邵合生，陳凱

（中國石油獨(dú)山子石化分公司設(shè)備檢修公司煉油鉗工車間，新疆 獨(dú)山子 833699）

獨(dú)山子石化公司煉油廠100 萬噸/年蠟油加氫P-1002A/B是臥式高速泵，該泵一開一備，泵型號(hào)：GSB-Q-20/1131；介質(zhì)為脫鹽水，入口介質(zhì)溫度為65℃，入口壓力0.9MPa,出口壓力12MPa；泵轉(zhuǎn)速為19600 轉(zhuǎn)/分；流量。泵生產(chǎn)廠家是浙江天德泵業(yè)有限公司，2016 年10 月投運(yùn)。

該泵為高壓注水泵，是煉油廠級(jí)關(guān)鍵機(jī)泵之一，其運(yùn)行周期直接影響蠟油加氫裝置的安、穩(wěn)、長運(yùn)行。在裝置開工初期，為了節(jié)能降耗，該泵引入介質(zhì)為塔頂回流水，回流水介質(zhì)中含有碳粉顆粒，造成密封泄漏現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。2017 年1 月，為了消除介質(zhì)中含雜質(zhì)對(duì)密封的影響，將引入介質(zhì)改為無鹽水，該泵密封運(yùn)行周期沒有明顯延長，平均運(yùn)行周期不到兩個(gè)月，2018 年6 月，該泵密封消耗的周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于密封的采購周期，開始出現(xiàn)密封泄漏無配件及時(shí)更換的情況，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的正常運(yùn)行。因此，對(duì)該泵密封泄漏原因分析，進(jìn)而提出密封改造方案，對(duì)提高機(jī)泵運(yùn)行周期，保證裝置安、穩(wěn)、長運(yùn)行具有十分重要的意義。

1 密封布置結(jié)構(gòu)

該泵機(jī)械密封布置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。泵內(nèi)有兩套機(jī)械密封，一套在泵介質(zhì)端為主密封(下文統(tǒng)稱機(jī)械密封)起密封介質(zhì)作用，使用機(jī)械密封型號(hào)為：丹東克隆DTM-40B(1)X/UTF88-F，沖洗方案為PLAN11。

圖1 密封布置結(jié)構(gòu)圖

油側(cè)機(jī)械密封（下文統(tǒng)稱油機(jī)封），密封型號(hào)為DTM-40B(1)X/USV88/P，油機(jī)械密封主要用于對(duì)增速箱內(nèi)部齒輪油進(jìn)行密封，也為單端面密封。油機(jī)封和機(jī)械密封之間輔助一個(gè)齒式迷宮密封，是油機(jī)封的輔助密封。當(dāng)機(jī)械密封泄漏時(shí)，泄漏的介質(zhì)通過機(jī)械密封和迷宮密封之間的預(yù)留排污孔排出。

2 故障現(xiàn)象

自2016 年10 月高速泵安裝投運(yùn)到2019 年2 月，A、B 泵共更換機(jī)械密封12 套，平均運(yùn)行周期不到兩個(gè)月。故障現(xiàn)象也都十分類似：密封安裝后運(yùn)行一周左右開始出現(xiàn)泄漏，泄漏量隨著運(yùn)行時(shí)間逐漸增大，運(yùn)行周期到兩個(gè)月時(shí)，密封幾乎完全失效。拆檢密封發(fā)現(xiàn)密封動(dòng)環(huán)有環(huán)狀摩擦痕跡，嚴(yán)重時(shí)有深槽磨出。靜環(huán)環(huán)面磨損均勻，最大時(shí)磨損量達(dá)1mm。檢查沖洗線暢通。測(cè)量泵軸跳動(dòng)值為0.01mm，泵軸跳動(dòng)符合要求。彈性元件及靜密封圈檢查均正常，靜環(huán)浮動(dòng)靈活（圖2）。

圖2 動(dòng)靜環(huán)磨損圖

3 原因分析

從密封的故障現(xiàn)象看，該泵密封泄漏主要是因?yàn)槊芊鈩?dòng)靜環(huán)端面快速磨損導(dǎo)致機(jī)械密封失效。而導(dǎo)致密封面快速磨損的原因主要由以下兩種：

