丁烯-1泵機(jī)械密封失效原因分析及改造

文全國(guó)，蘇家軍，張艷全，張海春，王傳榮

（中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司，新疆，獨(dú)山子833699）

某裝置共有13臺(tái)丁烯-1泵，為裝置重要設(shè)備，停運(yùn)會(huì)致使工藝生產(chǎn)中斷甚至裝置局部停工［1］。丁烯-1泵運(yùn)行一段時(shí)間后，頻繁出現(xiàn)了機(jī)械密封泄露現(xiàn)象，對(duì)裝置平穩(wěn)運(yùn)行及周邊環(huán)境造成了一定影響。如何徹底消除機(jī)械密封泄露故障，確保設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行，成為設(shè)備管理的焦點(diǎn)難題。

1 丁烯-1泵概況

丁烯-1泵為單級(jí)懸臂式離心泵，輸送介質(zhì)為易燃易爆的丁烯-1［2］。泵基本結(jié)構(gòu)見圖1，基本技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1丁烯-1泵結(jié)構(gòu)

表1泵基本概況

2 機(jī)械密封故障現(xiàn)象

2.1 密封型式

丁烯-1泵采用內(nèi)裝式大彈簧平衡型結(jié)構(gòu)機(jī)械密封，型號(hào)為U2125。該機(jī)械密封采用自沖洗方式，動(dòng)環(huán)材質(zhì)為硬質(zhì)合金，靜環(huán)材質(zhì)為碳石墨，結(jié)構(gòu)見圖2［3］。

圖2 U2125機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)械密封失效現(xiàn)象

丁烯-1泵機(jī)械密封失效后對(duì)泵進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)其失效主要集中在動(dòng)環(huán)、靜環(huán)及密封圈等部位動(dòng)環(huán)表面出現(xiàn)顏色發(fā)藍(lán)，發(fā)黑，出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象靜環(huán)部位出現(xiàn)偏磨，端面出現(xiàn)圓狀溝槽，破裂等現(xiàn)象；動(dòng)環(huán)“U”型密封圈變形、碳化致使軸套密封部位拉出溝痕。失效現(xiàn)象見圖3、4、5、6。

圖4靜環(huán)面偏磨

圖5密封圈破損

圖6軸套溝槽

3 機(jī)械密封失效原因分析

3.1 介質(zhì)易氣化

丁烯類介質(zhì)屬于輕烴類，易氣化，當(dāng)動(dòng)靜密封面摩擦生熱導(dǎo)致密封面間液體氣化，破壞潤(rùn)滑液膜最終造成機(jī)械密封動(dòng)靜密封面干摩擦。干摩擦產(chǎn)生的熱量加劇了石墨環(huán)的磨損，致使動(dòng)環(huán)破損、碎裂等。

3.2 工藝操作不穩(wěn)定

泵在檢修完成后進(jìn)出口管線閥門密封不良，部分丁烯類介質(zhì)在泵腔內(nèi)揮發(fā)。機(jī)泵啟動(dòng)時(shí)，未嚴(yán)格執(zhí)行排氣操作或是排氣不徹底，氣體進(jìn)入密封腔、動(dòng)靜密封面造成密封面處于干摩擦狀態(tài)，引起機(jī)械密封失效。此外介質(zhì)揮發(fā)時(shí)吸熱，造成局部低溫，特別是冬季機(jī)械密封動(dòng)靜密封面結(jié)冰。機(jī)械密封密封圈硬化、失彈，引起密封失效。前期出現(xiàn)機(jī)泵檢修完成后進(jìn)行灌泵操作過程中出現(xiàn)機(jī)械密封泄露現(xiàn)象，但對(duì)泵解體后發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封各部均完好，也是由于密封圈密封效果不佳造成。與此同時(shí)外界環(huán)境變化、工藝參數(shù)如壓力、溫度波動(dòng)，亦或是工藝操作波動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致泵汽蝕抽空引起密封失效。

3.3 機(jī)械密封裝配不當(dāng)未滿足技術(shù)要求

大彈簧平衡型結(jié)構(gòu)機(jī)械密封裝配要求較高，再加之丁烯-1泵介質(zhì)相比普通水泵、油泵較特殊，檢修人員為搶進(jìn)度，對(duì)裝配各步驟把控不嚴(yán)、清洗不徹底、測(cè)量有誤差等就安裝機(jī)械密封，造成裝配質(zhì)量不高達(dá)不到機(jī)械密封安裝技術(shù)要求。

