石腦油泵機(jī)封改造失效原因分析及措施

王彥江，王長青，王健偉，鄧聯(lián)新，陶 義

（獨山子石化公司設(shè)備檢修公司乙烯鉗工車間，新疆克拉瑪依 833699）

0 引言

該石腦油輸送泵屬于危險介質(zhì)泵改造為雙端面密封項目之一，該泵按改造計劃進(jìn)行了密封和輔助系統(tǒng)的改造安裝，一直平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)了4 個多月，直至某日凌晨該設(shè)備機(jī)械密封（簡稱“機(jī)封”）突然失效，大量泄漏并著火。調(diào)取控制室數(shù)據(jù)顯示先是非驅(qū)動端密封系統(tǒng)密封氣高流量報警，2 s 后驅(qū)動端密封系統(tǒng)密封氣低壓報警現(xiàn)象，設(shè)備4 min 左右自行停止運(yùn)轉(zhuǎn)。在設(shè)備滅火完成后，發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封及輔助系統(tǒng)、軸承箱燃燒損壞。按API 682—2014 標(biāo)準(zhǔn)，干氣機(jī)械密封的運(yùn)行周期應(yīng)為36個月。為解決改造后機(jī)械密封運(yùn)行壽命短的問題，對泄漏原因進(jìn)行了分析，并采取了有效的改造措施，確保設(shè)備能夠長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 故障原因分析

石腦油輸送泵為雙殼多級泵，型號為HTD100-120×4B，設(shè)備級數(shù)為4 級，主要參數(shù)見表1。

表1 石腦油輸送泵的主要技術(shù)參數(shù)

1.1 機(jī)泵及密封拆解情況

對該雙端面干氣機(jī)械密封拆解發(fā)現(xiàn)，非驅(qū)動端介質(zhì)側(cè)機(jī)械密封的動靜環(huán)表面光滑、動環(huán)有裂痕、運(yùn)轉(zhuǎn)表面有油；大氣側(cè)機(jī)械密封的動靜環(huán)有微運(yùn)轉(zhuǎn)磨痕、動環(huán)碎裂；動環(huán)O 形圈受熱擠出、大氣側(cè)靜環(huán)O 形圈受熱粘黏、靜環(huán)背后彈簧卡滯；拆下的非驅(qū)動端機(jī)械密封軸套內(nèi)外表面全部光滑無拉傷。驅(qū)動端介質(zhì)側(cè)機(jī)械密封動環(huán)碎裂、靜環(huán)被磨沒、密封附件（彈簧、O 形圈、卡環(huán)）都已被磨損受熱熔化；大氣側(cè)機(jī)械密封動靜環(huán)都已磨碎，密封完全失效；驅(qū)動端機(jī)械密封軸套與轉(zhuǎn)子有相對轉(zhuǎn)動且磨損嚴(yán)重，驅(qū)動端軸瓦損壞嚴(yán)重，巴氏合金完全脫落，軸頸和油封嚴(yán)重磨損。

1.2 機(jī)泵及密封失效原因分析

非驅(qū)動端密封失效原因是碳化硅材料的內(nèi)部缺陷造成密封動環(huán)碎裂，密封氣（氮氣）大量外泄，出現(xiàn)高流量報警，密封腔內(nèi)無法保住壓力，形成反壓。由于干氣密封密封環(huán)帶面比濕密封寬很多，形成不了非接觸，密封面打不開后造成干磨，導(dǎo)致密封瞬時失效泄漏。

驅(qū)動端密封在非驅(qū)動端密封出現(xiàn)高流量報警情況下，導(dǎo)致大量氮氣體往非驅(qū)動端密封泄漏，使驅(qū)動端密封供氣壓力不足，動靜環(huán)之間未形成氣膜，進(jìn)而造成動環(huán)與靜環(huán)之間的直接接觸并發(fā)生干磨現(xiàn)象。因為該密封為非接觸式干氣密封，干磨后產(chǎn)生大量熱，造成密封環(huán)表面密封面出現(xiàn)熱裂紋和碎裂，密封環(huán)嚴(yán)重?fù)p壞，密封失效，發(fā)生大量介質(zhì)泄漏并引起著火，著火后油杯燒損，造成軸瓦運(yùn)行缺油磨損；軸瓦磨損后造成轉(zhuǎn)軸沉降，油封發(fā)生磨損，轉(zhuǎn)軸磨損，機(jī)械密封軸套磨損。

1.3 密封輔助系統(tǒng)分析

石腦油輸送泵在上次“危險介質(zhì)泵改造為雙端面密封項目”中，采用的是PLAN74 沖洗方案的雙端面帶壓干氣密封[1]。該結(jié)構(gòu)在密封正常運(yùn)行時可以做到完全阻隔工藝介質(zhì)做到零泄漏，主要適用于溫度不高但含有不能泄漏的易燃易爆或有毒有害介質(zhì)場合，也適用于對可靠性要求非常高的場合，尤其適用于氣液混合的介質(zhì)。該方案對石腦油輸送泵的運(yùn)行工況也完全適用的，但在使用過程中應(yīng)注意，如果出現(xiàn)流量高報或壓力低報的情況，應(yīng)及時停車處理。

不過，這種純干氣密封對密封氣源的要求很嚴(yán)格：①進(jìn)入干氣密封的密封氣必須足夠清潔，不能含有液體或顆粒，否則可能會導(dǎo)致氣膜變成液膜產(chǎn)生大量的熱使脆性材料的動環(huán)瞬間崩裂；②密封氣的壓力也必須高于密封腔壓力，如果密封氣供給不足，容易導(dǎo)致密封氣壓力與介質(zhì)壓力接近，動、靜環(huán)之間無法形成氣膜，進(jìn)而造成動環(huán)與靜環(huán)之間的直接接觸并發(fā)生干磨現(xiàn)象，造成密封失效。

