乙氧基化装置泵用机械密封长周期运行技术探讨

王明都

（江苏斯尔邦石化有限公司， 江苏 连云港 222000）

机械密封（简称机封）是一种精度较高的密封装置，具有性能可靠、泄漏量少、使用寿命长、功耗低、运行周期长等特点。但机封装置泄漏问题已成为影响其整体性能的关键，失效故障包括动静环之间密封失效、密封端盖与泵体之间密封失效、轴套与轴间之间密封失效等。通常机封失效和损坏的主要原因，一是工艺及生产问题；二是机封设计与实际工况不符，即选型问题；三是质量问题，即材质不达标。因此，结合乙氧基化行业设备运行工况特点，分析机封应用失效、损坏的原因，制定相应的优化措施，以期达到长周期运行的目的。

1 设备概况

1.1 行业描述

乙氧基化行业装置（EOD）泵的配置按照工艺单元分类可分为：预处理泵、反应循环泵、后处理泵、中间泵、真空泵、洗涤泵和成品输送泵等。该泵为单级双吸离心泵。装置一般由三条生产线构成，每条生产线的设备都可以独立运行，可高效、高质量地完成包括烷氧基、表面活性剂、减水剂单体等在内的化工产品生产作业任务。

1.2 设备描述

在乙氧基化工艺五代专利设计中，泵的选型通有单级卧式离心泵、齿轮泵、液环泵等多种，泵用机封均为集装式，按冲洗方案可分为PLAN11、21、41、52、53A、53B式，且多为进口机封；机封常见问题主要有：失效内泄漏和外泄漏，如53A和53B机封罐不保压，易联锁停车；密封端面局部裂纹、密封端面磨损严重等。

例如：装置反应单元的循环泵，机械密封运行时介质端密封就微漏，有时压力瞬间掉压0.2MPa，触发连锁停车，整个反应周期6h内停机高达10次以上，须停泵检修，平均每台泵两月更换机封一套。经统计仅机封首年费用高达800万元以上，是正常值的五倍。

2 泵机械密封失效原因分析

2.1.1 机械密封系统工况参数（反应系统）

表1 机械密封系统工况参数

2.1.2 改造前机封压力曲线图

反应系统泵的机封运行曲线如图1所示。由图1可知，在起始阶段正常，到了第二阶段聚合向熟化阶段过渡时，机封就开始内漏，缓慢或快速地泄漏。

2.1.3 机械密封系统简介

目前，运用较多的是大循环泵机械密封装置，其结构主要采用双端面靠背方式进行设计，包括由碳化硅（SiC）构成的动环结构和由石墨构成的静环结构，其结构示意图如图2所示。另外，该装置中的第一套动/静辅助密封圈主要是聚四氟乙烯（PTFE）材料，第二套动/静辅助密封圈主要是氟橡胶和聚四氟乙烯（PTFE）组成，设备中的其他关键部件材料则主要以不锈钢材料为主。

针对机封辅助密封系统的压力维持问题，主要通过系统内部的储能装置提供电源和给循环系统提供压力，外部的管道系统为外侧密封提供液体，内部的输送泵提供液体的流动动力等不同环节的相互配合完成。设备所产生的残余热量通过内部的水冷却交换器进行去除。此密封系统有效地防止了输送的高温、脏污、腐蚀或易聚合性等介质气体排放至大气中，解决了大气污染问题。

2.2 机械密封内漏原因分析

综合机封的设计、介质特性、工况特点、操作和拆检等方面，总结出机封应用失效泄漏和损坏的五个方面的原因：

2.2.1 工艺介质的原因

从泵与反应器的构造可以看出，泵入口与反应器底部较近，约为4m，反应过程中的起始剂与环氧反应不完全，部分气液混合沫状介质进入泵送系统，导致泵近似“气蚀”状态；该泵输送的过饱和溶液，随着温度的变化，极易发生结晶现象，粘附于机封密封环和密封圏处，生产间隔期由于伴热不足而凝固，造成起泵时机封密封环面平衡破坏，发生泄漏和损坏。

图1 反应系统泵的机封运行曲线

图2 大循环泵机械密封装置结构示意图

图3 辅助密封系统压力维持原理图

2.2.2 运行工况的原因

以反应单元为例进行分析。在反应单元中，泵主要采用间歇式进行运转操作，存在经常启停的连续切换问题，一旦泵停机后，内部介质的运行温度随之降低，这将使其内部附着在密封副表面的液膜出现逐渐硬化并最终发生结晶现象，导致了密封液膜出现不均匀分布，严重影响了液膜的密封性能。由于密封液为正压，密封液就会缓慢漏入介质中，平均2～4h补充一次密封液。当压力掉至接近报警压力值附近时，有时瞬间大幅掉压0.2MPa，还会触发1.0MPa压力报警，造成停车。

