比壓的計算

端面比壓Pc是指作用在密封端面單位面積上凈剩的閉合力，其作用是使端面良好地貼合，避免工作中密封面開啟，保證密封工作的穩(wěn)定性【1】。

可根據(jù)GB/T 33509—2017式(4)計算得到機械密封端面比壓Pc:

Pc=(B-λ)ΔP+Ps

式中：Pc——機械密封端面比壓，MPa；

B——平衡系數(shù)，無量綱；

λ——反壓系數(shù)，無量綱；

ΔP——密封端面內(nèi)、外徑之間壓差，MPa。

1) 計算平衡系數(shù)B

查詢機械設計手冊表10-3-27可知：

將表3已知條件代入上式可得：

2) 計算反壓系數(shù)λ

由機械設計手冊表10-3-27可知:

將表3數(shù)據(jù)代入上式可得：

λ=λ′=0.5

3) 計算密封端面內(nèi)、外徑之間壓差ΔP

由圖6可知，機械密封端面內(nèi)徑處壓力即為密封腔內(nèi)介質(zhì)壓力PL。正常運轉(zhuǎn)情況下，輸送介質(zhì)都被密封在摩擦端面內(nèi)，此時機械密封外徑處壓力即為環(huán)境壓力(等于0)。因此密封端面內(nèi)、外徑之間壓差ΔP=PL。已知機械密封出廠靜壓試驗壓力P試為2.2 MPa。 GB/T 14211—2010【5】第4.2條規(guī)定機械密封靜壓試驗壓力為產(chǎn)品最高使用壓力的1.25倍。由此可以得到密封腔體內(nèi)介質(zhì)壓力

式中：PL——密封腔介質(zhì)壓力，MPa。

綜上，可得出兩機械密封端面比壓

Pc=(0.79-0.5)×1.76+0.15

=0.66 MPa

=0.42 MPa

3.3.3 小結

由上述一系列分析計算結果可得出如下結論：

1) 上述計算結果顯示：國產(chǎn)化替代機械密封彈簧相比原裝進口彈簧性能較差，提供的彈簧比壓低于標準設計值；同時在未經(jīng)計算校核的情況下增大了補償環(huán)密封面寬度，造成端面比壓低于原裝機械密封設定值。結合泄漏后機械密封補償環(huán)端面出現(xiàn)的斷續(xù)狀摩擦痕跡分析表明，替代機械密封摩擦副端面比壓達不到始終保證動、靜密封面貼合并相對滑動的基本條件，導致機械密封運轉(zhuǎn)時密封面打開發(fā)生泄漏。

2) 除了端面比壓不足因素的影響外，與原裝機械密封對比顯示，國產(chǎn)化替代機械密封彈性補償機構的彈簧沒有安裝導向套，使得密封腔內(nèi)支撐補償環(huán)的多彈簧結構在受力壓縮時，因方向不統(tǒng)一而出現(xiàn)彎曲變形，導致補償環(huán)密封平面產(chǎn)生偏斜。在泵啟動后的高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，補償環(huán)也就難以同與轉(zhuǎn)子軸線垂直的平面保持相對穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動一次，補償環(huán)都有產(chǎn)生徑向偏擺或軸向位移的趨勢，因此出現(xiàn)圖5所示的斷斷續(xù)續(xù)的偏磨痕跡，引起密封流體泄漏。

4 處理措施

經(jīng)過實際驗證， 確定P-14001A泵機械密封備件質(zhì)量不合格。因工藝裝備管理規(guī)定不允許中壓鍋爐給水泵長時間處于無備機運行狀態(tài)， 一但運行泵因故跳車， 生產(chǎn)裝置將因此停車， 造成嚴重經(jīng)濟損失， 因此， 鑒于本次檢修屬預防性非故障維修， 且原裝機械密封運行狀況良好， 未出現(xiàn)泄漏， 經(jīng)評估決定， 對原裝機械密封進行清洗處理， 并更換全部輔助密封圈后回裝(輔助密封圈從國產(chǎn)化替代機械密封備件上取得)。國產(chǎn)機械密封則返廠重新進行修復調(diào)試， 檢測合格后擇機再進行試裝。原裝機械密封回裝后運行狀況良好， 這同時也證明國產(chǎn)機械密封輔助密封圈是可靠的。

5 改進建議

進口機械密封實施國產(chǎn)化替代, 采用直接測繪原密封尺寸加工生產(chǎn)的方法， 生產(chǎn)廠家應嚴格按照原裝零部件設計尺寸、 結構進行加工制造， 在無理論依據(jù)且未經(jīng)試驗驗證的情況下， 不可隨意更改零部件尺寸參數(shù)以及調(diào)整結構。新生產(chǎn)的機械密封應根據(jù)實際加工情況對彈簧比壓、 端面比壓等重要參數(shù)對比原裝產(chǎn)品進行驗算、 校核； 在最終完成裝配后， 應嚴格執(zhí)行GB/T 14211第3.2.4.2條規(guī)定， 即用做過靜壓試驗的機械密封做不少于5 h運轉(zhuǎn)試驗， 每隔1 h記錄一次試驗壓力、 溫度、 轉(zhuǎn)速、 泄漏量和功率消耗。確定各參數(shù)合格后在集裝密封上粘貼“運轉(zhuǎn)試驗合格”字樣標簽， 注明試驗日期和檢驗人員姓名， 方可出廠， 以保證機械密封在與主機配套應用時穩(wěn)定運行。

6 結語

結合現(xiàn)場生產(chǎn)大量案例實際驗證， 國產(chǎn)密封件在密封質(zhì)量和使用壽命方面仍與國際先進水平存在差距， 無法滿足引進的先進技術制造的主機裝備的配套需要， 如機械密封， 美國石油學會標準API 682(即當前國際標準ISO 21049)規(guī)定應能夠連續(xù)運轉(zhuǎn)25 000 h，而國內(nèi)標準規(guī)定僅為4 000～8 000 h。因此， 生產(chǎn)企業(yè)想要以裝備國產(chǎn)化替代的方式降低備件采購成本， 獲取直接的經(jīng)濟效益， 首要的立足點應是裝備供應商具備成熟的技術條件， 提供的產(chǎn)品具備良好的可靠性， 能夠滿足現(xiàn)代化工生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定、長周期運行的特質(zhì)要求。在低價與產(chǎn)品質(zhì)量的權衡上， 絕不能以犧牲裝備質(zhì)量的方式來獲取短期的效益增長。