萬(wàn) 濤，羅偉雄

(海洋石油富島股份有限公司，海南 東方 572600)

60萬(wàn)t/a甲醇裝置(下稱“甲醇一期”)于2006年9月正式建成投產(chǎn)，生產(chǎn)工藝采用德國(guó)魯奇(LURGI)公司中壓甲醇合成技術(shù)，裝置規(guī)模和技術(shù)在建成投產(chǎn)時(shí)期均處于國(guó)際領(lǐng)先水平，投產(chǎn)至今一直處于良好運(yùn)行狀態(tài)，最長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)行周期達(dá)329 d。本著降本增效目的，公司決定對(duì)生產(chǎn)裝置部分設(shè)備的備件實(shí)施國(guó)產(chǎn)化替代。為慎重及確保生產(chǎn)裝置運(yùn)行穩(wěn)定，制定了備件國(guó)產(chǎn)化替代原則：一是核心重要設(shè)備(A類設(shè)備)不進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化(如壓縮機(jī)組等)；二是單機(jī)重要設(shè)備(B類設(shè)備)不建議國(guó)產(chǎn)化(如轉(zhuǎn)化爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)透平等)；三是對(duì)設(shè)有備機(jī)的非關(guān)鍵設(shè)備(C類設(shè)備)且備件采購(gòu)需求大、更換頻率較高的(如骨架油封、機(jī)械密封等)可實(shí)施國(guó)產(chǎn)化。輔助鍋爐供水設(shè)備——中壓鍋爐給水泵共2臺(tái)(位號(hào)為P-14001A/B)，正常情況下為1開(kāi)1備，因此其機(jī)械密封等備件也進(jìn)入國(guó)產(chǎn)化替代清單。但該泵在首次使用國(guó)產(chǎn)化機(jī)械密封替代產(chǎn)品時(shí)就出現(xiàn)了泄漏失效現(xiàn)象，因此本文將就該泵機(jī)械密封的泄漏原因進(jìn)行分析并提出改進(jìn)建議。

1 設(shè)備概況

甲醇一期中壓鍋爐給水泵由Sulzer Pumpen Gmbh公司制造，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，型號(hào)為GSG80-260/11S。其外缸為筒袋臥式結(jié)構(gòu)，內(nèi)缸為徑向垂直式剖分結(jié)構(gòu)；筒體采用鑄造結(jié)構(gòu)，中心支撐；葉輪共有11級(jí)，串聯(lián)式安裝；泵進(jìn)、出口均在上方，驅(qū)動(dòng)側(cè)上方法蘭為介質(zhì)入口，非驅(qū)動(dòng)側(cè)上方法蘭為介質(zhì)出口(見(jiàn)圖1)。轉(zhuǎn)子支撐采用滾動(dòng)軸承，驅(qū)動(dòng)側(cè)為圓柱滾子軸承，非驅(qū)動(dòng)側(cè)面對(duì)面安裝一對(duì)圓錐滾子軸承定位轉(zhuǎn)子軸向位置。軸承的潤(rùn)滑采用甩油潤(rùn)滑，軸端密封采用機(jī)械密封,沖洗方式為API Plan 23。P-14001為輔助鍋爐(B-14000)輸送壓力5.9 MPa、溫度122 ℃的鍋爐給水，生產(chǎn)4.7 MPa(表)、400 ℃的中壓蒸汽供給蒸汽管網(wǎng)。P-14001性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 P-14001主要性能參數(shù)

甲醇一期中壓鍋爐給水泵(P-14001)主要零部件結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 甲醇一期中壓鍋爐給水泵(P-14001)結(jié)構(gòu)示意

2 故障現(xiàn)象

中壓鍋爐給水泵P-14001A從2006年投產(chǎn)運(yùn)行至2019年1月7日進(jìn)行首次解體大修，期間在2017年1月曾因機(jī)械密封有滴漏進(jìn)行中修，更換機(jī)械密封及軸承。P-14001主機(jī)原裝機(jī)械密封為德國(guó)BURGMANN(博格曼)H75F2/75-00L/R型機(jī)械密封(結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2)。

