大型熱水泵機械密封泄漏原因分析及改進措施

楊 劍

（中國石油大慶石化分公司塑料廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

大型熱水泵是高壓聚乙烯裝置核心設(shè)備，主要用于高壓裝置反應(yīng)器撤熱，其機械密封運行的可靠性直接關(guān)系到裝置的安全平穩(wěn)生產(chǎn)。某石化公司塑料廠20 萬噸/年高壓低密度聚乙烯裝置采用德國Basll 公司專利技術(shù)，由意大利TECNIMONT 公司承建，裝置于2005 年7 月建成投用。裝置熱水泵P1801、P1802由嘉利特荏原泵業(yè)有限公司設(shè)計制造，設(shè)計流量1620 m3/h，全揚程174.6 m，溫度210 ℃，出口壓力3.2 MPa，轉(zhuǎn)速1495 r/min，功率1000 kW。離線備有2 臺備用泵頭，不能在線進行切換，采用集裝式機械密封，PLAN21 沖洗方案。由于地處北方循環(huán)水鈣離子含量較大，自沖洗換熱器結(jié)垢情況較為嚴(yán)重。自投用以來機械密封故障率較高，機械密封壽命在6 個月左右，多次出現(xiàn)機械密封泄漏導(dǎo)致裝置被迫全線停車。

為了保障裝置穩(wěn)定生產(chǎn)，技術(shù)人員想了很多措施，包括換熱器加并聯(lián)、實現(xiàn)換熱器在線切換，但效果均不理想。后來想采用脫鹽水給自沖洗換熱器冷卻的方案，但是需要增設(shè)一套閉路脫鹽水系統(tǒng)，投資很大。經(jīng)過調(diào)查研究，國內(nèi)同種工況的高溫高壓熱水泵機械密封冷卻大多數(shù)采用PLAN23 沖洗方案。經(jīng)過對兩臺熱水泵的機械密封進行改造，使用PLAN23 沖洗方案，徹底解決了設(shè)備機械密封壽命短的問題。

1 機械密封失效原因分析

1.1 泵設(shè)計選型缺陷

該裝置原始設(shè)計選用的熱水泵由日本福斯制造，為了節(jié)省成本殼體材料選用碳鋼，由于泵正常運轉(zhuǎn)時介質(zhì)主要為反應(yīng)器R1301 高溫撤熱后的中壓熱水，熱水在回到熱水罐中后壓力突然降低會出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象，因此泵入口壓力波動較大，泵汽蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重，泵體振動加劇，導(dǎo)致殼體沖刷嚴(yán)重，自裝置開工截至2010 年，殼體沖刷損壞2 臺。由于振動大機械密封損壞比較頻繁，平均壽命6 個月，嚴(yán)重制約裝置長周期運行，利用2010 年7月份大檢修期間對泵頭進行更新。新泵由嘉利特荏原泵業(yè)有限公司設(shè)計制造，泵體材料為奧氏體不銹鋼，同時通過優(yōu)化操作穩(wěn)定熱水儲罐壓力。開車后，泵的整體振動水平由原來的4.5 mm/s，下降到1.5 mm/s 左右，運行平穩(wěn)。拆解泵殼體，未發(fā)現(xiàn)沖刷痕跡。由于振動下降，機械密封平均壽命能夠達到12 個月左右。

1.2 機械密封結(jié)構(gòu)以及沖洗方案選型不當(dāng)

當(dāng)初分析認為，機械密封損壞的原因是泵運轉(zhuǎn)時存在汽蝕、振動大是導(dǎo)致機械密封損壞泄漏。因此設(shè)備整體更新時未對機械密封和沖洗方案進行優(yōu)化。自2011 年8 月份泵東側(cè)機械密封頻繁出現(xiàn)泄漏，最大時機封泄漏狀態(tài)變?yōu)閲娚錉?，噴出的中壓蒸汽長度約1.5 m，嚴(yán)重影響裝置的長周期生產(chǎn)運行，同時帶來了很大的安全隱患。該裝置熱水泵出口溫度210 ℃、壓力為3.2 MPa，屬于高溫高壓。PLAN21 沖洗方案見圖1。

