尿液泵机械密封故障的分析和处理

2013-10-20裴银辉

化工设计通讯 2013年4期

刘涛，裴银辉

（中石油塔西南化肥厂，新疆泽普 844804）

1 概述

我厂尿素装置有两台尿液泵，其作用是把尿液（浓度73.8%，温度84℃）增压送入蒸发系统进行蒸发提浓。此泵为单级悬臂式结构，其轴端密封为集装式机械密封，具体结构如图1所示。

这两台泵机械密封运行情况很差，经常泄漏，故障率很高。仅2009年～2010年两年间，两台泵因机械密封泄漏造成的检修达11次，共消耗机械密封9套。如此高的故障率是不正常的。不仅造成机械密封配件消耗，材料成本增加，而且检修的人工成本也大幅增加。

2 故障现象

（1）新机械密封安装后通常20来天会出现轻微的泄漏。随着运行时间的增加，泄漏会逐渐增大。有时机械密封泄漏会突然变大。

（2）倒泵后，有时能正常运行，有时会立即出现机械密封泄漏的情况。

拆检发现如下情况：机械密封波纹管上有时有白色结晶尿素；机械密封动静环有磨损的痕迹，有时有裂纹。

3 原因分析

根据故障现象和拆检情况，判断机械密封泄漏是波纹管和动静环失效导致的。

图1 尿液泵轴端密封结构示意

3.1 机械密封波纹管失效原因

尿液泵泵送介质为浓度73.8%尿液，这是一种非常容易结晶的物质。尿液泵机械密封没有设置冲洗液，尿液在机械密封波纹管处处于不流动状态，故极易产生结晶；一旦尿液在机械密封波纹管上结晶，会使得波纹管补偿作用部分失去或全部失去，从而导致泄漏发生。

尿液泵停泵后，操作人员会用脱盐水对泵体进行冲洗。但是机械密封波纹管处是死角，波纹管上的尿素结晶不一定能冲洗干净，也会使波纹管补偿作用部分或全部失去。这样，下次启泵时机械密封就会泄漏。

3.2 机械密封动静环失效原因

尿液泵机械密封在原始设计上没有密封冲洗液，因为考虑到冲洗液进入泵体随尿液进入蒸发提浓系统后，稀释了尿液，对尿素产品中的水分指标产生不利影响，影响产品质量，故此泵的机械密封未加密封冲洗液。

由于机械密封没有冲洗液，动静环摩擦产生的热量无法散发，而且介质温度也较高，达到84℃，这就导致动静环温度高，使得动静环磨损加剧，因此动静环无法达到预期使用寿命，短时间就发生失效而产生泄漏。动静环材质为硬质合金，这种材质的特点是硬而脆，长时间的热量积累无法散发，温度升高到一定程度，动静环会发生热裂失效，产生泄漏。

4 改进措施

4.1 机械密封增加冲洗液的改造

据上述分析，为防止尿液结晶，并带走动静环的摩擦热量，最好的方法是对机械密封动静环处通入冲洗液（其位置如图1所示）。

由于泵送介质是易结晶物质，故不采用自冲洗方案。考虑采用《API682－2002用于离心泵和回转泵的轴封系统》API682方案32——单密封通过外部来源进行冲洗。为方便配管，选取尿液泵旁的脱盐水作为冲洗液，温度为60～70℃。

按表1选择机械密封冲洗液流量。尿液泵密封轴径为55mm，冲洗液流量应达到4L／min，即0.24m3／h。

表1 一般介质泵用机械密封的冲洗液流量

考虑到冲洗液进入泵体可能会影响产品质量，进入泵体的冲洗液必须控制在工艺可以接受的范围内（要求进入泵体的冲洗液不能超过0.1m3／h）。所以应在冲洗液管线加一限流孔板。

限流孔板孔径参考《JB／T 6634－93机械密封系统用孔板》，理论上孔板流量确定公式如下：

式中：Q——流量，L／min；

d0——孔板小孔直径，mm；

H——孔板压头降，m（液柱）；

C0——孔流量系数。

孔板流量系数C0＝0.17；冲洗水压力为1.5MPa，尿液泵密封腔压力为0.3MPa，其压差为1.2MPa，则H≈120m。

经计算，孔板孔径d0＝1mm时，流量Q为1.417L／min（即0.085m3／h），可满足工艺要求。

4.2 机械密封增加急冷液的改造

进入泵体的冲洗液只有所需流量的1／3，不能满足要求，所以还要增加一股急冷液，用来带走动静环的摩擦热。即采用《API682－2002用于离心泵和回转泵的轴封系统》API682方案62——单密封外部急冷。

急冷液的作用是带走动静环的摩擦热，降低动静环温度。在机械密封压盖上开急冷孔（如图1）通入急冷液，急冷液直接通入静环后面，流过静环和机械密封压盖中间的通道，并从机械密封压盖上的排放孔排出。由于静环密封圈和动静环的作用，急冷液不会进入泵体。急冷液可回收，也可直接排放。

急冷液选取用作冲洗液的脱盐水。尿液泵机械密封急冷液流量大致为7～9L／min，约为冲洗液流量的2倍。由于尿液泵已通入1.417L／min的冲洗液，急冷液流量取下限Q＝7L／min。冲洗水压力为1.5MPa，则H≈150m。据式（1）计算得急冷液管线限流孔板孔径d0＝2.07mm。取整得孔板孔径d0为2mm。