淺析催化油漿泵機(jī)械密封失效的原因和對策

連善濤

（中化泉州石化有限公司， 福建 泉州 362000）

催化裂化裝置的油漿泵輸送含催化劑固體顆粒的高溫油漿，其安全、可靠運(yùn)行很大程度上關(guān)系著催化裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，甚至關(guān)系到煉油廠的全廠加工負(fù)荷。實(shí)際生產(chǎn)中，油漿泄漏著火事故的發(fā)生，多數(shù)是因?yàn)闄C(jī)械密封失效，引起高溫油漿泄漏。油漿自燃點(diǎn)低，燃燒溫度高，熱輻射強(qiáng)度大。如果油漿泵機(jī)械密封被破壞，造成高溫油漿泄漏量大，油漿容易發(fā)生自燃，這將嚴(yán)重威脅人員和裝置的安全。因此，提高機(jī)械密封的可靠性，強(qiáng)化摩擦副的溫升控制，就顯得尤為重要。

1 油漿泵機(jī)械密封失效的主要原因

1.1 摩擦副端面溫度過高

密封面的溫升包括端面摩擦熱和旋轉(zhuǎn)元件的攪拌熱等作用，以及高溫介質(zhì)傳導(dǎo)至密封腔的熱量。若密封輔助系統(tǒng)未能及時將密封腔溫度降低，形成的高溫將引起端面液膜氣化導(dǎo)致干摩擦或密封環(huán)變形，而導(dǎo)致密封破壞，高溫表現(xiàn)為軸套部位發(fā)現(xiàn)變色情況。如果熱量未能排出而造成液膜全面氣化，產(chǎn)生氣震，將造成密封事故性泄漏，表現(xiàn)在密封面上會出現(xiàn)彗星狀紋理；如果是密封面之間發(fā)生局部氣化而形成氣蝕，表現(xiàn)為在密封面上形成麻點(diǎn)[1]。短時間的熱負(fù)荷作用，密封面穩(wěn)定液膜轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，這一過程的溫差將會對密封磨面造成損傷，產(chǎn)生粗細(xì)不一的徑向裂紋，甚至引起熱沖擊和熱裂，如圖1所示，為動環(huán)產(chǎn)生裂紋的情況。因此，在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)保證密封液的沖洗、冷卻效果，使密封腔內(nèi)液體的溫度低于氣化溫度，以避免密封腔內(nèi)液體氣化，致使液膜不穩(wěn)定。

圖1 動環(huán)產(chǎn)生貫穿性裂紋

1.2 金屬波紋管積碳和結(jié)焦

金屬波紋管機(jī)械密封的波紋管積碳和結(jié)焦，主要是由于油漿的黏度和密度較大，且運(yùn)行溫度達(dá)360℃造成的。而且，催化劑顆粒也容易在波紋管縫隙中沉積。隨著運(yùn)行時間的積累，波紋管縫隙的積碳和結(jié)焦將降低波紋管的軸向補(bǔ)償能力，甚至使波紋管失去彈性[2]。波紋管失彈，密封面液膜膜壓下降，端面比壓隨之下降，進(jìn)而引起機(jī)械密封失效。而雙端面機(jī)械密封的次密封微量滲漏的密封沖洗液，接觸大氣中氧氣在密封端面外沿和金屬波紋管部位也會發(fā)生高溫結(jié)焦，造成密封液大量外漏，如圖2所示，明顯可見的端面外沿結(jié)焦情況。

圖2 大氣側(cè)密封端面結(jié)焦情況

1.3 密封面磨損不均勻

圖3 端面不均勻磨損

端面磨損不均勻，主要是由于溫度分布不均或密封環(huán)上的壓力分布不均。完好密封面的平面度為1～3個光帶，端面不均勻磨損，如圖3所示，將會造成密封面不平，縮短密封使用壽命。力變形或者熱變形，均能破壞端面摩擦副密封面的平面度和平行度，產(chǎn)生流體動、靜壓效應(yīng)[3]，密封端面的摩擦狀態(tài)產(chǎn)生較大變化，比如，造成密封面承載能力過大而使液膜不穩(wěn)定，或者承載能力過小而嚴(yán)重磨損。

1.4 操作波動

操作波動，尤其是反應(yīng)系統(tǒng)催化劑跑損，使得油漿固含量遠(yuǎn)大于6g/L，這就很容易造成催化劑固體顆粒進(jìn)入密封面從而劃傷密封面，密封端面的液膜連續(xù)性被破壞，將使密封產(chǎn)生突發(fā)性失效泄漏。有時由于油漿泵抽空，引起密封端面液膜氣化，泵抽空甚至?xí)疠S承突發(fā)故障而損壞密封，要在操作上采取防止抽空的措施以及相應(yīng)的降溫措施。

2 機(jī)械密封失效的解決對策

2.1 采用金屬波紋管雙端面密封

催化油漿泵可采用背靠背型式的雙端面機(jī)械密封。油漿泵的軸徑大，可采用靜止式金屬波紋管機(jī)械密封，將輔助密封圈的滑動結(jié)構(gòu)改為全焊接波紋管的靜密封結(jié)構(gòu)，一方面消除了一個靜密封泄漏點(diǎn)，另一方面也因波紋管具有較好的追隨性，消除了動環(huán)輔助密封圈所產(chǎn)生的遲滯作用。油漿泵的雙端面機(jī)械密封示意圖如圖4所示。