① 靜密封點(diǎn)；② 靜密封點(diǎn)；③ 靜密封點(diǎn)；

在2017年1月中修后，機(jī)械密封運(yùn)行良好，一直未曾發(fā)生泄漏。2019年1月，公司決定對(duì)該泵進(jìn)行預(yù)防性非故障大修，解體檢查葉輪、軸及平衡鼓等零部件的磨損、沖刷情況，并對(duì)原裝機(jī)械密封實(shí)施國(guó)產(chǎn)化替代。替代品采用國(guó)內(nèi)某密封公司對(duì)原裝機(jī)械密封進(jìn)行測(cè)繪后加工的產(chǎn)品。檢修后，排氣灌泵對(duì)新安裝的國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封靜壓試漏，兩端機(jī)械密封靜密封性能良好，均未發(fā)生泄漏，工藝操作人員隨即按程序啟泵試車。隨著轉(zhuǎn)速的增加，泵出口端機(jī)械密封出現(xiàn)由小到大的持續(xù)性泄漏現(xiàn)象(見(jiàn)圖3)，立即停泵檢修并查找原因，未發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封安裝存在問(wèn)題。重新更換另一套新的替代機(jī)械密封備件，仍然出現(xiàn)同樣問(wèn)題，于是對(duì)國(guó)產(chǎn)化替代的集裝式機(jī)械密封進(jìn)行解體檢查，查找泄漏原因。

圖3 泵啟動(dòng)后，機(jī)械密封出現(xiàn)大量連續(xù)泄漏現(xiàn)象

3 原因分析

泄漏是機(jī)械密封失效的主要表現(xiàn)形式。根據(jù)泵啟動(dòng)后觀察到的持續(xù)性泄漏現(xiàn)象，針對(duì)機(jī)械密封的常見(jiàn)泄漏通道進(jìn)行一般性分析，可從以下幾個(gè)方面查找原因。

3.1 靜密封點(diǎn)發(fā)生泄漏

由H75F2/75-00L/R機(jī)械密封結(jié)構(gòu)可知，該結(jié)構(gòu)機(jī)械密封共有4處?kù)o密封點(diǎn)，均使用氟橡膠“O”形圈作為輔助密封圈，阻止介質(zhì)流體沿各連接處間隙發(fā)生泄漏。4處?kù)o密封點(diǎn)分布如圖2 所示。

其中靜密封點(diǎn)①為靜環(huán)與靜環(huán)座間隙；②為動(dòng)環(huán)與軸套間隙；③為靜環(huán)座與密封腔體連接處間隙；④為軸套與軸間隙。根據(jù)廠家所提供的技術(shù)文件， 測(cè)繪加工備件在出廠后做過(guò)2.2 MPa的充氮靜壓試驗(yàn)， 持續(xù)30 min無(wú)泄漏現(xiàn)象發(fā)生；檢修后進(jìn)行排氣灌泵充壓， 手動(dòng)盤(pán)車試漏， 所更換的2套機(jī)械密封備件靜壓狀態(tài)均無(wú)泄漏現(xiàn)象；在泵啟動(dòng)出現(xiàn)大量連續(xù)泄漏情況后，停車解體檢查機(jī)械密封各處?kù)o密封點(diǎn)也都無(wú)泄漏痕跡。由此可排除上述4處?kù)o密封點(diǎn)輔助密封圈密封不嚴(yán)引起泄漏的可能。

3.2 動(dòng)密封點(diǎn)發(fā)生泄漏

動(dòng)密封點(diǎn)是由動(dòng)環(huán)與靜環(huán)所組成的摩擦副之間的間隙(見(jiàn)圖2)。由于動(dòng)、靜環(huán)之間依靠彈性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力和介質(zhì)壓力保持貼合并有相對(duì)滑動(dòng)，故屬于動(dòng)密封點(diǎn)。該點(diǎn)是機(jī)械密封中的主密封，也是決定機(jī)械密封性能和壽命的關(guān)鍵。通常動(dòng)密封點(diǎn)泄漏主要有以下原因：

