石脑油泵机封改造失效原因分析及措施

王彦江，王长青，王健伟，邓联新，陶 义

（独山子石化公司设备检修公司乙烯钳工车间，新疆克拉玛依 833699）

0 引言

该石脑油输送泵属于危险介质泵改造为双端面密封项目之一，该泵按改造计划进行了密封和辅助系统的改造安装，一直平稳运转了4 个多月，直至某日凌晨该设备机械密封（简称“机封”）突然失效，大量泄漏并着火。调取控制室数据显示先是非驱动端密封系统密封气高流量报警，2 s 后驱动端密封系统密封气低压报警现象，设备4 min 左右自行停止运转。在设备灭火完成后，发现机械密封及辅助系统、轴承箱燃烧损坏。按API 682—2014 标准，干气机械密封的运行周期应为36个月。为解决改造后机械密封运行寿命短的问题，对泄漏原因进行了分析，并采取了有效的改造措施，确保设备能够长周期稳定运行。

1 故障原因分析

石脑油输送泵为双壳多级泵，型号为HTD100-120×4B，设备级数为4 级，主要参数见表1。

表1 石脑油输送泵的主要技术参数

1.1 机泵及密封拆解情况

对该双端面干气机械密封拆解发现，非驱动端介质侧机械密封的动静环表面光滑、动环有裂痕、运转表面有油；大气侧机械密封的动静环有微运转磨痕、动环碎裂；动环O 形圈受热挤出、大气侧静环O 形圈受热粘黏、静环背后弹簧卡滞；拆下的非驱动端机械密封轴套内外表面全部光滑无拉伤。驱动端介质侧机械密封动环碎裂、静环被磨没、密封附件（弹簧、O 形圈、卡环）都已被磨损受热熔化；大气侧机械密封动静环都已磨碎，密封完全失效；驱动端机械密封轴套与转子有相对转动且磨损严重，驱动端轴瓦损坏严重，巴氏合金完全脱落，轴颈和油封严重磨损。

1.2 机泵及密封失效原因分析

非驱动端密封失效原因是碳化硅材料的内部缺陷造成密封动环碎裂，密封气（氮气）大量外泄，出现高流量报警，密封腔内无法保住压力，形成反压。由于干气密封密封环带面比湿密封宽很多，形成不了非接触，密封面打不开后造成干磨，导致密封瞬时失效泄漏。

驱动端密封在非驱动端密封出现高流量报警情况下，导致大量氮气体往非驱动端密封泄漏，使驱动端密封供气压力不足，动静环之间未形成气膜，进而造成动环与静环之间的直接接触并发生干磨现象。因为该密封为非接触式干气密封，干磨后产生大量热，造成密封环表面密封面出现热裂纹和碎裂，密封环严重损坏，密封失效，发生大量介质泄漏并引起着火，着火后油杯烧损，造成轴瓦运行缺油磨损；轴瓦磨损后造成转轴沉降，油封发生磨损，转轴磨损，机械密封轴套磨损。

1.3 密封辅助系统分析

石脑油输送泵在上次“危险介质泵改造为双端面密封项目”中，采用的是PLAN74 冲洗方案的双端面带压干气密封[1]。该结构在密封正常运行时可以做到完全阻隔工艺介质做到零泄漏，主要适用于温度不高但含有不能泄漏的易燃易爆或有毒有害介质场合，也适用于对可靠性要求非常高的场合，尤其适用于气液混合的介质。该方案对石脑油输送泵的运行工况也完全适用的，但在使用过程中应注意，如果出现流量高报或压力低报的情况，应及时停车处理。

不过，这种纯干气密封对密封气源的要求很严格：①进入干气密封的密封气必须足够清洁，不能含有液体或颗粒，否则可能会导致气膜变成液膜产生大量的热使脆性材料的动环瞬间崩裂；②密封气的压力也必须高于密封腔压力，如果密封气供给不足，容易导致密封气压力与介质压力接近，动、静环之间无法形成气膜，进而造成动环与静环之间的直接接触并发生干磨现象，造成密封失效。

