軸流泵密封泄漏原因分析及處理措施

蘇家軍，劉 煜，俞禮正

（中國石油獨山子石化分公司設(shè)備檢修公司，新疆獨山子 833699）

0 引言

軸流泵是某化工廠高密度裝置反應(yīng)器循環(huán)泵（圖1），是工藝流程中的關(guān)鍵設(shè)備，能否安全、穩(wěn)定、長周期運行將直接影響到裝置的正常運行。2018 年1 月10 日，軸流泵氣液膜串聯(lián)密封中干氣密封氮氣流量開始波動，現(xiàn)場緩沖氣（氮氣）大量泄漏，同時緩沖氣流量計超量程；泄漏液排泄罐液位正常，判斷一級液膜密封未發(fā)生泄漏。之后氮氣流量從13.9 m3/h 最高上升到61.6 m3/h，現(xiàn)場檢查干氣密封端面壓蓋處有氮氣泄漏，同時現(xiàn)場檢測沒有發(fā)現(xiàn)烴類氣體外泄情況，初步判斷外側(cè)干氣密封泄漏。隨后裝置緊急停工檢修軸流泵。

圖1 軸流泵結(jié)構(gòu)

1 設(shè)備概況

該石化廠新區(qū)高密度聚乙烯24-P-3002 二級反應(yīng)器循環(huán)泵，制造廠商為MORETBELGIUM，設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 機(jī)組設(shè)備及工藝參數(shù)

2 軸流泵密封介紹

軸流泵采用的是串聯(lián)式雙端面密封，介質(zhì)側(cè)采用的是機(jī)械密封（液膜），大氣側(cè)采用干氣密封用于密封第一道密封泄漏出來的有毒有害、易燃易爆的介質(zhì)，密封結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

3 泄漏故障原因分析

3.1 機(jī)封原設(shè)計緩沖氣（二級密封氣）作用及流向（圖3）

圖3 機(jī)械密封密封氣工藝流程

緩沖氣由GBI 入口進(jìn)入機(jī)封腔體，一部分作為二級干氣密封的密封氣，通過干氣密封靜環(huán)端面密封槽旋轉(zhuǎn)后增壓，在端面密封壩的作用下形成氣膜密封，防止緩沖氣向大氣泄漏；另一部分通過梳齒密封進(jìn)入一二級密封密封腔，0.98 MPa 緩沖氣在一級密封內(nèi)側(cè)形成液膜密封背壓，一級密封泄漏的少量介質(zhì)和緩沖氣共同通過CSD 出口進(jìn)入泄漏集液罐。

3.2 機(jī)封沖洗方案PID 分析

軸流泵機(jī)封沖洗方案采用API682 PLAN32+72+75，其中PLAN32 采用外引異丁烷沖洗，流體壓力4.0～5.1 MPa，流量1200 L/h；PLAN72 采用緩沖密封氣（氮氣），緩沖氣可稀釋主密封泄漏介質(zhì)，結(jié)合PLAN75 方案，協(xié)助把泄漏介質(zhì)吹掃入封閉的收集系統(tǒng)。緩沖氣的設(shè)計壓力（0.4 MPa），實際運行壓力1.0MPa低于一級密封內(nèi)側(cè)工藝流體的壓力（4.0～5.1 MPa），在一級密封外側(cè)形成背壓。緩沖氣通過GBI 進(jìn)入密封腔，通過節(jié)流迷宮后進(jìn)入主密封外側(cè)和一、二級密封之間密封腔，通過CSD 排入泄漏液排泄罐和火炬系統(tǒng)。

緩沖氣實際壓力大于設(shè)計壓力，是因為改造后的機(jī)封在使用初期出現(xiàn)一級密封泄漏超過正常值的情況，而P32 方案使用異丁烷ISOBUTANE 沖洗，異丁烷熔點-159.4 ℃，沸點-11.73 ℃，容易氣化，只有通過增加緩沖氣壓力，增加一級密封背壓，使液膜寬度增加，解決一級密封泄漏，之后一直使用1 MPa 壓力的緩沖氣。