3.4 輔助密封圈密封性能不良

丁烯-1泵機(jī)械密封動(dòng)環(huán)密封圈型式為U型密封，材質(zhì)為橡膠，易與丁烯類介質(zhì)化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致密封圈尺寸變大，U型圈產(chǎn)生變形進(jìn)而造成泄漏。后續(xù)檢修中對(duì)密封圈材質(zhì)重新選材，改為四氟材質(zhì)。但四氟材質(zhì)較橡膠硬，裝配過程中易損傷密封圈唇口部位，裝配要求更高。此外低溫環(huán)境下四氟材質(zhì)密封圈容易硬化失彈，加劇軸套磨損。軸套經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間磨損后會(huì)出現(xiàn)溝槽，最終導(dǎo)致介質(zhì)從密封圈處向外泄漏。

3.5 端面比壓核算

作用于密封端面單位面積的力稱為端面比壓，為了確保機(jī)械密封使用壽命及密封性能，必須保證端面比壓滿足技術(shù)要求，端面比壓的選擇有3個(gè)原則［4］。

（1）機(jī)械密封動(dòng)靜密封面需始終貼合，端面比壓值需為正值。

（2）保證端面比壓大于動(dòng)靜密封面介質(zhì)蒸發(fā)壓力。

（3）端面比壓是機(jī)械密封動(dòng)靜密封面有無液膜的先決條件，端面比壓值選擇應(yīng)合理不宜過大也不宜過??；過大容易造成液膜蒸發(fā)、磨損加劇，過小會(huì)使機(jī)械密封性能變差。

結(jié)合丁烯-1泵機(jī)械密封失效現(xiàn)象，對(duì)端面比壓進(jìn)行核算以確定具體原因。丁烯-1泵機(jī)械密封端面受力狀況見圖7。

圖7機(jī)械密封受力

根據(jù)機(jī)械密封端面比壓計(jì)算見公式（1）：

式中P比—端面比壓，MPa；P彈—?jiǎng)迎h(huán)所受的彈簧比壓，MPa；P介—密封腔內(nèi)的介質(zhì)壓力，MPa（丁烯-1泵密封腔壓力為0.75 MPa）；K內(nèi)—內(nèi)裝式機(jī)械密封系數(shù)。式中K—彈簧系數(shù)，泵材質(zhì)為65Mn，取K=1.0545；X—彈簧壓縮量，X＝4 mm=0.4 cm；D2—靜環(huán)外徑，取D2＝56 mm=5.6cm；D1—靜環(huán)內(nèi)徑，取D1＝47 mm=4.7 cm。

代入公式（2）得：P彈=0.058 1 MPa

代入公式（1）得：P比=0.58 MPa。

端面比壓過小會(huì)使密封泄露量增大，端面比壓過大則會(huì)導(dǎo)致動(dòng)靜密封圈發(fā)熱，加劇密封面的磨損。機(jī)械密封設(shè)計(jì)選型要求端面比壓（P比）應(yīng)在0.3～0.5 MPa之間，而通過計(jì)算得到的丁烯-1泵實(shí)際端面比壓值超過要求范圍［5］。

此外大彈簧結(jié)構(gòu)型機(jī)械密封（U2125）由于彈簧本身有旋轉(zhuǎn)方向，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中機(jī)械密封存在動(dòng)靜密封面受力不均現(xiàn)象［6］。對(duì)于丁烯-1泵這類輕烴介質(zhì)泵選用U2125型機(jī)械密封很難確保磨擦副間受力均勻，也容易出現(xiàn)機(jī)械密封失效的故障。因此，丁烯-1泵機(jī)械密封失效的主要原因?yàn)闄C(jī)械密封選型不當(dāng)，需對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行改造。

4 改造措施

分析丁烯-1泵密封失效原因，確定密封選型不當(dāng)，需進(jìn)行改造。同時(shí)要求新密封必須具有好的密封性，運(yùn)行壽命長(zhǎng)，能防止泵抽空且拆裝方便。查閱相關(guān)資料［7］，并對(duì)比同類機(jī)泵中運(yùn)行工況良好的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，改內(nèi)裝式大彈簧平衡型結(jié)構(gòu)為金屬波紋管型，仍采用自沖洗。重新選型后的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8重新選型后的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

改造前，丁烯-1泵機(jī)械密封頻繁出現(xiàn)失效泄露故障，頻繁更換密封。對(duì)機(jī)械密封重新選型后運(yùn)行狀態(tài)良好，13臺(tái)丁烯-1泵機(jī)械密封運(yùn)行周期超過了2 a。證明新型機(jī)械密封性能良好，滿足了設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行的條件。13臺(tái)丁烯-1泵機(jī)械密封改造成功，消除了機(jī)械密封頻繁泄露的頑疾，確保了工藝連續(xù)生產(chǎn)。同時(shí)也使檢修人員掌握了機(jī)械密封選型方面的知識(shí)，提高技術(shù)水平，為同類型故障消缺提供技術(shù)支持。