炼化企业高危泵机械密封失效分析及对策

2018-03-04闵浩晨

机电信息 2018年27期

闵浩晨丁伟郭睿

（1.兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州730050；2.中国石油兰州石化分公司，甘肃兰州730060）

0 引言

炼化企业高危泵主要包括高温热油类泵，即输送介质最高运行温度大于或等于自燃点或介质温度大于200℃的机泵；轻烃类泵，即输送介质为在大气压力下容易挥发的烃类物质（一般是指碳五或更轻的烃类物质的单体或其混合物）的机泵。有毒有害类泵即输送毒性程度在重度及重度以上介质的机泵。

在化工企业历次事故中可以看到化工装置原料泵密封失效，引发火灾的案例较为突出，我们在这里针对高危泵机械密封类型失效问题，就选型、冲洗、运行、监测、检修、管理等因素进行总结，以提高设备的安全管理水平。

1 机械密封失效的原因分析

机械密封是一种旋转式流体机械的轴封装置，是为了防止介质从设备内泄漏到外界，或空间气体侵入到设备内部的装置或措施。按密封端面对数分类有单端面密封、双端面密封、多端面密封等。其主要部件为动环、静环、冷却装置、压紧弹簧、密封胶圈和辅助密封件。

化工装置高危泵均处在高温、高压、强腐蚀的物料和苛刻工况环境下运行，因物料性质和工况环境非常复杂，机泵机械密封在使用的过程中存在微小泄漏，都可能出现令人尴尬和难以挽回的局面。下面分析机械密封失效的原因，以制定有效的应对措施。

1.1 机械密封结构选择不合理

在设计中由于对机泵工作状况的掌握不够，对一些工况按照一般情况考虑使用了单端面机械密封，没有从设施的安全性上优先考虑。单端面密封结构简单，适用于一般油品等泄漏量要求不严格的生产场所。

1.2 机械密封的冲洗状况不符合运行工况要求

在输送易结晶或有细小颗粒的介质时，必须有一定压力和一定流量的冲洗液进行冲洗，否则结晶体或微粒会加速密封副的磨损，并影响密封副磨损后的自动补偿而导致发生泄漏。

1.3 机械密封的材质选择不合适

机械密封的材质与所输送的介质不相匹配，在运行时，密封元件就会很快被腐蚀、溶解或磨损，因而失去密封能力。根据输送介质的性质选择机械密封的材质是保证其密封性能和正常寿命的先决条件。

1.4 机械密封的密封压力测定不准确

机械密封所能承受的压力都是一定的，但由于对密封腔内的压力测算不准或压力大幅度波动，造成密封腔内的压力超过了机械密封所能承受的压力，从而导致物料外泄，这是机械密封常见的失效原因。

1.5 机械密封的工作温度不适宜

在有冷却管路的设计中，往往由于冷却介质的流量不足、冷却介质温度高而使冷却效果降低；在没有冷却管路和冲洗的设计中，密封腔内经常由于窝存空气而造成机械密封处于干摩擦状态，进而使密封温度急剧上升，导致动、静环破裂。

1.6 在使用单弹簧的机械密封时

忽略弹簧的旋转方向与泵转子转动方向的正确组合，没有按照设计说明安装，装配错误，没有做到因为转子的旋转而使机械密封的弹簧力加大而是相反，结果造成动环和静环摩擦副压力不足而形成泄漏。

1.7 机泵产生振动影响密封的稳定性

主轴变形，产生径向振动，将影响密封的稳定运行；轴承严重磨损和损坏，使泵轴产生严重的轴向窜动或径向振动，也会导致机械密封泄漏。

1.8 机械密封监测、报警不到位

没有设置振动监测和泄漏报警装置，报警信号不能远传到操作室，没有及时发现机械密封的泄漏和失效，造成机械密封没有得到及时维修。

2 改进方案与对策

在炼化装置原设计中，机泵一般都采用单端面机械密封，因物料特性的复杂性，当密封失效时发生泄漏，极易造成不可挽回的严重损失。为了更好地确保装置安全平稳运行，应将机泵的密封改造为双端面密封，以达到“零泄漏”的目的。

2.1 密封选型原则

在设备安全使用过程中根据工作的特性界定高危泵范围，对高温热油类泵、轻烃类泵、有毒有害类泵分别制定机泵密封实施方案，在密封选型和方案配置中，依据机泵安装的有效空间和场所进行合理选择，并能够在全寿命周期使用过程中满足机械密封的密封性、安全性、经济性、有效性。

2.2 密封选型方案

2.2.1 高温热油类机械密封的选型

可选择背靠背、面对面、面对背有压双端面密封等类型，这种密封结构在工作时在两端面间引入高于介质压力的密封液以改善端面间的油滑及冷却，并将物料与外界隔离，以增强密封的效果。

