雙端面機(jī)械密封失效分析及應(yīng)用

張?jiān)迄i(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

雙端面機(jī)械密封適用工況較為廣泛，包括且不限于腐蝕性強(qiáng)、具有懸浮顆粒、真空度較高、易燃易爆的工況等。雙端面機(jī)械密封通過(guò)控制密封端面壓差、注入密封隔離液等方式，增強(qiáng)密封效果。雙端面機(jī)械密封以其特殊結(jié)構(gòu)和優(yōu)秀性能廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)，一旦機(jī)械密封發(fā)生泄漏，會(huì)對(duì)化工機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。因此，文章對(duì)雙端面機(jī)械密封應(yīng)用原理進(jìn)行研究分析，探究密封失效原因和解決對(duì)策。

1 雙端面機(jī)械密封失效原因分析

1.1 操作問題

機(jī)械密封裝置操作問題主要在表現(xiàn)兩個(gè)方面：一是裝置裝配、運(yùn)輸存在隱患。機(jī)械密封裝置檢修維護(hù)后仍然多次發(fā)生泄漏問題，將裝置拆卸解體觀察發(fā)現(xiàn)靜環(huán)密封面邊緣處出現(xiàn)缺口，判斷故障原因?yàn)闄C(jī)械密封裝置裝配時(shí)敲擊力度過(guò)大或組件運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重碰撞。裝置裝配不嚴(yán)謹(jǐn)還會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)釜攪拌同軸度偏差大，反應(yīng)釜軸的擺動(dòng)量明顯超出該型號(hào)機(jī)械密封技術(shù)要求，影響雙端面機(jī)械密封裝置密封面貼合效果，致使攪拌軸擺動(dòng)過(guò)程中介質(zhì)泄漏量增加，密封面磨損程度加深。二是使用操作不規(guī)范。機(jī)械密封裝置投入使用前未檢查輔助系統(tǒng)是否正常工作，如系統(tǒng)密封隔離液是否不足，反應(yīng)釜內(nèi)壓力是否明顯高于密封液壓力等。在使用過(guò)程中，未及時(shí)打開冷卻水開關(guān)，密封面溫度過(guò)高會(huì)損害密封元件，致使密封失效。

1.2 機(jī)械密封元件損壞

雙端面機(jī)械密封裝置內(nèi)部元件損壞包括兩種情況：一是使用過(guò)程出現(xiàn)自然磨損，動(dòng)靜環(huán)密封面粗糙，難以發(fā)揮密封作用。機(jī)械密封裝置動(dòng)環(huán)需要隨軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)環(huán)靜環(huán)不斷摩擦，自然磨損量增加，磨損量達(dá)到一定值時(shí)，裝置無(wú)法利用彈簧力消除動(dòng)靜環(huán)密封面間隙，密封介質(zhì)從縫隙中泄漏出去，從而導(dǎo)致雙端面機(jī)械密封失效，此種屬于正常損耗。檢修人員僅需及時(shí)替換新雙端面機(jī)械密封裝置。二是機(jī)械密封彈簧無(wú)法正?；貜?。

拆解機(jī)械密封裝置發(fā)現(xiàn)彈簧本身未出現(xiàn)斷裂、變形情況，軸套上則覆蓋難以清理的橡膠泥，致使軸套與動(dòng)環(huán)密封圈緊密黏合，動(dòng)靜環(huán)密封面之間出現(xiàn)縫隙，密封介質(zhì)外漏。由此判斷，橡膠泥來(lái)源為動(dòng)環(huán)、靜環(huán)O型密封圈磨損殘?jiān)?/p>

1.3 密封元件選用不合理

機(jī)械密封裝置的密封元件選擇問題表現(xiàn)在O型密封圈材質(zhì)不合適。該裝置中密封圈材料為聚四氟乙烯包覆硅橡膠和丁腈橡膠，其中聚四氟乙烯包覆硅橡膠材料雖然抗腐蝕性優(yōu)越，但在壓力作用下回彈效果較差，容易發(fā)生變形。丁腈橡膠材料會(huì)與反應(yīng)釜內(nèi)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，致使元件溶脹變形，在與其他組件配合作用時(shí)出現(xiàn)間隙致使密封失效。