（1）介質(zhì)中含有顆粒物較多，顆粒物進(jìn)入密封端面后破壞端面液膜造成干摩擦，導(dǎo)致密封磨損失效。從拆檢的情況看，塔頂回流水中有一定的固體顆粒物；更換介質(zhì)為無鹽水后，密封運(yùn)行周期未有明顯改善，密封上仍然附著一層紅銹，證明至少在管路系統(tǒng)內(nèi)還存在顆粒物。

（2）密封端面變形破壞端面液膜，造成干摩擦，導(dǎo)致密封磨損失效。DTM-40B(1)X/UTF88 密封為單端面靜止平衡式密封。從密封結(jié)構(gòu)分析，這是一種傳統(tǒng)經(jīng)典的高速泵密封結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)傳動(dòng)可靠、加工方便，但也有一定的缺陷。動(dòng)環(huán)直接受葉輪背帽鎖緊夾緊力作用，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、發(fā)生變形，當(dāng)密封環(huán)接觸面表面平面度因變形影響超過一定限度時(shí)就會(huì)破壞液膜，密封端面就會(huì)發(fā)生滲漏，甚至造成端面干摩擦。

此外，該泵轉(zhuǎn)速19600 轉(zhuǎn)/分，使密封端面液膜破壞時(shí)，容易產(chǎn)生快速升溫；介質(zhì)為65℃的無鹽水，沖洗方案為PLAN11，該方案沒有外沖洗冷卻，密封腔內(nèi)部分液體回流到入口處，帶走部分熱量，冷卻效果較差。該密封結(jié)構(gòu)為保證動(dòng)環(huán)同心度，動(dòng)環(huán)的內(nèi)徑與軸間隙很小。當(dāng)密封沖洗散熱效果不好時(shí)，溫升隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和轉(zhuǎn)速升高，甚至超過允許的范圍。由于熱膨脹系數(shù)的差異，軸受熱膨脹后會(huì)對(duì)動(dòng)環(huán)產(chǎn)生由內(nèi)向外擠壓，造成動(dòng)環(huán)的變形，密封環(huán)接觸面表面平面度因變形，從而破壞密封端面液膜。

4 改造方案

在過去一年多時(shí)間里，我們和密封廠家嘗試將密封靜環(huán)環(huán)面改窄，將小彈簧數(shù)量由8 個(gè)減少到6 個(gè)，以不改變端面比壓（通過計(jì)算端面比壓0.45MPa 符合要求）的情況下減小密封接觸面積，減小熱量的產(chǎn)生以及提升密封材質(zhì)等辦法，均未產(chǎn)生較好的效果。在經(jīng)過對(duì)高速泵密封失效的原因認(rèn)真分析后，我們總結(jié)要延長密封運(yùn)行周期，必須克服動(dòng)環(huán)應(yīng)力變形或高速旋轉(zhuǎn)后受熱變形的影響和介質(zhì)中雜質(zhì)顆粒進(jìn)入密封面的影響。查閱資料，咨詢廠家，通過干氣密封工作原理研究的啟發(fā)，最終我們打破常規(guī)，提出了非接觸式機(jī)械密封改造：機(jī)械密封如果是非接觸式密封，工作過程中動(dòng)靜環(huán)端面不發(fā)生接觸，就會(huì)很大程度降低動(dòng)環(huán)受應(yīng)力變形及密封環(huán)積聚熱量變形的可能。我們只需在設(shè)計(jì)非接觸式密封時(shí)，同時(shí)考慮介質(zhì)中的雜質(zhì)顆粒即可。

通過在查閱資料，早在1984 年，人們就開始對(duì)非接觸式機(jī)械密封進(jìn)行研究，其中干氣密封在機(jī)泵和壓縮機(jī)上應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。由于液體介質(zhì)較干氣而言，形成液膜潤滑的條件比較復(fù)雜，所以液體介質(zhì)非接觸式密封的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于氣相密封。但隨著科技進(jìn)步，工業(yè)的發(fā)展，液相非接觸式機(jī)械密封的需求越來越大，目前，上游泵送式機(jī)械密封是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