3.3 拆檢后的情況

對24P3002 密封進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)一級密封動環(huán)摩擦副完好，彈性補(bǔ)償性完好。靜環(huán)完好，摩擦副表面痕跡未見異常。在靜環(huán)內(nèi)部軸套部位、靜環(huán)內(nèi)表面、動環(huán)內(nèi)表面均有有黑色聚集物存在，粉末細(xì)小，疑似碳環(huán)磨損后碳粉物質(zhì)（圖4）。二級干氣密封動環(huán)磨損嚴(yán)重，與新動環(huán)比較，厚度減薄3.3 mm，靜環(huán)螺旋槽消失，輔助密封全氟醚O 形圈碳化，外側(cè)干氣密封腔內(nèi)有大量碳粉粉末和顆粒物體（圖5）。

圖4 一級密封動靜環(huán)

圖5 二級密封磨損的動靜環(huán)

3.4 密封失效泄漏途徑（圖6）

圖6 密封失效泄漏途徑

泄漏途徑：0.98 MPa 氮氣從GBI 口進(jìn)入機(jī)封，進(jìn)入干氣密封外側(cè)腔體，由于干氣密封失效，緩沖氣從干氣密封動靜摩擦副進(jìn)入機(jī)封內(nèi)側(cè)，沿軸套和靜環(huán)內(nèi)側(cè)間隙向大氣泄漏。

3.5 二級干氣密封泄漏原因分析

3.5.1 直接原因

干氣密封動環(huán)材質(zhì)石墨，靜環(huán)材質(zhì)碳化硅，動靜環(huán)摩擦副之間一旦進(jìn)入直徑超過3～5 μm 顆粒雜質(zhì)就會出現(xiàn)異常磨損，動環(huán)磨損掉落的碳粉會填充在靜環(huán)螺旋槽中，如果碳粉沒有被密封氣帶走，就無法形成氣膜密封，導(dǎo)致干氣密封動靜環(huán)接觸運行，加劇磨損。干氣密封腔內(nèi)大量碳粉粉末顯示劇烈干摩擦存在時間應(yīng)該是停機(jī)前一段較短時間，否則在持續(xù)的氮氣沖掃過程中碳粉不應(yīng)該在腔內(nèi)大量堆積。干氣密封摩擦副失效是這次密封泄漏的直接原因。

3.5.2 間接原因

（1）為了處理曾經(jīng)工藝出現(xiàn)的異丁烷沖洗流量FIC30145A 下降現(xiàn)象，工藝要求提高異丁烷沖洗流量頂沖石墨軸承異丁烷沖洗流道。2016 年9 月13 日18：55—23：03，啟動P3002 軸流泵后采用降低反應(yīng)器壓力以提高異丁烷沖洗流量的方法。在沖洗管路流量計超量程波動運行狀態(tài)下，期望改善石墨軸承流道堵塞情況。根據(jù)軸流泵密封沖洗方案的結(jié)構(gòu)，軸流泵運行中大流量異丁烷密封沖洗夜進(jìn)入密封腔后，直接對著液膜密封摩擦副進(jìn)行沖洗，在這種情況下，流量過大沖洗夜有可能造成液膜密封面打開，造成異丁烷瞬間泄漏，瞬間泄漏的大流量異丁烷穿過梳齒密封進(jìn)入二級干氣密封腔，異丁烷中細(xì)粉極有可能進(jìn)入干氣密封摩擦副，造成干氣密封靜環(huán)密封螺旋槽面和動環(huán)密封鏡面接觸劃傷，氣膜被破壞，造成密封泄漏。

（2）緩沖氣（氮氣）供應(yīng)波動。緩沖氣是經(jīng)過過濾器和流量計進(jìn)入干氣密封，過濾器壓差增大，會造成干氣密封氮氣供應(yīng)減小，干氣密封動靜摩擦副氣膜不能穩(wěn)定形成，造成摩擦副接觸磨損以至損壞泄漏。緩沖氣泄漏過程流量趨勢見圖7、圖8。