1.4 機(jī)械密封端面問題

機(jī)械密封端面問題表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是端面潤(rùn)滑液不足。機(jī)器設(shè)備日常巡檢工作粗糙，難以及時(shí)根據(jù)摩擦副冷卻狀態(tài)和密封隔離液液面位置采取措施，導(dǎo)致機(jī)械密封裝置潤(rùn)滑液不足，還會(huì)因溫度過(guò)高引發(fā)密封圈老化，影響機(jī)械密封使用壽命。二是端面變形。機(jī)械密封裝置泄漏問題并未因更換動(dòng)靜環(huán)組件而得到改善，將裝置拆卸排查發(fā)現(xiàn)密封端面發(fā)生變形。該裝置工作轉(zhuǎn)速較低，冷卻水使用正常，基本可以排除溫度因素對(duì)密封面的影響。對(duì)裝置運(yùn)行全過(guò)程觀察分析得知，裝置密封面在應(yīng)力作用下發(fā)生變形，動(dòng)靜環(huán)之間的密封面無(wú)法緊密貼合，不能形成液膜達(dá)到密封目的，致使密封失效。

2 雙端面機(jī)械密封失效解決對(duì)策

2.1 規(guī)范操作流程

延長(zhǎng)雙端面機(jī)械密封運(yùn)行周期，改善密封失效需要規(guī)范操作流程，加強(qiáng)機(jī)械密封檢修全過(guò)程質(zhì)量控制。規(guī)范操作流程包括兩方面內(nèi)容：一是加強(qiáng)維修復(fù)位質(zhì)量控制。雙端面機(jī)械密封失效的主要原因是操作問題，技術(shù)人員對(duì)設(shè)備技術(shù)掌握不充分，對(duì)構(gòu)造精細(xì)的密封組件了解不足，致使出現(xiàn)瞬時(shí)密封失效問題時(shí)很難及時(shí)應(yīng)對(duì)。因此，企業(yè)要加強(qiáng)檢修人員專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，提升機(jī)械密封安裝檢修工作質(zhì)量，促使機(jī)械密封裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。二是加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行操作管理。石油化工企業(yè)車間運(yùn)行階段，常因客觀環(huán)境干擾出現(xiàn)停車、啟動(dòng)和運(yùn)行變化，使得各種雜質(zhì)顆粒進(jìn)入到機(jī)械密封摩擦端面縫隙，顆粒與端面相互摩擦，加速密封端面磨損速率，從而影響密封效果。因此，企業(yè)要加強(qiáng)操作人員培訓(xùn)，將開停車次數(shù)與裝置運(yùn)行環(huán)境維持在固定范圍內(nèi)，延長(zhǎng)機(jī)械密封裝置連續(xù)運(yùn)行時(shí)間。

2.2 加強(qiáng)日常運(yùn)行維護(hù)

日常運(yùn)行維護(hù)工作為雙端面機(jī)械密封裝置運(yùn)行提供合理工況，使機(jī)械密封裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)械密封裝置日常運(yùn)行維護(hù)工作重點(diǎn)包括以下三點(diǎn)：一是做好輔助裝置檢查工作。雙端面機(jī)械密封裝置檢修與運(yùn)行前，工作人員要檢查輔助裝置狀況，觀察密封液面位置和密封系統(tǒng)壓力是否在操作規(guī)定范圍內(nèi)，密封液、壓力不足時(shí)要及時(shí)補(bǔ)充。工作人員應(yīng)檢查外供密封隔離液系統(tǒng)冷卻管、沖洗管管線內(nèi)部是否存在雜質(zhì)，避免沖洗液中斷，影響密封腔冷卻、潤(rùn)滑效果，導(dǎo)致機(jī)械密封失效。二是加強(qiáng)異常監(jiān)控。檢修人員對(duì)機(jī)械密封裝置應(yīng)用設(shè)備的異常情況應(yīng)及時(shí)檢查上報(bào)，如機(jī)器發(fā)出異常聲響或振動(dòng)，檢修人員需要對(duì)機(jī)器內(nèi)部進(jìn)行檢查。機(jī)器異常振動(dòng)可能導(dǎo)致雙端面機(jī)械密封裝置防轉(zhuǎn)銷脫出，破壞裝置穩(wěn)定性。檢修人員還要對(duì)機(jī)器發(fā)熱情況進(jìn)行診斷，出現(xiàn)異常發(fā)熱可能對(duì)大氣側(cè)動(dòng)環(huán)等備件造成損壞，影響裝置密封效果[1]。三是加強(qiáng)故障排查。工作人員對(duì)雙機(jī)械密封裝置故障分析時(shí)，要對(duì)機(jī)器拆卸前泄漏狀態(tài)、拆卸檢查全過(guò)程、密封元件結(jié)構(gòu)檢測(cè)等環(huán)節(jié)深入研究分析，判斷故障發(fā)生點(diǎn)和密封失效真實(shí)原因，做好工作記錄并采取針對(duì)性改進(jìn)措施，減少人為原因?qū)е碌臋C(jī)械密封失效次數(shù)。

