機泵試車時機械密封失效的原因與預(yù)防措施

覃 彧

（神華工程技術(shù)有限公司，北京 100011）

烯烴化工項目試車過程中，化工泵暴露最多的問題是機械密封泄漏，泄漏是機械密封失效的主要表現(xiàn)形式[1]。造成泄漏的原因為兩大類：①密封件本身，包括結(jié)構(gòu)、材料、制造等因素，主要取決于制造廠；②密封件使用條件，包括安裝、介質(zhì)、外界環(huán)境、密封系統(tǒng)、操作使用等因素，主要取決于用戶。本文重點分析了機泵安裝和試車過程中的機械密封容易出現(xiàn)的問題。

1 機械密封的定義及結(jié)構(gòu)

機械密封是一種用于旋轉(zhuǎn)流體機械的軸封裝置。用于離心泵、離心機、反應(yīng)釜、壓縮機等設(shè)備，軸和設(shè)備腔體間存在一個圓周間隙，設(shè)備介質(zhì)從中泄漏，因此必須設(shè)一道阻漏裝置。因機械密封具有泄漏少、壽命長等優(yōu)點，成了主要的軸密封方式。在國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的定義：由至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面組成，在流體壓力及補償機構(gòu)彈力（或磁力）共同作用下，以及輔助密封圈的配合下，該對端面保持貼合并相對滑動，而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。

機械密封（Mechanical Seal）又稱端面密封，這種裝置主要是借助一對或者是多對與軸保持垂直狀態(tài)并處于相對滑動狀態(tài)的端面在受到流體壓力以及彈力的作用后仍然維持貼合狀態(tài)，同時配合使用密封處理從而實現(xiàn)阻漏的一種裝置[2]。它具有非常好的密封性，基本不會產(chǎn)生泄漏，且能夠使用很長時間，維修次數(shù)少，能夠滿足各種工作環(huán)境需求。

目前，項目上基本采用的都是集裝式機械密封，符合API682《離心旋轉(zhuǎn)泵的軸封系統(tǒng)》要求。并配置API標(biāo)準(zhǔn)的沖洗方案及輔助管路系統(tǒng)。每個集裝式機械密封帶有可更換的軸套。集裝式機封把其中各個零件集合在一起形成了一個統(tǒng)一的整體，安裝過程非常簡單，首先將壓蓋以及軸套進行固定處理，隨后再將定位塊取下來即可完成，一般擋塊厚度為彈簧壓縮量，從外部易于觀測。由于制造廠家出廠前完成了預(yù)先裝配和調(diào)試，完成了靜壓、運轉(zhuǎn)試驗，因此現(xiàn)場安裝方便快捷，基本排除了機封本體安裝不良的影響。

2 機械密封的工作原理

機械密封的工作原理參見圖1，它的壓緊力主要是通過彈性構(gòu)件以及密封媒介受到各種壓力作用后而產(chǎn)生的，這些壓力會使兩個端面緊緊地粘貼在一起，同時在兩個端面之間注入少量液體膜，從而實現(xiàn)良好的密封性。注入的液體膜能夠產(chǎn)生一定的流動性壓力以及靜止壓力，從而實現(xiàn)潤滑的效果，同時也能夠保持壓力的平衡[3]。

圖1 機械密封結(jié)構(gòu)原理圖

當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸（9）處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，可以將螺釘（10）旋緊，從而使動環(huán)（1）發(fā)生旋轉(zhuǎn)。防轉(zhuǎn)銷（6）一直以靜止?fàn)顟B(tài)固定在壓蓋（4）上，目的在于預(yù)防靜環(huán)發(fā)生轉(zhuǎn)動。在密封端面出現(xiàn)磨損現(xiàn)象時，動環(huán)（1）以及動環(huán)密封圈（8）會受到彈簧（2）的推動力，沿著軸的方向發(fā)生十分細微的運動，從而實現(xiàn)一定程度的補償功能。

機械密封一般有四個密封部位（如圖1中A、B、C、D）。其中，A通道是借助旋轉(zhuǎn)環(huán)與靜止環(huán)緊密貼合作用后形成的一種動態(tài)密封效果，這是一種隸屬于機械密封裝置范圍內(nèi)的主密封，同時也是對機械密封性能影響性最大的因素[4]。所以說，它對于密封端面具有十分高的要求，尤其是在端面加工方面，當(dāng)壓力超出標(biāo)準(zhǔn)時，很難形成穩(wěn)定的潤滑液膜，同時也會使端面磨損速度更快；而壓力低于標(biāo)準(zhǔn)值時，會導(dǎo)致泄漏情況變得更加嚴(yán)重，因此要想同時實現(xiàn)較強的密封性以及耐用性，最重要的便是確保端面受到的壓力處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

