機(jī)械密封失效分析及輔助系統(tǒng)優(yōu)化應(yīng)用

何家祥，邱 偉，張立君

（江蘇斯?fàn)柊钍邢薰荆K連云港 222000）

0 引言

在石油化工裝置中，旋轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備是日常維護(hù)的核心關(guān)鍵點(diǎn)，由機(jī)械密封失效導(dǎo)致的設(shè)備維修費(fèi)用能占到50%以上。延長機(jī)械密封的使用壽命，不但能節(jié)約費(fèi)用，還能降低檢維修作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)械密封在我國已經(jīng)應(yīng)用了幾十年，技術(shù)條件比較成熟，設(shè)計(jì)選型制造已經(jīng)接近標(biāo)準(zhǔn)化。在機(jī)械密封已經(jīng)相當(dāng)成熟的條件下，設(shè)備專業(yè)技術(shù)不但要把握好機(jī)械密封套裝的產(chǎn)品質(zhì)量，還要結(jié)合裝置實(shí)際分析機(jī)械密封非設(shè)計(jì)制造因素引起失效的因素，從而延長機(jī)械密封的運(yùn)行周期。

一般說來，完整的機(jī)械密封包括機(jī)械密封本體和機(jī)械密封輔助沖洗系統(tǒng)，并且兩者同樣重要。機(jī)械密封是離心泵常見的軸封系統(tǒng)，根據(jù)不同的機(jī)械密封及泵工況、不同的風(fēng)險(xiǎn)，采用相應(yīng)的機(jī)械密封輔助沖洗系統(tǒng)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用中不太考慮技術(shù)條件和現(xiàn)場(chǎng)工況?？傊瑱C(jī)械密封沖洗是一種或者多種因素綜合考慮的結(jié)果。只要合理、正確地設(shè)計(jì)制造和選型，正確使用機(jī)械密封，就能保證機(jī)械密封運(yùn)行壽命。

1 機(jī)械密封失效分析

在機(jī)械密封已經(jīng)接近標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，石化裝置大量采用了集裝機(jī)械密封，這樣不需要再考慮機(jī)械密封設(shè)計(jì)、制造、安裝方面的因素引起的失效，只需要考慮機(jī)械密封的使用、維護(hù)、操作等因素：泵內(nèi)輸送介質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)比如毒性等級(jí)、易燃易爆炸、易汽化、結(jié)晶、聚合、顆粒度等是選擇機(jī)械密封和輔助系統(tǒng)的重要依據(jù)；機(jī)械密封的安裝空間，如泵腔結(jié)構(gòu)也是選擇時(shí)考慮的因素；機(jī)泵工況以及操作條件的工藝參數(shù)是選擇密封劑輔助系統(tǒng)的基本條件。總之，機(jī)械密封及輔助系統(tǒng)的選擇是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合考慮泵、密封條件、工藝條件、介質(zhì)特性等各方面因素。

2 典型失效案例

機(jī)械密封一般失效分為機(jī)泵異常引起的失效、軸向力的影響、泵帶液或抽空、錯(cuò)誤操作、維護(hù)不當(dāng)?shù)取C(jī)械密封沖洗系統(tǒng)失效是常規(guī)失效之一，與機(jī)械密封本體失效的因素類似。

2.1 PLAN53B 密封沖洗系統(tǒng)

在易燃易爆、有毒有害的石油化工裝置中，高危泵的雙端機(jī)械密封沖洗系統(tǒng)采用PLAN53B 沖洗方案，如高溫輕烴泵、燃料油泵、半貧泵等。API682 中的PLAN53B 是典型的布置方式和常見的帶壓密封系統(tǒng)。

首先需要明確的是，僅僅是對(duì)泵組（含沖洗系統(tǒng)）進(jìn)行低壓氣密試驗(yàn)。氣密時(shí)，建議不必要投蓄能器，也無需充氣。僅用10 bar（1.0 MPa）的密封油封泵進(jìn)行氣壓試驗(yàn)。正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)當(dāng)是先對(duì)蓄能器充氣，然后再向油罐加油。如果反順序充，則可能因?yàn)榧尤氲挠瓦^多蓄能器無法充入氣體（液體具有不可壓縮性）或者有可能壓力過大、進(jìn)入介質(zhì)側(cè)。充氣壓力應(yīng)在低于系統(tǒng)最低工作壓力的90%（一般為60%～80%）和高于最高工作壓力的25%范圍確定。以現(xiàn)在的工況為例：低壓氣密時(shí)，密封油壓力要求為1.0 MPa，而且最低不能低于介質(zhì)側(cè)壓力。所以取最低工作壓力為0.6 MPa、最高工作壓力為1.1 MPa，于是充氣壓力的范圍在0.275 MPa（1.1×0.25）～0.42 MPa（0.6×0.7），充氣壓力選中間值即0.35 MPa。密封罐或壓力活塞頂部的放空閥關(guān)閉，壓力指示正常，要求隔離液壓力高于被密封介質(zhì)2～3 bar（0.2～0.3 MPa）。