装置生产过程经历三个过程：预处理，反应，后处理、成品输送；由图1所示，反应单元可以分为四个阶段：起始、聚合、熟化、中和；期间反应器的液位、介质黏度、液体流量、液体温度、泵的转速等参数均发生着较大的不规则变化，这些是打破机封平衡造成失效的主要因素；如O型密封圈材质为氟橡胶，抗溶胀能力比较差，工艺熟化后温度骤降，密封圈收缩导致此点失效泄漏。

2.2.3 机封设计的因素

端面比压与机械密封端面之间存在着较为密切的关系。经拆卸发现，多数动静环密封面无损伤现象，在端面比压过小的情况下，机械密封仅表现出泄漏失效的问题.因而机械密封形式、摩擦状态成为端面比压的主要影响因素。

经拆卸发现，多数动静环密封面无损伤现象，而密封不严出现泄漏是在端面比压过小的情况下经常出现的问题，另外，密封件的磨损严重也是影响端面比压的关键因素。加强对密封形式及密封件磨损情况的控制至关重要。

弹簧作为机械密封中的关键部件，在设备中主要起到零件的缓冲和快速补偿作用，由于部分弹簧的弹性会随着温度的升高而降低，选用性能稳定、弹性较好的弹簧，避免温度及外界作用力对其产生较大影响，是选择弹簧零件时重点考虑的因素。由此，可减小因弹簧的性能降低而产生的密闭性降低的现象发生。

O型密封圈材质的影响，在高温高压工况下，材质的选择应具有较好抗溶胀能力，此是机封失效、寿命短的主要因素。

2.2.4 检修安装原因

在安装环境，影响机械密封性能的因素相对较多。如在密封件安装过程中，由于施加了较大的安装压力，导致其密封件的压缩量相对较大，端面的摩擦副端面也会因压力过大而出现磨损严重问题，这将严重影响密封件的密闭性能。同时，密封圈与轴套之间的配合过紧、密封圈无法实现自由窜动调整等问题，也会造成泄漏。另外，动环的轴向窜动、静环的脱落等也将使密封件出现泄漏问题。

另外在泵检修时，随着工艺伴热的解除，粘附于机封密封环面的介质，凝固于表面形成静粘合力，造成盘车和拆解时零件发生损坏。

3 机械密封优化措施

3.1 校核端面比压

为节约费用，联合国内某知名机封厂家，实行机封国产化改造，经过对拆卸机封密封面分析，发现端面比压过小，根据输送介质特性和各项参数值，合理计算弹簧力，加大机封端面比压。

改造后的机封内部结构图如图4所示，改变以前中部有固定座为现在的多弹簧浮动状态，增加了弹簧的补偿力。

图4 改造后的机封内部结构图

3.2 升级密封材质

综如上述，可对密封件的材质进行优化改进。在整个密封圈改进设计中，主要将O型密封圈的材质改为具有较强耐热性和抗化学特性的全氟化橡胶（FFPM）。由于碳化硅具有较强的耐腐蚀性、耐磨性及较高硬度，能有效解决橡胶静环存在的不足问题，故可将静环的材质改为碳化硅材料；动环改为浸树脂石墨，具有良好的耐高温性、润滑性和可塑性；聚四氟乙烯具有较强的化学稳定性及自润滑性，可满足挡环的密封性能要求。

3.3 做好启动前准备

4 机械密封改造后效果与业绩

泵在启动前，需对其各项性能进行全面检查，包括冷却系统是否运行正常、密封件安装是否到位、物料管线连接是否稳定、管路是否清洁等方面，减少非必要的外界因素对泵的正常运行构成影响。同时，针对手动泵的运行情况及安装尺寸进行启动前检查，保证其能正常启动及合理安装。另外，需对泵进行静压试验，全面对密封端面、密封处、封盖处等部位具有较好的密闭性，保证整个密封腔内具有充足的液体。

4.1 在设备改造前，只要泵一运行，机封就开始微漏密封液，每反应一釜物料需4h，密封液就要2～4h添加一次；改造后，密封液添加只需每3月一次，完全满足生产所需。

4.2 改造后的机封使用周期提升至2年以上，单套价格降低80%，全年节省成本达500万元以上。

4.3 机封国产化后压力曲线见图5，从起始阶段到中和阶段一直保持压力恒定不变。

5 结语

依据行业内装置工艺运行工况特点，深入实践找出机封失效和损坏的原因并针对其采取措施，是保证机械密封正常使用的基本条件。通过对机械密封的端面比压重新设计、密封材质更换和安装及操作方式优化，从根本上解决了机封内漏给生产造成的影响，保证乙氧基化装置泵用机械密封长周期运行，为企业节约了大量生产成本。

图5 机封国产化后压力曲线图