针对本次石脑油输送泵出现的问题，考虑PLAN74 方案并联式的两套干气密封共用一套供气系统。系统供给气源压力等参数对密封失效的影响），同时双支撑泵驱动端或非驱动端一端泄漏会对另一端气源压力产生很大影响，所以采用PLAN11+53A 的冲洗方案。该方案适用于不允许输送介质泄漏到大气中的情况，通过现场氮气源为封液罐提供压力源，保证封液压力始终高于密封腔压力，阻止密封介质的泄漏。该系统使密封承受液膜润滑，使用时要保证封液罐压力始终高于密封腔压力，以便为密封端面提供洁净的润滑液，保证密封的使用性能，否则介质中的颗粒容易进入到密封端面内造成密封失效。而此类系统只对气源的压力有要求，安全性更有保证。同时采用压力开关对气源压力进行监测，采用液位开关对密封泄漏情况进行监测。由于封液带压会有微量通过密封泄漏到介质和大气中，因此要选择清洁、干净对工艺介质无影响且不污染环境的润滑液作为封液。

2 改造方案

通过对引起该设备机械密封泄漏原因的分析，提出的如下改造措施。

2.1 机械密封结构改造方案

（1）选用技术成熟的标准串联双端面密封型式，密封符合API 682 标准，特别适合易挥发介质、轻烃化合物等，密封使用寿命长，可靠性高。

（2）补偿型式选用了多弹簧结构，弹力均匀，确保密封面更好的贴合，也使密封在轴向上更加紧凑。同时结构采用了平衡型，适用于较高压力。

（3）介质侧密封芯采用双向承压设计，可以适用于介质压力高于封液压力，也可适用于封液压力高于介质压力，该结构可有效保证密封适应设备运转过程中可能出现的压力波动。

（4）密封型式为双端面串联密封，两套密封芯间密封腔压力高于介质压力，有效保证介质不会泄漏到大气中，提高设备安全性。

2.2 辅助冲洗系统方案

针对该多级泵输送的轻石脑油介质特性，对现场人员安全及环境污染都存在很大的安全隐患，提出改造后采用PLAN 11+53A 冲洗系统的方案，可有效保证介质不会泄漏到大气中，提高设备运转的安全性（图1）。本方案不允许出现输送介质泄漏的情况，通过现场氮气源为封液罐提供压力源，保证封液压力始终高于密封腔压力，阻止密封介质泄漏。同时，采用压力开关对气源压力进行监测，采用高低液位开关对密封泄漏情况进行监测。由于封液带压，会有微量通过密封泄漏到介质和大气中，因此该泵以白油润滑液作为封液。

2.3 密封材料方案

（1）摩擦副材料选用石墨对碳化硅，能很好地应对该工况。

（2）辅助密封材料选择氟橡胶O 形圈。

（3）密封芯金属件材料选用316 不锈钢，弹簧材料选用哈C合金，轴套、端盖、腔体材料选用316 不锈钢。

以上材料均可以满足该泵的工况要求，保证密封的长周期运转。

3 结论

改造后运行状态良好，长周期运行24 个月无异常波动。

上次石脑油输送泵机封改造采用了密封冲洗方案为PLAN74 的双端面带压干气式机械密封，而且两套并联式干气密封共用一套供气系统，导致系统对氮气源要求特别高。同时双支撑多级泵驱动端或非驱动端一端泄漏会对另一端气源压力产生很大影响。本次改造采用PLAN11+53A 的冲洗方案的标准串联双端面密封，以现场氮气源为封液罐提供压力源，同时采用压力开关、高低液位开关对气源压力和密封泄漏情况进行监测，有效地避免了密封泄漏故障。本次机械密封的成功改造，提高了整个装置的安全性，延长了设备的运行周期，降低了检修频次，减少了因频繁检修造成的经济损失，对石化公司创建无污染企业具有积极的作用。同时，它对于同类型机泵在机械密封改造选型方面提供了一定参考，具有一定的推广价值。

图1 Plan11+53A 密封冲洗系统