德國進(jìn)口的蓄能器，作用與原理都是對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)壓、減少系統(tǒng)波動(dòng)的。當(dāng)時(shí)確定的充裝壓力是按出口管路的70%～80%。其實(shí)道理是一樣的，這蓄能器也是對(duì)外置沖洗系統(tǒng)穩(wěn)壓作用，更傾向于（4.1～4.5)×（70%～80%) 與進(jìn)口壓力是37 bar（3.7 MPa）+壓差（密封腔的壓力）進(jìn)行比較，建議取37～41 bar（3.7～4.1 MPa）。這主要是保證充洗液能正常進(jìn)入密封腔。隔離液壓力高于被密封介質(zhì)2～3 bar 是關(guān)鍵指標(biāo)。這個(gè)充氣壓力在氣密階段是不必要的，可以不考慮投用蓄能器但密封罐或壓力活塞頂部的放空閥關(guān)閉要提前關(guān)閉。這時(shí)液位視鏡就能正?？吹?，按標(biāo)準(zhǔn)加油即可。事實(shí)上要了解裝配的帶液位開關(guān)LS 的液位計(jì)結(jié)構(gòu)，它與油罐上的LI 是對(duì)應(yīng)的（300～500 mm），而且還有LS 和PS 聯(lián)鎖。

蓄能器充氣、油罐加油時(shí)，密封罐或壓力活塞頂部的放空閥要打開。PLAN53B 正常投運(yùn)后，密封罐或壓力活塞頂部的放空閥是關(guān)閉的。蓄能器正常運(yùn)行時(shí)無需要檢測(cè)，重點(diǎn)監(jiān)控的油罐內(nèi)的液位與壓力，當(dāng)油罐內(nèi)的壓力降到只高于密封腔壓力0.5 bar（0.05 MPa）時(shí)，需要補(bǔ)液或者增加氣囊內(nèi)的壓力（保證隔離液壓力高于被密封介質(zhì)2～3 bar）給蓄能器氣囊沖氮壓力，只能靠成套的外置充裝工具上的壓力表來確認(rèn)。

2.2 PLAN54 密封系統(tǒng)

PLAN54 密封系統(tǒng)是帶壓雙端面密封沖洗方案，簡(jiǎn)單實(shí)用，在石油化工裝置中的配置率也較高。該密封沖洗系統(tǒng)的密封沖洗不參與介質(zhì)交換，可以由裝置內(nèi)的某臺(tái)機(jī)泵為裝置內(nèi)的所有采用PLAN54 密封沖洗系統(tǒng)的機(jī)泵提供密封沖洗水。由于各泵密封腔的壓力不一致，需要在各泵的入口設(shè)置小型的流量計(jì)、壓力表、調(diào)節(jié)裝置等，為每臺(tái)機(jī)泵提供相應(yīng)壓力的密封沖洗水，并保證每臺(tái)機(jī)泵的密封沖洗能從PLAN54 密封系統(tǒng)的管網(wǎng)系統(tǒng)里獨(dú)立切換出來進(jìn)行檢維修。

PLAN54 密封系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行措施：由于PLAN54 密封系統(tǒng)是由一個(gè)位號(hào)的機(jī)泵進(jìn)行集中供應(yīng)封水，必須要保證供水機(jī)泵有較高的可靠性和穩(wěn)定性，否則整個(gè)PLAN54 密封系統(tǒng)管網(wǎng)將會(huì)失效進(jìn)而導(dǎo)致所有采用該系統(tǒng)的機(jī)泵的機(jī)械密封失效，造成嚴(yán)重的機(jī)械密封失效事故，嚴(yán)重時(shí)可能造成安全環(huán)保事故。同時(shí)，PLAN54 密封系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)，如果某臺(tái)機(jī)泵的介質(zhì)泄漏進(jìn)入管網(wǎng)將會(huì)讓PLAN54 密封系統(tǒng)受到影響，沖洗水系統(tǒng)將會(huì)受到污染。

2.3 高溫高壓熱水機(jī)械密封系統(tǒng)

PLAN23 沖洗方案是高溫高壓熱水機(jī)泵，例如鍋爐水泵的典型密封沖洗方案，它是在普通機(jī)械密封方案PLAN21 的基礎(chǔ)上延伸出來的單端面密封的典型沖洗方案，也可以作為雙端面密封的第一道沖洗方案。PLAN23 是標(biāo)準(zhǔn)的API 密封沖方案。

高溫?zé)崴畽C(jī)泵機(jī)械密封系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行措施：所有的高溫機(jī)械密封及沖洗系統(tǒng)，在檢修之后、長期停運(yùn)或者啟泵前均需要對(duì)泵及密封沖洗進(jìn)行徹底排氣，讓介質(zhì)充滿泵腔及密封沖洗系統(tǒng)，保證介質(zhì)充滿泵及管線系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行順暢。采用PLAN23 密封沖洗系統(tǒng)的機(jī)泵在軸頸處均有節(jié)流襯套和節(jié)流環(huán)，只讓少量的介質(zhì)通過密封系統(tǒng)進(jìn)行冷卻沖洗密封端面，封水冷卻器的能效較高，需要根據(jù)機(jī)械密封沖洗系統(tǒng)的溫度表上升趨勢(shì)及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。在設(shè)計(jì)時(shí)需要在封水換熱器的冷卻水系統(tǒng)設(shè)置快開閥門，以便進(jìn)行在線沖洗和反沖洗封水冷卻水管線，從而保證溫度低于該壓力下熱水沸點(diǎn)65 ℃以下。在啟泵前或溫度過高時(shí)，需要徹底清洗和疏通封水換熱器的殼程和管程。

3 結(jié)論

介紹了大型石化裝置中機(jī)械密封失效的因素及分類，并對(duì)高溫高壓熱水機(jī)械密封沖洗系統(tǒng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析，介紹PLAN54 密封沖洗集成方案、PLAN53B 沖洗方案。綜合多種失效因素，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢維修和日常維護(hù)的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)明分析，以確保機(jī)械密封系統(tǒng)能安全、有效、長周期地運(yùn)行。良好的密封系統(tǒng)不但能為生產(chǎn)保駕護(hù)航，還能節(jié)約修理費(fèi)用，提高企業(yè)的經(jīng)營效益。