針對本次石腦油輸送泵出現(xiàn)的問題，考慮PLAN74 方案并聯(lián)式的兩套干氣密封共用一套供氣系統(tǒng)。系統(tǒng)供給氣源壓力等參數(shù)對密封失效的影響），同時雙支撐泵驅(qū)動端或非驅(qū)動端一端泄漏會對另一端氣源壓力產(chǎn)生很大影響，所以采用PLAN11+53A 的沖洗方案。該方案適用于不允許輸送介質(zhì)泄漏到大氣中的情況，通過現(xiàn)場氮氣源為封液罐提供壓力源，保證封液壓力始終高于密封腔壓力，阻止密封介質(zhì)的泄漏。該系統(tǒng)使密封承受液膜潤滑，使用時要保證封液罐壓力始終高于密封腔壓力，以便為密封端面提供潔凈的潤滑液，保證密封的使用性能，否則介質(zhì)中的顆粒容易進(jìn)入到密封端面內(nèi)造成密封失效。而此類系統(tǒng)只對氣源的壓力有要求，安全性更有保證。同時采用壓力開關(guān)對氣源壓力進(jìn)行監(jiān)測，采用液位開關(guān)對密封泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測。由于封液帶壓會有微量通過密封泄漏到介質(zhì)和大氣中，因此要選擇清潔、干凈對工藝介質(zhì)無影響且不污染環(huán)境的潤滑液作為封液。

2 改造方案

通過對引起該設(shè)備機(jī)械密封泄漏原因的分析，提出的如下改造措施。

2.1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)改造方案

（1）選用技術(shù)成熟的標(biāo)準(zhǔn)串聯(lián)雙端面密封型式，密封符合API 682 標(biāo)準(zhǔn)，特別適合易揮發(fā)介質(zhì)、輕烴化合物等，密封使用壽命長，可靠性高。

（2）補(bǔ)償型式選用了多彈簧結(jié)構(gòu)，彈力均勻，確保密封面更好的貼合，也使密封在軸向上更加緊湊。同時結(jié)構(gòu)采用了平衡型，適用于較高壓力。

（3）介質(zhì)側(cè)密封芯采用雙向承壓設(shè)計，可以適用于介質(zhì)壓力高于封液壓力，也可適用于封液壓力高于介質(zhì)壓力，該結(jié)構(gòu)可有效保證密封適應(yīng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可能出現(xiàn)的壓力波動。

（4）密封型式為雙端面串聯(lián)密封，兩套密封芯間密封腔壓力高于介質(zhì)壓力，有效保證介質(zhì)不會泄漏到大氣中，提高設(shè)備安全性。

2.2 輔助沖洗系統(tǒng)方案

針對該多級泵輸送的輕石腦油介質(zhì)特性，對現(xiàn)場人員安全及環(huán)境污染都存在很大的安全隱患，提出改造后采用PLAN 11+53A 沖洗系統(tǒng)的方案，可有效保證介質(zhì)不會泄漏到大氣中，提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性（圖1）。本方案不允許出現(xiàn)輸送介質(zhì)泄漏的情況，通過現(xiàn)場氮氣源為封液罐提供壓力源，保證封液壓力始終高于密封腔壓力，阻止密封介質(zhì)泄漏。同時，采用壓力開關(guān)對氣源壓力進(jìn)行監(jiān)測，采用高低液位開關(guān)對密封泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測。由于封液帶壓，會有微量通過密封泄漏到介質(zhì)和大氣中，因此該泵以白油潤滑液作為封液。

2.3 密封材料方案

（1）摩擦副材料選用石墨對碳化硅，能很好地應(yīng)對該工況。

（2）輔助密封材料選擇氟橡膠O 形圈。

（3）密封芯金屬件材料選用316 不銹鋼，彈簧材料選用哈C合金，軸套、端蓋、腔體材料選用316 不銹鋼。

以上材料均可以滿足該泵的工況要求，保證密封的長周期運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論

改造后運(yùn)行狀態(tài)良好，長周期運(yùn)行24 個月無異常波動。

上次石腦油輸送泵機(jī)封改造采用了密封沖洗方案為PLAN74 的雙端面帶壓干氣式機(jī)械密封，而且兩套并聯(lián)式干氣密封共用一套供氣系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)對氮氣源要求特別高。同時雙支撐多級泵驅(qū)動端或非驅(qū)動端一端泄漏會對另一端氣源壓力產(chǎn)生很大影響。本次改造采用PLAN11+53A 的沖洗方案的標(biāo)準(zhǔn)串聯(lián)雙端面密封，以現(xiàn)場氮氣源為封液罐提供壓力源，同時采用壓力開關(guān)、高低液位開關(guān)對氣源壓力和密封泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測，有效地避免了密封泄漏故障。本次機(jī)械密封的成功改造，提高了整個裝置的安全性，延長了設(shè)備的運(yùn)行周期，降低了檢修頻次，減少了因頻繁檢修造成的經(jīng)濟(jì)損失，對石化公司創(chuàng)建無污染企業(yè)具有積極的作用。同時，它對于同類型機(jī)泵在機(jī)械密封改造選型方面提供了一定參考，具有一定的推廣價值。

圖1 Plan11+53A 密封沖洗系統(tǒng)