2.3 優(yōu)化機(jī)械密封設(shè)計(jì)

企業(yè)還能通過(guò)優(yōu)化機(jī)械密封設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)雙端面機(jī)械密封效果提升。例如：某企業(yè)拆檢設(shè)備發(fā)現(xiàn)零部件存在剛性摩擦磨損現(xiàn)象，包括且不限于機(jī)械密封與軸配合存在刮痕、機(jī)械密封裝置動(dòng)環(huán)鎖緊螺母在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與軸承產(chǎn)生較大摩擦等等。工作人員通過(guò)對(duì)比機(jī)械密封裝入密封腔室長(zhǎng)度與機(jī)械密封裝置內(nèi)壓蓋端面至末端長(zhǎng)度，削減機(jī)封內(nèi)卡環(huán)長(zhǎng)度和加增墊片方式解決裝配不嚴(yán)引發(fā)的密封偏斜問題，增強(qiáng)機(jī)封與設(shè)備配合效率。改造、優(yōu)化密封水系統(tǒng)也能延長(zhǎng)機(jī)械密封使用周期。企業(yè)根據(jù)不同工況需求對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如可在密封水系統(tǒng)液體進(jìn)出口處加設(shè)節(jié)流孔板進(jìn)行液體流量控制，按照實(shí)際需要調(diào)節(jié)密封水壓力。

3 雙端面機(jī)械密封應(yīng)用研究

3.1 應(yīng)用原理

雙端面機(jī)械密封工作時(shí)在介質(zhì)壓力、元件彈力等合力作用下使動(dòng)環(huán)端面與靜環(huán)端面緊密貼合，使端面間隙中形成液膜，從而實(shí)現(xiàn)密封。雙端面機(jī)械密封需要外供密封隔離液系統(tǒng)提供運(yùn)行支撐，外供密封液系統(tǒng)中隔離液能夠循環(huán)使用，對(duì)密封腔進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻，為機(jī)械密封提供良好工作環(huán)境[2]。雙端面機(jī)械密封根據(jù)工作原理可被分為三部分：一是主密封，即動(dòng)環(huán)靜環(huán)相互作用形成的動(dòng)密封面；二是輔助密封，主要包括O型密封圈等密封原件；三是密封循環(huán)保護(hù)系統(tǒng)，包括溫控元件、雜質(zhì)過(guò)濾元件、壓力檢測(cè)元件等，各元件配合作用保證雙端面機(jī)械密封裝置可用。

3.2 雙端面機(jī)械密封裝置安裝

以旋轉(zhuǎn)軸用雙端面機(jī)械密封裝置安裝說(shuō)明為例，探究機(jī)械密封裝置安裝前的準(zhǔn)備過(guò)程、安裝注意事項(xiàng)以及安裝流程。某公司安裝臥式離心泵用機(jī)械密封裝置，裝置為雙端面接觸式，密封工作溫度范圍為-50～140 ℃，端面速度低于16 m/s，適用于有顆粒的介質(zhì)工況。