Ⅰ) 動(dòng)、靜環(huán)密封端面不平，密封面平面度、粗糙度未達(dá)到要求；

Ⅱ) 動(dòng)、靜環(huán)密封端面出現(xiàn)破損或裂紋；

Ⅲ) 動(dòng)、靜環(huán)密封端面間有異物或工藝介質(zhì)臟存在顆粒等雜質(zhì)；

Ⅳ) 轉(zhuǎn)子軸向止推間隙超差，造成轉(zhuǎn)子發(fā)生竄動(dòng)；

Ⅴ) 彈性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)卡澀或補(bǔ)償能力不足造成端面不能很好地貼合；

Ⅶ) 端面比壓不足，造成運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)端面閉合壓力不夠，使密封面打開(kāi)。

針對(duì)上述原因展開(kāi)分析：

1) 廠家提供的技術(shù)文件中給出的動(dòng)、靜環(huán)端面平面度為0.3 μm、表面粗糙度Ra值0.2 μm, 符合JB/T 4127.1—2013第4.1條密封面平面度不大于0.9 μm， 硬質(zhì)材料密封端面粗糙度Ra值不大于0.2 μm， 軟質(zhì)材料密封端面粗糙度Ra值不大于0.4 μm的規(guī)定，且密封出廠靜壓試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)灌泵充壓試漏，均未發(fā)生泄漏，由此可排除原因Ⅰ；

2) 發(fā)生泄漏后，對(duì)集裝式機(jī)械密封解體檢查，未發(fā)現(xiàn)密封面有破損或裂紋，且動(dòng)、靜環(huán)密封端面間潔凈無(wú)雜質(zhì)，由此可排除原因Ⅱ和Ⅲ；

3) 停車后，復(fù)查轉(zhuǎn)子的軸向止推間隙為0.04 mm，在設(shè)計(jì)要求的0.04～0.06 mm范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子軸位移正常，動(dòng)環(huán)座彈簧也完全能夠補(bǔ)償，因此也可排除原因Ⅳ。

4) 對(duì)原因Ⅴ和Ⅵ展開(kāi)分析，發(fā)現(xiàn)存在以下3點(diǎn)異常：

a) P-14001機(jī)械密封結(jié)構(gòu)為內(nèi)裝內(nèi)流型多彈簧結(jié)構(gòu)，解體檢查發(fā)生泄漏的機(jī)械密封彈性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其活動(dòng)流暢，無(wú)卡澀現(xiàn)象，但對(duì)比原裝機(jī)械密封彈性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，二者在結(jié)構(gòu)上存在明顯差異。原裝機(jī)械密封彈性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)為壓縮彈簧與導(dǎo)向套組合的結(jié)構(gòu)。導(dǎo)向套可對(duì)彈簧起支撐作用，防止彈簧受壓時(shí)發(fā)生彎曲變形，同時(shí)還有固定彈簧的作用，防止彈簧在旋轉(zhuǎn)過(guò)程產(chǎn)生顫動(dòng)，造成動(dòng)環(huán)不穩(wěn)定。而替代機(jī)械密封結(jié)構(gòu)只有壓縮彈簧，未設(shè)置導(dǎo)向套(見(jiàn)圖4)，且二者彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)存在差異(見(jiàn)表2)。

表2 壓縮彈簧參數(shù)比較

b) 機(jī)械密封與替代機(jī)械密封摩擦副使用材料一致，均采用石墨-碳化硅組合，但動(dòng)環(huán)(補(bǔ)償環(huán))密封面寬度存在差異，原裝機(jī)械密封動(dòng)環(huán)寬度為3 mm，測(cè)繪加工備件為4 mm，且補(bǔ)償環(huán)壓縮量也不盡相同，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

c) 摩擦痕跡可以直觀地反映出摩擦副的運(yùn)動(dòng)軌跡和磨損情況。圖5所示的機(jī)械密封動(dòng)環(huán)(補(bǔ)償環(huán))端面摩擦痕跡斷斷續(xù)續(xù)，未能連接成完整密封線，說(shuō)明每一次轉(zhuǎn)動(dòng)中，補(bǔ)償環(huán)都有軸向位移和徑向偏擺，從而導(dǎo)致密封面開(kāi)啟，出現(xiàn)連續(xù)泄漏現(xiàn)象。由此可以確定，密封端面貼合不嚴(yán)密為引起泄漏的主要原因。

表3 原裝機(jī)械密封與替代機(jī)械密封摩擦副參數(shù)對(duì)比

圖5 環(huán)端面磨痕不連續(xù)