通過篩選我們選定介質(zhì)側(cè)采用雙螺旋淺槽液相非接觸式動(dòng)環(huán)，靜環(huán)仍采用采用浸油石磨環(huán)。動(dòng)環(huán)端面結(jié)構(gòu)如圖3 所示。當(dāng)機(jī)泵運(yùn)行時(shí)，密封環(huán)如圖中旋轉(zhuǎn)，內(nèi)側(cè)旋槽將外側(cè)腔室內(nèi)潔凈無鹽水（引入過濾后的無鹽水）泵入，增強(qiáng)密封端面潤滑性能，同時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定的開啟力，使動(dòng)靜環(huán)面分離形成間隙；外側(cè)螺旋槽則將通過間隙的少量潔凈介質(zhì)緩慢泵向高壓側(cè)（介質(zhì)側(cè)），實(shí)現(xiàn)零泄漏的同時(shí)防止介質(zhì)內(nèi)的雜質(zhì)顆粒進(jìn)入密封端面。

圖3 介質(zhì)側(cè)動(dòng)環(huán)模型

圖4 外側(cè)密封動(dòng)環(huán)

我們將圖1 中機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)改造為圖3 所示螺旋槽動(dòng)環(huán)，將迷宮油封拆除，更換為單旋槽上游泵送式機(jī)械密封（以下稱外側(cè)機(jī)封）如圖4 所示，使機(jī)械密封與外機(jī)封形成一個(gè)腔體，機(jī)械密封與外機(jī)封間的排污孔引入潔凈無鹽水，上端打開一個(gè)預(yù)留孔接壓力表，就形成了我們改造后密封布置結(jié)構(gòu)如圖5 所示。外側(cè)密封與油機(jī)封之間打開一個(gè)排污觀察孔，用以觀察油機(jī)封或者外側(cè)機(jī)封泄漏。

圖5 改造后密封布置圖

外側(cè)機(jī)封的動(dòng)環(huán)螺旋槽開槽在動(dòng)環(huán)面內(nèi)，在正常工作時(shí)不起作用，相當(dāng)于一對(duì)普通的摩擦副。當(dāng)密封出現(xiàn)泄漏時(shí)，泄漏的介質(zhì)先進(jìn)入動(dòng)環(huán)槽內(nèi)，形成穩(wěn)定的動(dòng)靜環(huán)開啟壓力，使動(dòng)靜環(huán)面分離，同時(shí)壩區(qū)因泵高速旋轉(zhuǎn)形成的高壓將介質(zhì)泵送回上游，從而達(dá)到零泄漏的目的。

5 結(jié)語

我們將方案提交廠家，廠家通過計(jì)算機(jī)建模優(yōu)化，密封試驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，最終完成上述改造，2019 年3 月，高速泵密封改造完成，目前已連續(xù)運(yùn)行3 個(gè)多月，密封為發(fā)生泄漏。通過此次密封改造，我們對(duì)液相非接觸式機(jī)械密封有了深入了解，為后續(xù)類似密封改造提供了依據(jù)。目前生產(chǎn)車間已將純無鹽水介質(zhì)改為無鹽水+塔頂回流水，機(jī)封狀況良好，機(jī)泵運(yùn)行平穩(wěn)。以一方無鹽水25 元計(jì)算，單節(jié)水一項(xiàng)，每年將節(jié)約成本3×24×365×25=657000 元，為裝置節(jié)能減排，增創(chuàng)效益提供了有力保障。

非接觸式機(jī)械密封作為依靠流體的動(dòng)靜壓效應(yīng)，來提高密封壽命的設(shè)計(jì)理念在壓縮機(jī)、機(jī)泵干氣密封領(lǐng)域得到了良好的應(yīng)用。我們?yōu)榻鉀Q高速泵密封快速磨損失效問題，嘗試開淺槽的端面密封，充分利用了高速條件下泵送效應(yīng)及流體動(dòng)壓效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)端面間的非接觸，極大地延長了密封的工作壽命。