雙端面機(jī)械密封裝置安裝前準(zhǔn)備工作包括五部分：一是提供良好安裝環(huán)境。安裝前檢查設(shè)備系統(tǒng)是否處于非工作狀態(tài)，環(huán)境溫度、壓力是否達(dá)到安裝要求。二是檢查機(jī)械密封裝置與離心泵是否匹配，檢查各連接點(diǎn)尺寸是否正確，檢查雙端面機(jī)械密封裝置是否存在變形損壞問題。三是要對(duì)非金屬元件如O型密封圈滑過(guò)部分進(jìn)行加工，控制與非金屬元件接觸金屬表面粗糙度，改善非金屬元件磨蝕損傷情況。四是檢查離心泵軸、密封腔安裝尺寸、密封端蓋能否滿足機(jī)械密封裝置安裝要求。五是檢查雙端面機(jī)械密封裝置安裝部位是否存在雜質(zhì)。

雙端面機(jī)械密封安裝注意事項(xiàng)包括三點(diǎn)：一是應(yīng)用阻封水改善裝置使用環(huán)境，并在密封腔處設(shè)置阻封水接口；二是阻封水系統(tǒng)中壓力表和調(diào)節(jié)閥應(yīng)設(shè)置系統(tǒng)出水口處，幫助工作人員觀察調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力；三是保證阻封水系統(tǒng)壓力高于泵腔壓力。

雙端面機(jī)械密封裝置安裝操作內(nèi)容如下：一是清潔裝置離心泵旋轉(zhuǎn)軸和密封腔體；二是在機(jī)械密封裝置非金屬元件如O型密封圈處涂抹潤(rùn)滑物質(zhì)，減輕安裝阻力；三是保證機(jī)械密封裝置表面清潔，避免雜質(zhì)灰塵對(duì)密封面造成不良影響；四是安裝中摩擦副表面無(wú)需涂抹潤(rùn)滑物質(zhì)，不應(yīng)大力碰撞敲擊安裝元件；五是區(qū)分裝置動(dòng)環(huán)靜環(huán)，確認(rèn)軸套安裝方向，嚴(yán)格按照系統(tǒng)示意圖要求進(jìn)行對(duì)應(yīng)安裝；六是安裝完畢后對(duì)各元件之間摩擦情況進(jìn)行測(cè)試，若離心泵旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)用力不均衡則應(yīng)檢查裝置安裝問題，必要時(shí)將裝置拆卸，排查完安裝問題后重裝。

3.3 雙端面機(jī)械密封裝置的使用

使用雙端面機(jī)械密封裝置前，工作人員需要確認(rèn)輔助系統(tǒng)是否能夠正常工作，監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行全過(guò)程并及時(shí)處理設(shè)備異常。雙端面機(jī)械密封需要輔助系統(tǒng)維持裝置運(yùn)行所需要的隔離壓力，借助循環(huán)管線帶走機(jī)械密封工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，并對(duì)密封泄漏進(jìn)行補(bǔ)償。雙端面機(jī)械密封運(yùn)行期間要避免密封介質(zhì)壓力出現(xiàn)較大范圍波動(dòng)，規(guī)避泵抽空現(xiàn)象。雙端面機(jī)械密封輔助系統(tǒng)使用維護(hù)工作包括五部分：一是輔助系統(tǒng)安裝配管完畢后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試壓和清洗。工作人員應(yīng)在焊縫接頭處進(jìn)行氣密性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果確認(rèn)無(wú)誤后用氮?dú)膺M(jìn)行吹掃，保證系統(tǒng)液體進(jìn)出口無(wú)雜質(zhì)。二是系統(tǒng)內(nèi)注液測(cè)試。在試壓清洗工作結(jié)束后，工作人員應(yīng)向系統(tǒng)注入緩沖液檢查系統(tǒng)各接口密封性，一旦出現(xiàn)液體泄漏需要檢查系統(tǒng)連接處連接情況，擰緊連接處螺母后再次進(jìn)行注液測(cè)試。三是試車前調(diào)試。工作人員要注意多用接口、緩沖液進(jìn)出口、冷卻水進(jìn)出口、補(bǔ)液口開關(guān)狀態(tài)是否滿足測(cè)試要求。四是試運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)管線和系統(tǒng)內(nèi)液位確認(rèn)無(wú)誤后，觀察儲(chǔ)液罐上液面位置變化和系統(tǒng)內(nèi)壓力變化，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)部溫度會(huì)先升高后穩(wěn)定在固定值，若系統(tǒng)內(nèi)溫度超過(guò)固定值，工作人員要利用冷卻水進(jìn)行密封腔溫度控制。緩沖液進(jìn)口溫度、溫升以及壓力值均保持在正常值時(shí)，試運(yùn)行結(jié)束，機(jī)械密封裝置與輔助系統(tǒng)進(jìn)入連續(xù)工作狀態(tài)。五是維護(hù)保養(yǎng)工作。輔助系統(tǒng)中儲(chǔ)液罐要定期進(jìn)行液體更換，清理罐內(nèi)沉積雜質(zhì)并根據(jù)罐內(nèi)液體實(shí)際情況進(jìn)行補(bǔ)充。工作人員要定期巡視儲(chǔ)罐運(yùn)行狀態(tài)，如管線是否阻塞泄漏，溫度壓力值是否在規(guī)定范圍內(nèi)等。