圖4 雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)型式

2.2 摩擦副材料選擇

考慮到油漿含有固體顆粒，摩擦副宜采用硬對硬的密封結(jié)構(gòu)。對于接觸式機(jī)械密封，其摩擦副材料的耐磨性和使用壽命與密封的磨損特性有關(guān)。不同材料其傳熱系數(shù)和摩擦性能是不一樣的。油漿泵機(jī)械密封的動環(huán)，可以采用碳化硅材料，靜環(huán)可以選擇碳化硅或硬質(zhì)合金。碳化硅具有優(yōu)異的摩擦性能，具有較高的強(qiáng)度和剛度。

密封環(huán)和環(huán)座多為鑲嵌結(jié)構(gòu)，針對其在高溫環(huán)境或溫差變化較大條件下容易脫落的情況，靜止型波紋管組件應(yīng)為整體結(jié)構(gòu)密封環(huán)。但是，這種結(jié)構(gòu)要考慮的是環(huán)座的材料線膨脹系數(shù)應(yīng)與密封環(huán)材料的線膨脹系數(shù)接近[4]，以避免產(chǎn)生過高的局部熱應(yīng)力而使硬質(zhì)合金環(huán)發(fā)生熱裂情況，以及避免密封環(huán)高溫松脫。

2.3 合理選擇機(jī)械密封的輔助系統(tǒng)

2.3.1 沖洗方案的選擇

降低油漿泵密封腔內(nèi)的溫度和避免催化劑顆粒沉積，是改善機(jī)械密封運(yùn)行環(huán)境的重要方向。選用合適的輔助沖洗方案，將可以非常有效地降低密封端面溫度，并及時排除油漿中的催化劑顆粒進(jìn)入密封端面對其造成磨粒磨損，從而避免機(jī)械密封失效，阻止工藝介質(zhì)向大氣泄漏，達(dá)到零泄漏、零逸出的要求。

依據(jù)API 682標(biāo)準(zhǔn)，油漿泵的雙端面機(jī)械密封沖洗方案可選擇API PLAN32+54+62，主密封采用催化自產(chǎn)輕柴油沖洗，將含有催化劑固體顆粒的循環(huán)油漿隔開。封油壓力比泵體油漿壓力高0.05-0.1MPa，起阻塞作用。次密封的外阻塞液系統(tǒng)由PLAN54獨(dú)立油站提供，沖洗油可采用傳熱優(yōu)良的殼牌熱傳導(dǎo)油，循環(huán)液通過油站齒輪泵循環(huán)，在密封液循環(huán)流程中增加具備足夠冷卻負(fù)荷的換熱器。根據(jù)API 682對密封沖洗冷卻器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如果軸徑大于60mm，冷卻器管子的直徑最小應(yīng)為19mm，以保證沖洗流量。該系統(tǒng)屬于強(qiáng)制循環(huán)，能非常有效地降低密封腔溫度。密封液的溫升由冷卻器的循環(huán)水量來調(diào)節(jié)；壓力開關(guān)對密封狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)內(nèi)側(cè)主密封失效泄漏或該系統(tǒng)工作不正常時，有液位低、溫度和系統(tǒng)壓力低等報警，給故障處理爭取時間。

日常操作上，應(yīng)認(rèn)真監(jiān)控沖洗液系統(tǒng)的壓力和溫度，定期清理和更換管路過濾器濾芯。具備條件的，應(yīng)在油站進(jìn)油管路上增加流量指示。

2.3.2 急冷蒸汽

在密封壓蓋處，通入低壓輔助沖洗蒸汽。這一股蒸汽可以將動靜摩擦副之間泄漏的微量油漿、催化劑顆粒沖洗，防止其隨著運(yùn)行時間的推移，在波紋管縫隙中沉積結(jié)焦，從而造成波紋管軸向補(bǔ)償失靈，也可防止?jié)B漏或擴(kuò)散出來的密封液接觸空氣在端面外沿發(fā)生結(jié)焦。但是蒸汽量以稍過量為宜，蒸汽壓力約為0.01MPa。蒸汽量過大，有可能造成密封液汽化，引起泄漏。

2.3.3 改善端面冷卻效果

油漿泵泵體設(shè)置端面冷卻水套，并采用軟化水冷卻，降低密封腔整體工作溫度。而軟化水的選用，改善了循環(huán)水冷卻容易結(jié)垢的情況。

3 結(jié)束語

針對油漿泵輸送含催化劑顆粒的高溫油漿，機(jī)械密封容易磨損、失效的情況，應(yīng)對其失效原因進(jìn)行具體分析，從密封結(jié)構(gòu)型式的選擇、摩擦副材料的選擇以及沖洗和冷卻方案等方面著手，選擇合適的方案以降低密封腔的溫度，防止彈性元件失彈、斷裂、積碳與結(jié)焦，延緩密封件老化，從而延長機(jī)械密封的使用壽命。

◆參考文獻(xiàn)

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