2.2.2 轻烃介质泵机械密封的选型

可选无压面对背双密封或有压双密封。无压面对背双密封是适用于压力低于密封介质的缓冲流体的双密封，有压双密封是适用于压力高于密封介质的阻塞流体的双密封。

2.2.3 有毒有害介质泵机械密封的选型

可选有压双密封，但在一些特殊情况下可以根据工作温度、工况特点进行专门设计。

2.3 密封系统冲洗方案的选择

2.3.1 轻烃介质泵冲洗方案的选择

轻烃介质泵冲洗方案的选择条件，可依据生产工况、物料性质、温度、压力、润滑以及物料的相宜性来确定。双密封冲洗方案可依据上述条件选择，如在烯烃装置中可采用自冲洗方案：首先再循环由泵的出口引入，经由一个流量控制口和冷却器，然后进入前端密封腔内，可以有效降低密封的机封温度；其次，由外部对系统密封的外侧密封提供冲洗液，在正常的运行下，由各内部泵送环保持循环，储液器必须联通放空或接通火炬管网，当内侧密封失效时，外侧密封可以阻挡被密封介质向外泄漏可燃气体排向火炬系统，当储液器压力升高时，可以通过压力信号远传报警，以提醒更换密封。

2.3.2 有毒有害介质泵冲洗方案的选择

有毒有害介质泵冲洗方案的选择条件可以依据生产工况、物料毒性以及物料的相宜性来确定。双密封冲洗方案可依据上述条件选择，如在丙烯烃装置中可以采用自冲洗方案，首先使用上面的方法；其次，从外部管线为受压的双密封布置的外侧密封提供冲洗液，预加压的皮囊式储能器为循环系统提供压力，一个内部泵送环来保持流体流动，热量由一个冷却器从循环系统中除去，以保持密封系统在温度适宜的条件下运行。

3 安装技术和使用对策

（1）机械密封在安装前，应对机轴进行严格检查，对主机轴的窜动量、摆动量和挠度在检修中进行测定。一般要求轴的窜动量不大于-0.5 mm，轴的摆动量不大于0.06 mm，轴的挠度不大于0.05 mm，以确保机械密封的安装精度。

（2）密封材质的选择：石墨环均采用优质的抗疱疤碳石墨，可有效降低机泵的维修率，增强密封使用的可靠性。密封结构选择A型密封，摩擦副配对材料宜选用摩擦热低、传热性好的材质；针对具有腐蚀性的介质，选择耐腐蚀性密封材质，以提高机封面的耐腐蚀性。

（3）弹性元件的选取方面，高温泵密封弹簧采用耐高温金属波纹管，金属波纹管具有防腐蚀特性、耐高温性、耐疲劳性；采用冲洗方案时，应尽量选择满足承受正、反两个方向压力的要求的介质侧密封；大气侧密封与介质侧密封应保证具备同样的性能，以保证机泵在主密封失效时后侧机械密封仍然完好有效。

（4）在储液罐设置高、低液位报警，其顶部排放上配限流孔板和单向阀（根据需要选配），并将排放系统与火炬放空管线联通，在主密封泄漏后能将可燃气体排出，以防止高温易燃介质的外泄造成危险。

（5）设手动补液泵的可以在冲洗系统压力不足时补充冲洗液，以保住系统压力恒定，但在进行补液时不能超过预设压力值，压力过高也会导致密封损坏。

（6）冲洗液的选择：可用导热油、耐高温白油等或相适宜的物料，选用条件为耐高温、不结焦、不产生污染和杂质。当油类冲洗液与介质不相容时，必须考虑物料与冲洗液的相宜性，外引冲洗液要采用稳定、洁净、与介质相容且不会发生汽化、化学反应的物料进行冲洗。

（7）完善报警系统：报警系统对于高位泵的安全使用是至关重要的，根据生产的特点合理配置，可以达到安全警示的目的，如设置压力和高/低液位报警、流量报警，并将信号和报警系统引入DCS操作系统。针对重催装置中油浆泵进行改造，将压力和高/低液位报警信号引入操作室DCS操作系统等，可以达到实时监测的目的。

（8）辅助密封的选择：材料要有耐热性、耐腐蚀性和介质相容性，在选择输送高硫化氢含量介质的密封时，辅助密封元件应考虑耐硫化氢材料，如全氟醚橡胶，其具有优异的耐高温性能：耐热性方面，在300℃的高温下也能保持橡胶的弹性特征；耐化学性方面，对所有化学品都具有优异的耐受性。

4 日常管理与维护对策

（1）制定操作规程和维护作业规程，并严格执行；操作人员要关注高危泵的报警情况，发现异常，及时处理，定期检查冷却水、冲洗油、冲洗液、冷却器、密封压力、温度、液位等情况，确保系统运行正常。（2）对操作、巡检、维修、维护、管理人员进行专业化培训，使其掌握高危泵的管理与维护技能，做到对高危泵及辅助系统的正确安装、规范管理，检修维护、清洁和无泄漏等具体要求。（3）在改造设计时要考虑密封系统管路在工作现场布置合理，便于介质的循环和流动，利于检修，防止人员踩踏，防止造成介质外漏和不必要的人为损坏。（4）对机泵的运行进行动态监测，对高危泵振动频谱进行分析，更准确掌握机泵日常的运行情况，分析振动波动异常数据，防止因振动超标、轴承故障等造成密封损坏，并依据振动频谱分析确定机泵检修计划，采取处理措施加以处理。（5）安排专业管理人员，配备必要的测振、测温仪器，依据监测数据，全面分析诊断故障，保证机泵正常运行，制定有针对性的整改措施。（6）在新建、改建等工程中，购机泵前应根据工况提出准确的机泵工况条件、工艺介质和技术要求，对符合要求的机泵选用符合规定的机械密封，并进行可靠的技术交流和论证，以选择适合相关工作环境的产品。（7）建立专项应急预案，明确在出现异常时采取有效的应对措施进行处理，以提高紧急状况下的应急处理能力。