其中密封面B、C、D分別為壓蓋與靜環(huán)、動環(huán)與軸或軸套、壓蓋與泵殼端面間的密封，把它叫作副密封。這三個部位均為靜止?fàn)顟B(tài)的密封，通常情況下不會發(fā)生泄漏問題。

通過一系列零件將徑向密封轉(zhuǎn)化為軸向密封，在彈簧和介質(zhì)壓力共同作用下，對由于設(shè)備運行所造成的軸向磨損可以及時補償，使軸向密封面始終保持貼合。由于機械密封（軸向密封）在運行中可以對軸向磨損進行補償，而填料密封（徑向密封）不能對徑向磨損進行補償，故機械密封比填料密封壽命長。

3 機械密封失效的原因

整個機械密封發(fā)生泄漏時就可認為已經(jīng)失效。其失效主要的標(biāo)志主要是：密封系統(tǒng)流體損失的量超標(biāo)；密封系統(tǒng)內(nèi)壓力降低的值超標(biāo)；加入密封系統(tǒng)的阻塞流體或緩沖流體的量超標(biāo)。

烯烴化工裝置中大部分泵輸送的介質(zhì)為乙烯、丙烯等輕烴介質(zhì)，很多還是低溫泵，工況特點：溫度低，易氣化，黏度低，壓力較高[5]。烯烴泵機械密封特點：輕烴是低分子碳氫化合物的通稱，這類介質(zhì)在常溫常壓下呈氣態(tài)，加壓后（高于該溫度的飽和蒸汽壓）以液態(tài)存在，溫度高或壓力低，介質(zhì)會汽化。泵內(nèi)輸送的介質(zhì)均為液態(tài)。在密封端面，會產(chǎn)生汽化，端面存在汽液兩相，受多種因素影響易變化，故烯烴泵工作不穩(wěn)定，易失效。主要有以下原因：

1）雜質(zhì)進入密封面。通常是由于隔離液進入雜質(zhì)、試車用水有雜質(zhì)、沖洗液有雜質(zhì)、泵體內(nèi)存有雜質(zhì)等原因引起。由于試車階段，管路中的清潔度往往達不到機封的使用要求，雖然也采取了吹掃、沖洗、過濾等措施，但由于實施的不到位，造成了雜質(zhì)隨著系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的流動進入機封的密封面，造成了泄漏。

例如：液化丙烯泵試車時由于配備的臨時管道沒有嚴(yán)格按照焊接工藝執(zhí)行，未采用氬弧焊打底，臨時管道沖洗時不到位，雜質(zhì)帶到筒袋泵底部內(nèi)，進而造成了部分細小的雜質(zhì)進入了主密封面，試車過程中隔離液緩沖罐液面升高，發(fā)生了甲醇泄漏?，F(xiàn)場拆檢機封后密封腔內(nèi)有發(fā)現(xiàn)有焊渣。

2）輔助密封圈失效：橡膠O型環(huán)的溶脹，由一般情況下橡膠與溶劑一類的介質(zhì)無法相容，因此O型環(huán)非常容易出現(xiàn)開裂、軟化等問題；O型橡膠的老化通常是以硬化作為體現(xiàn)的，主要是由于儲存時間超過規(guī)定時間，與陽光和氧氣進行了充分接觸，從而引起硬化。

例如：乙烯精餾塔回流泵在實際試車過程中，機械密封發(fā)生泄漏，更換備用密封后還是泄漏。檢查后分析原因為：機械密封內(nèi)的O型環(huán)中不耐甲醇，甲醇浸泡后發(fā)生變形，因此泄漏。后更換機械密封O型環(huán)（耐甲醇）后沒有發(fā)生泄漏，甲醇介質(zhì)試車順利進行。

3）泵試車操作工況問題。輕烴泵的工作介質(zhì)為乙烯、丙烯等低溫介質(zhì)，如果采用水為試車介質(zhì)時，會有如下后果：

（1）由于水和烯烴介質(zhì)比重相差較大，泵電機輸出功率不能滿足水試車的需要；

（2）由于試車后泵機械密封內(nèi)的水不能保證全部排空，特別是筒帶泵筒帶內(nèi)的水分，正式生產(chǎn)時可能凍壞設(shè)備。因此烯烴項目的通常做法是試車介質(zhì)采用甲醇。