3.4 故障排查

以某石化公司球罐區(qū)機(jī)械密封年度檢修統(tǒng)計(jì)情況為例，探究雙端面機(jī)械密封應(yīng)用故障排查注意事項(xiàng)。該公司乙烯泵與丙烯泵的雙面機(jī)械密封型號(hào)為0500/RRTP/SB3844，乙烯泵檢修周期為3個(gè)月，全年檢修次數(shù)為4次。第一次乙烯泵故障表現(xiàn)為軸承發(fā)出異響，磨損嚴(yán)重和間隙過(guò)大。第二次到第四次的故障均表現(xiàn)為密封失效隔離液泄漏，大氣側(cè)補(bǔ)償環(huán)、非補(bǔ)償環(huán)不同程度的崩邊偏磨。丙烯泵全年檢修6次，第一、三、四、五次丙烯泵故障為密封失效隔離液泄漏，大氣側(cè)補(bǔ)償環(huán)、非補(bǔ)償環(huán)崩邊偏磨。第二次丙烯泵故障還造成傳動(dòng)套固定石墨襯套嚴(yán)重破損，第六次丙烯泵故障是上油封破損導(dǎo)致軸承箱潤(rùn)滑油泄漏。對(duì)該公司乙烯泵、丙烯泵頻繁故障檢修統(tǒng)計(jì)情況分析可得，故障多表現(xiàn)為密封失效隔離液泄漏損壞機(jī)器備件，故障原因主要有兩點(diǎn)：一是隔離液循環(huán)通路阻塞。對(duì)乙烯泵丙烯泵的密封隔離液儲(chǔ)罐進(jìn)出口管線調(diào)查發(fā)現(xiàn)，管線因機(jī)封多次損壞殘留物累積形成雜質(zhì)，阻塞密封隔離液循環(huán)管線，致使大氣側(cè)密封內(nèi)隔離液數(shù)量不足，機(jī)械密封失效。二是備件磨損。大氣側(cè)補(bǔ)償環(huán)、非補(bǔ)償環(huán)、大氣側(cè)傳動(dòng)套口出現(xiàn)磨損、崩邊、皰疤現(xiàn)象，致使密封隔離液泄漏。該公司根據(jù)故障原因分析進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)：一是定期對(duì)密封隔離液儲(chǔ)罐管線溫度進(jìn)行測(cè)量，檢查管線堵塞情況，定期清洗隔離液密封循環(huán)管道并及時(shí)更換隔離液，保證Plan52系統(tǒng)正常運(yùn)行。二是根據(jù)離心泵運(yùn)行周期重新設(shè)計(jì)機(jī)械密封檢修周期，加強(qiáng)對(duì)機(jī)械密封相關(guān)備件的精細(xì)化管理，如工作人員一旦在阻封水中發(fā)現(xiàn)不明雜質(zhì)，立刻進(jìn)行異常上報(bào)，指派檢修人員對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行檢修，降低機(jī)械密封失效造成的不良影響。

4 結(jié)語(yǔ)

雙端面機(jī)械密封構(gòu)造精細(xì)，對(duì)于密封零部件加工裝配要求較高，一旦出現(xiàn)密封失效隔離液泄漏情況，故障排查判斷難度大。為降低機(jī)械密封裝置檢修成本，促使機(jī)械密封裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，需要加強(qiáng)雙端面機(jī)械密封裝置失效原因的分析和應(yīng)用研究，提高石油化工企業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益。