ACH循环泵机械密封失效情况分析及改进

张涛

摘要：对ACH循环泵的机械密封的失效原因进行了分析，并对其进行了改型，提高了设备运行寿命，取得了良好的成效。

关键词：双端面机械密封;失效分析;改进

前言

目前在很多企业中，当输送介质为剧毒介质时，机泵的密封一般不会采用机械密封，而采用干气密封或者干脆就是无轴封机泵和磁力泵。这在某公司美国工厂和高雄工厂都可以看到。在2004年某公司中国工厂筹建的时候，ACH循环泵型号采用FLOWSERVE ANSI标准的MARK3离心泵，机械密封构造设计并没有参照美国博蒙特工厂的干气密封型式或者采用无轴封泵，而是采用的双端面机械密封，并采用API53A冲洗方案，外部加压气源为氮气，冲洗介质为68号矿物油。在开工后的几年中，机械密封陆续出现了一些问题，正常运行周期不超过3个月。该泵设计为单泵运行，现场没有安装备用泵供紧急切换。每次修理该泵，ACH装置都必须停车，因而不能接受上游丙烯腈装置的氢氰酸，既造成了原料浪费，又对环境造成污染，影响较大。

设备参数

泵型号：3K8×6–16RV M3 ST;介质：粗品丙酮氰醇;操作温度：30～60℃;操作流量：310～330M3/h;额定流量：447M3/h;扬程：22.6M;入口压力：0.24barG;出口压力：2.16barG;电机功率：45KW;转速：1450 RPM;机械密封：FLOWSERVE RO 3”双端面机械密封;冲洗方案：API53A。

损坏状况

在泵正常运行时，经现场检查，冲洗液储罐外壁温度很低，接近机械密封压盖处的冲洗液进出口管道却很烫。机械密封压盖表面温度高达95℃。损坏的机械密封经去污后解体，密封压盖处有许多黑色焦炭粉状物质（见照片C），外侧密封动环密封面有裂纹。内侧密封静环O型环严重碳化，可轻捻成粉末状。继续解体还发现，在泵效环周边也附着一层该种黑色焦炭粉状物质（见照片D）。可以断定，该黑色物质即密封O型环经过高温后的产物。

原因分析

机械密封及压盖冲洗孔相对位置如下图5、6所示：

机械密封压盖及隔离液进出管道温度很高，而隔离液储罐外壁的温度低，说明隔离液没有在机械密封腔和储罐之间建立起良好的循环。机械密封内的各级密封O環材质为氟橡胶，长时间地处在过热的密封腔中，性质很容易发生变化，失去密封效果。由于采用的是API53A冲洗系统，外接压力会将隔离液加压至高于密封腔压力1.5巴（2.3磅/英寸2）[1]，在外接压力的作用下，隔离液会向泵送介质侧泄漏。当隔离液完全泄漏后，动环和静环之间不再存有液膜，摩擦副发生干磨，会产生更大的热量，使氟橡胶密封O环加剧碳化，并进而碎断或粉化。

密封腔内温度较高，这可能有以下几个方面的原因：①机泵密封腔内的泵效环在机泵转动的情况下，能力不高，不足以带动足够循环量的隔离液，使机械密封腔得不到足够冷却换热;②进出机械密封腔的隔离液管路过于弯曲，过长，使管路阻力很大，热虹吸效果差，导致隔离液循环不够通畅;③密封压盖下进上出的冲洗孔设计减少了机械密封腔的换热幅度。

改造方案

根据以上损坏原因分析，有以下几种改造方案：

机械密封改型。原有泵效环的能力不足以使隔离液建立正常循环，可采用螺旋推进式的泵效环予以代替，优化隔离液管路，使隔离液在机械密封腔和储罐之间能真正循环起来。这种改造方案较为简洁，外围不需要增加额外设施。如下图7所示。为了安装新式机械密封，需要将密封腔上的孔由3/8英寸，扩大为1/2英寸（下图中的BI口）。隔离液管路尺寸也相应增加。

改变泵效环，一并将机封压盖也改造，冲洗孔由下进上出改为上进切线出，如图8所示。这样也可以降低隔离液的阻力，改善热虹吸效果，加强隔离液循环。

外部隔离液管加装循环小泵，加强隔离液循环。

根据改造所需要的费用由低到高的原则，先采用5.1方案，如果没有达到预期效果，可以结合5.2、5.3方案。

改造试验及效果

根据5.1方案改动的新型机械密封于2017年1月4日安装至此机泵上，并进行了试车。开车后，机械密封压盖的温度保持在60℃以下，隔离液储罐外壁温度比改造前升高许多，这说明机械密封腔内的热量被隔离液带至储罐，建立起了正常循环。至今，机械密封寿命已经超过了26个月，使用状况仍然良好。在工厂停车检修时，为了保证设备长周期运行，该机械密封被拆下进行解体检查，O型环及动静环状态都不错，这说明本次改造达到了预期效果。经统计，本次技术改造可为公司带来大约每年一百万元人民币的经济效益，所以获得了该公司评选的年度最佳建议奖。

结论

机械密封腔过热，会造成密封O型环失效，大大影响机械密封的寿命。而机械密封隔离液循环不畅通，使密封腔得不到有效冷却，是机械密封损坏的根本原因。

可以通过加强隔离液的循环的方法，降低密封腔内的温度，继而延长机械密封寿命

机械密封的安装及调节的正确与否对机械密封使用寿命也有很大影响。从长远考虑，为了不使该设备的损坏对环境及公司经济效益造成巨大影响，安装备用设备是提高工厂运行可靠性的最佳选择。

参考文献

API 682–2002.美国石油协会标准[S].