圖1 PLAN21 機械密封沖洗方案

自沖洗液從泵出口通過孔板節(jié)流經(jīng)過換熱器回到密封腔，由于泵出口與密封腔之間有壓差，熱介質(zhì)流量、流速較高，溫度達到210 ℃。同時，我國北方循環(huán)水中鈣離子含量大，鈣鎂鹽類結(jié)晶會從波紋管與折流套間析出，形成水垢的速度很快，導(dǎo)致自沖洗液溫度高，現(xiàn)場實際溫度表顯示可達150 ℃。查閱相關(guān)資料，150 ℃的熱水已經(jīng)完全喪失了潤滑性，導(dǎo)致機械密封動、靜環(huán)出現(xiàn)干摩擦，同時高溫高壓的熱水進入機械密封中會在密封腔中汽化、對密封面形成沖刷。實際拆解的機械密封中出現(xiàn)很多溝痕，驗證沖刷確實存在。同時，輔助密封環(huán)長期在高溫下運行出現(xiàn)材質(zhì)老化變硬喪失彈性失效，增加了泄漏的風(fēng)險。為了解決沖洗液溫度高的問題，對自沖洗換熱器在線加并聯(lián)換熱器，實現(xiàn)一用一備。但是由于換熱器切換過程中沖洗液的溫度和流量的波動太大，導(dǎo)致機械密封動、靜環(huán)間形成的潤滑膜產(chǎn)生破壞，巨大的溫差還會導(dǎo)致石墨環(huán)破裂，實際應(yīng)用效果很不理想。2013年10 月在一次換熱器切換過程中，導(dǎo)致了機械密封的直接損壞，大量泄漏的高溫高壓熱水噴射出來，裝置被迫停車。

2 改進措施

隨著裝置長周期、大負荷生產(chǎn)的要求，熱水泵機械密封的壽命短的問題顯得尤為突出，為了解決機械密封壽命短的問題，保證裝置長周期運行，成立攻關(guān)小組通過研究主要有兩種思路：①換熱器冷卻液采用閉路脫鹽水，解決換熱器結(jié)垢換熱能力下降的問題，保證機械密封沖洗液的溫度平穩(wěn)；②改進機械密封結(jié)構(gòu)型式以及機械密封沖洗方案。第一種方案，需要增加一套脫鹽水儲罐、換熱器、循環(huán)泵，投資成本較大、現(xiàn)場占地面積較大，沒有可實施性。因此只能采用第二種方案。

機械密封的使用工況主要有壓力和溫度兩個因素，針對此熱水泵機械密封的實際情況，針對高溫高壓水泵機械密封的實際工況，新的密封改造方案采用T-48V 型單端面集裝式機械密封+API PLAN23 輔助系統(tǒng)方案。新的機械密封結(jié)構(gòu)主要由補償環(huán)、配合環(huán)、輔助密封、泵效環(huán)等組成。PLAN23 沖洗方案見圖2。

在密封腔處設(shè)置循環(huán)進出口，外接換熱器，密封腔內(nèi)部設(shè)置泵效環(huán)為循環(huán)提供動力。同時輔助密封密封O 形環(huán)材料為FFKM，耐溫達到320 ℃，解決了輔助密封高溫老化使密封失效的缺陷，新系統(tǒng)使熱介質(zhì)在密封腔內(nèi)部形成近似封閉的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，冷卻效率大大高于PLAN21 方案，可以將熱介質(zhì)溫度控制在80 ℃以下，從源頭上減少冷卻水在換熱器內(nèi)部結(jié)垢的程度。更重要的是，密封腔內(nèi)熱介質(zhì)溫度低于80 ℃，從根本上避免了熱介質(zhì)汽化的可能，使配合環(huán)與補償環(huán)之間得到良好潤滑和冷卻，延長了機械密封的整體使用壽命。

圖2 PLAN23 沖洗方案

3 使用效果

自2015 年7 月改造投用以來，熱水泵機械密封運轉(zhuǎn)至2018 年7 月大檢修，已經(jīng)連續(xù)運轉(zhuǎn)3 年未出現(xiàn)泄漏，保障了裝置的長周期穩(wěn)定運行。通過本次改造，高溫高壓工況的熱水泵機械密封對沖洗要求較高，同時輔助密封件的材質(zhì)必須滿足工況的要求。