例如：乙烯輸送泵由于試車時條件限制，泵入口壓力過低造成甲醇氣化，排氣不及時，泵抽空形成負壓，機械密封O環(huán)瞬間被吸出，造成了機封的泄漏。后正常工況時沒有發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

4）泵運行問題。泵本身振動，竄量超標(biāo)。此情況下引起：動環(huán)疲勞磨損、動環(huán)補償環(huán)部分浮動差，橡膠O型環(huán)內(nèi)周被磨損，機械力引起密封環(huán)的扭曲、擠壓、彎折。

例如：生產(chǎn)水泵試車時振動嚴(yán)重超標(biāo)，機械密封漏水嚴(yán)重。拆檢發(fā)現(xiàn)：泵的驅(qū)動端機械密封壓蓋與軸套相碰，有磨損的痕跡；軸套上是圓周均勻磨損，壓蓋是內(nèi)徑局部磨損。后廠家更換了密封體，并對磨損的壓蓋和軸套進行了修整、組裝。

5）機封本身安裝問題，包括機封零件松動引起傳動失效；軸的表層缺乏光滑性，當(dāng)軸與密封件之間的角度偏移而發(fā)生一定程度歪斜時，軸套與O型圈接觸處磨損等情況。

例如：吸入罐底泵運行時機封扭矩傳遞環(huán)的緊固螺釘松動，造成傳動失效。因此試車前應(yīng)檢查扭矩傳遞環(huán)的緊固螺釘是否松動。

6）冬季施工保護措施不到位，設(shè)備試車后水未排盡，特別是越冬的項目，機封內(nèi)殘留的水在機封內(nèi)結(jié)冰，造成密封面粘連，盤車時容易損傷機封。

7）系統(tǒng)試壓時壓力過大或反向受壓（雙端面密封），使得靜環(huán)脫出、變形，從而造成機封泄漏量大或不正常。

8）泵運轉(zhuǎn)時振動太大使動環(huán)運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生徑向和軸向振擺，液膜厚度變化大，有時密封面被推開，造成泄漏量增大。

4 試車時注意事項及預(yù)防措施

1）在起動泵之前仔細清洗新安裝的管線，因異物如灰塵、鐵銹、焊渣或金屬顆粒遺留在管道中可能損壞機械密封。加注緩沖液之前，應(yīng)清潔系統(tǒng)，特別是緩沖罐新加入緩沖液后應(yīng)從底部放掉一部分污染的液體。外部管路應(yīng)徹底清掃，必要時應(yīng)對系統(tǒng)進行吹掃，吹掃時切忌讓雜物進入泵體內(nèi)。雖然API682里面對于機封沖洗液的顆粒度沒有做明確技術(shù)要求，但沖洗液的清潔度越高則對機封密封可靠性越好。

2）啟動前應(yīng)進行手動盤車，避免動環(huán)、靜環(huán)因突然啟動損壞。用手盤車，注意轉(zhuǎn)矩是否過大，有無擦碰，有無不正常的聲音。只要精加工的密封表面互相間保持均勻接觸，由于毛細作用在它們之間就會形成一薄層液體。這樣，在泵操作期間，在機械密封中就會進行完善的潤滑，為了不阻礙毛細作用（這種毛細作用對機械密封的服務(wù)壽命是非常重要的），不可過度弄緊密封面。泵起動后，立即觀察到輕微的泄漏，在一定的操作時間內(nèi)，它也可能消失，在這段操作時間內(nèi)，嚙合表面將靠自身而相互適應(yīng)。

3）試運轉(zhuǎn)中，應(yīng)盡可能預(yù)防產(chǎn)生零件松動的現(xiàn)象，應(yīng)注意振動及聲音的變化。通常情況下，由于安裝誤差或操作不當(dāng)?shù)葐栴}導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生振動現(xiàn)象，從而進一步引起密封性能異常降低。在遇到這類問題時，首先應(yīng)進行緊急停機，隨后檢查設(shè)備中各個部件是否正常，并進行適當(dāng)調(diào)整。

4）當(dāng)泵送液體易于揮發(fā)或蒸發(fā)時要特別小心，因這樣的液體可能將氣體遺留在系統(tǒng)中而誘發(fā)空穴或涌動，它會損壞或破壞機械密封，為了防止這樣的故障，管線必須有排氣孔或某種其他設(shè)施。泵起動后，立即打開出口閥并確保泵正常輸送液體。