圖7 緩沖氣泄漏過程流量趨勢1

圖8 緩沖氣泄漏過程流量趨勢2

緩沖氣流量計平時運行在13.6 Nm3/h，2018 年1 月9 日上午9：40 開始出現(xiàn)波動，16：48 達(dá)到26.1 Nm3/h，1 月10 日泄漏量繼續(xù)加大，12：56 流量計超量程，期間出現(xiàn)過一次減小，之后，緩沖氣過濾器壓差長期穩(wěn)定運行在0.3 kPa。而過濾器壓差趨勢（圖9）顯示，1 月9 日上午9：40 開始出現(xiàn)壓差波動，16：48 達(dá)到0.805 kPa，1 月10 日中午12：56 達(dá)到8.861 kPa，之后壓差越來越小。機(jī)封設(shè)計中壓差報警值為0.04 MPa，由此看出，過濾器壓差波動和流量計值波動是一致的。

圖9 過濾器壓差趨勢

（3）環(huán)境溫度過低。1 月份日正常環(huán)境溫度在-19～-30 ℃，機(jī)封又暴露在空氣中，因此過低的環(huán)境溫度使得緩沖氣溫度過低，造成二級密封動環(huán)密封圈收縮，加上緩沖氣干燥度不夠，使得動環(huán)及密封圈在軸向移動上受阻補(bǔ)償性下降，在整個干氣密封運行過程中無法實現(xiàn)動態(tài)變化，有效氣膜無法穩(wěn)定形成，致使動靜環(huán)接觸磨損。

（4）轉(zhuǎn)子軸向竄動過大對摩擦副造成沖擊。軸流泵推力間隙正常值為0.4 mm，但在解體檢查后發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)故障前其推力間隙達(dá)到0.81 mm（機(jī)械密封廠家對機(jī)封使用要求：軸向竄動≤0.3 mm），過大的軸向竄動對干氣密封摩擦副形成沖擊，造成密封摩擦副間斷接觸，發(fā)生磨損，當(dāng)密封堰被磨損后，密封氣無法在摩擦副中形成泵效應(yīng)增壓，并形成氣膜，分離動靜摩擦副，于是磨損和泄漏加劇。

（5）干氣密封動環(huán)使用碳環(huán)，動靜環(huán)一旦出現(xiàn)輕微磨損，碳粉會填充在流體動壓槽中（靜環(huán)動壓槽的深度在3～5 μm），產(chǎn)生不了“泵”效應(yīng)，無法形成氣膜，動靜環(huán)接觸，磨損加劇。從拆檢發(fā)現(xiàn)大量黑色粉末分析，靜環(huán)密封槽損壞后，密封無法形成氣膜開始泄漏，緩沖氣流量計波動，動環(huán)迅速磨損，動環(huán)O 形圈炭化。

4 處理及預(yù)防措施

（1）按干氣密封的使用要求，運行時動、靜環(huán)之間形成的氣膜厚度3 μm 左右，對所使用的密封氣潔凈度要求很高，因此使用時要嚴(yán)格檢查機(jī)封緩沖氣凈化系統(tǒng)，保證氮氣穩(wěn)定、干燥、清潔；注意緩沖氣溫度，做好緩沖氣的保溫，避免溫度過低。

（2）穩(wěn)定工藝運行狀況。轉(zhuǎn)子軸向竄動現(xiàn)象是工藝不穩(wěn)定造成，正常運行中轉(zhuǎn)子應(yīng)該貼在主推力瓦穩(wěn)定運行，軸向竄動會對干氣密封端面產(chǎn)生沖擊，氣膜厚度不能動態(tài)變化調(diào)節(jié)，發(fā)生接觸磨損，從而縮短使用壽命。

（3）建議減小轉(zhuǎn)子竄量。軸流泵廠家建議軸向竄量是功能間隙（0.4 mm）的兩倍更換部件，現(xiàn)廠家用推力盤和推力瓦塊組合后的軸向間隙0.71～0.76 mm，雖然未達(dá)到廠家更換標(biāo)準(zhǔn)，但過大的軸向竄量不符合機(jī)械密封廠家對機(jī)封使用要求軸向竄動≤0.3 mm 規(guī)定。減小軸向竄量的方法：①增加止推盤厚度，將止推盤厚度增加0.4 mm；②研磨軸承箱端蓋。