5）密封循環(huán)液應(yīng)選用潤滑性好，飽和蒸汽壓低的液體，且不應(yīng)對機械密封金屬和非進駐材料產(chǎn)生腐蝕，對泵輸送介質(zhì)不污染，不含有雜質(zhì)、細小顆粒，不易結(jié)垢、結(jié)晶、結(jié)焦。冬季，在開泵前要對密封輔助系統(tǒng)各部件及管路預(yù)熱，保證密封緩沖液有較好的流動性。

6）應(yīng)時刻關(guān)注是否有雜質(zhì)混入端面當(dāng)中，并引起發(fā)熱以及異響等問題。在運行過程中應(yīng)避免干摩擦現(xiàn)象的發(fā)生。而處于間歇性運行的泵來說，停泵后物料在干燥狀態(tài)下產(chǎn)生的結(jié)晶以及溫度降低后而形成的結(jié)晶，在開啟泵的同時必須使用沖洗措施或者是加熱手段，預(yù)防結(jié)晶將端面劃傷，使密封性能下降。

7）各種循環(huán)保護系統(tǒng)以及設(shè)備狀態(tài)是否可靠。必須觀察是否因停水導(dǎo)致冷卻失效問題，從而引起密封性能下降，或者是否存在冷卻管堵塞現(xiàn)象。

8）防止泵運行中的抽空或者氣蝕發(fā)生。抽空是泵啟動前沒灌泵、進空氣、液體不滿或介質(zhì)大量汽化，這種情況下，泵出口壓力近于零或接近泵入口壓力，泵內(nèi)壓力降低，這叫抽空。抽空會讓泵內(nèi)接觸零件和機械摩擦副發(fā)生干摩擦或半干摩擦，加劇磨損或零件移位而損壞泵及密封。在運轉(zhuǎn)中的泵，由于泵內(nèi)各點壓力及溫度的差異，介質(zhì)中溶解的氣體溢出或介質(zhì)組分的局部汽化，同時在另外某些處又不斷溶解和凝聚，導(dǎo)致泵內(nèi)產(chǎn)生高速、高壓、高頻的水力沖擊，這叫汽蝕。汽蝕使泵發(fā)出噪音，泵體振動，出口壓力大幅波動，嚴(yán)重時損壞泵的某些零件：如葉片出現(xiàn)麻點或蜂窩狀，葉輪耐磨環(huán)磨損或脫落，葉輪鎖緊螺母松動，甚至斷軸，抱軸等，機封發(fā)生失效及至損壞。

9）試運轉(zhuǎn)中，應(yīng)注意設(shè)備的振動和聲音的變化。由于軸和機殼的熱膨脹差異，機器可能出現(xiàn)振動超標(biāo)，在這種情況下，會誘發(fā)密封故障。這時應(yīng)停機并對管線、聯(lián)軸器、地腳螺栓等部分再次加以調(diào)節(jié)和緊固。

10）機械密封輔助系統(tǒng)是保證機械密封正常工作的必要組件，有壓力、溫度、耐蝕性等要求。通過沖洗、冷卻、過濾、分離等方式進行冷卻和潤滑，從而改善密封的工作環(huán)境，減少密封的泄漏量，延長使用壽命。輔助系統(tǒng)可以減小溫升保持端面良好潤滑，在易汽化介質(zhì)中保持密封腔壓力高于飽和蒸氣壓使之不汽化，在低溫泵中保溫和供熱，對于有固體顆粒出現(xiàn)的結(jié)晶和強腐蝕介質(zhì)的密封，能保持密封不受損壞。工作中應(yīng)保持循環(huán)密封液的液面或總量的穩(wěn)定，定時觀察壓力罐的視鏡液面或增壓罐活塞桿位置，緩沖液缺少較多時應(yīng)及時補給。同時注意緩沖液的清潔及管路暢通，整個密封系統(tǒng)的溫度壓力變化不超過允許范圍。通過手動補液泵補液時，先打開補液閥門，再搖動補液手柄，液面滿足使用要求或增壓罐的活塞桿達到下端后停止，關(guān)閉補液閥門。注意不可過量補給，以免造成系統(tǒng)壓力過度升高，損壞機械密封和其他系統(tǒng)部件。

11）泵停機后，停止密封輔助系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，及時將泵內(nèi)的介質(zhì)排放干凈。

5 結(jié)束語

機械密封是泵的一個薄弱部位，在泵安裝和試車過程中很容易發(fā)生問題，開車備件里一般都配有機械密封。通過觀察機械密封失效的外部癥狀，進行拆卸前和卸中的檢查，判斷機封失效的原因，及時采取相應(yīng)整改措施，避免造成不必要的損失和浪費，確保試車工作順利進行。