3.3 彈簧比壓與端面比壓

H75F2/75-00L/R型機(jī)械密封補(bǔ)償環(huán)受力示意見(jiàn)圖6。

圖6 75F2/75-00L/R機(jī)械密封補(bǔ)償環(huán)受力示意

3.3.1 計(jì)算彈簧比壓

彈簧比壓Ps是單位密封面上的彈性力，其作用是當(dāng)介質(zhì)壓力很小或者波動(dòng)時(shí)，仍能維持一定的端面比壓使密封面貼緊，保持密封作用【1】。

根據(jù)GB/T 33509—2017【2】式(3)可計(jì)算得出機(jī)械密封彈簧比壓Ps，即:

式中：Ps——彈簧比壓，MPa；

Fs——彈性元件總彈力，N；

A——密封端面面積，mm2。

1) 計(jì)算彈性元件總彈力Fs

根據(jù)GB/T 23935—2009【3】式(2)可計(jì)算得出彈性元件總彈力Fs，即：

式中：G——材料切變模量，無(wú)量綱；

f——彈簧變形量，此處計(jì)算取機(jī)械密封工作狀態(tài)壓縮量，mm。

已知原裝機(jī)械密封與替代機(jī)械密封彈性元件材質(zhì)均為不銹鋼絲，查GB/T 23935—2009附錄A表A.1可知，對(duì)于彈簧用不銹鋼絲，切變模量為：

G=73×103

以公式中的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)表示原裝機(jī)械密封，帶上標(biāo)“′”的符號(hào)表示國(guó)產(chǎn)化替代機(jī)械密封(下同)，根據(jù)表2和表3的已知條件有

2) 計(jì)算密封端面面積A

式中：D1——補(bǔ)償環(huán)內(nèi)徑，mm；

D2——補(bǔ)償環(huán)外徑，mm。

根據(jù)表3已知條件有

綜上可求得兩機(jī)械密封彈簧比壓分別為：

機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)【4】表10-3-26對(duì)于機(jī)械密封彈簧比壓Ps的選擇見(jiàn)表4。

表4 機(jī)械密封彈簧比壓Ps選擇規(guī)定

機(jī)械密封端面平均線速度v按下式計(jì)算：

式中：v——機(jī)械密封端面平均線速度，m/s；

Dm——密封環(huán)端面平均直徑，mm,

Dm=D2+D1/2；

N——密封軸轉(zhuǎn)速，r/min。

由表1可知，N=2 985 r/min，根據(jù)表3已知條件計(jì)算可得：

v≈v′≈12.7 m/s

3.3.2 端面比壓的計(jì)算

端面比壓Pc是指作用在密封端面單位面積上凈剩的閉合力，其作用是使端面良好地貼合，避免工作中密封面開(kāi)啟，保證密封工作的穩(wěn)定性【1】。

可根據(jù)GB/T 33509—2017式(4)計(jì)算得到機(jī)械密封端面比壓Pc:

Pc=(B-λ)ΔP+Ps

式中：Pc——機(jī)械密封端面比壓，MPa；

B——平衡系數(shù)，無(wú)量綱；

λ——反壓系數(shù)，無(wú)量綱；

ΔP——密封端面內(nèi)、外徑之間壓差，MPa。

1) 計(jì)算平衡系數(shù)B

查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表10-3-27可知：

將表3已知條件代入上式可得：

2) 計(jì)算反壓系數(shù)λ

由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表10-3-27可知:

將表3數(shù)據(jù)代入上式可得：

λ=λ′=0.5

3) 計(jì)算密封端面內(nèi)、外徑之間壓差ΔP

由圖6可知，機(jī)械密封端面內(nèi)徑處壓力即為密封腔內(nèi)介質(zhì)壓力PL。正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，輸送介質(zhì)都被密封在摩擦端面內(nèi)，此時(shí)機(jī)械密封外徑處壓力即為環(huán)境壓力(等于0)。因此密封端面內(nèi)、外徑之間壓差ΔP=PL。已知機(jī)械密封出廠靜壓試驗(yàn)壓力P試為2.2 MPa。 GB/T 14211—2010【5】第4.2條規(guī)定機(jī)械密封靜壓試驗(yàn)壓力為產(chǎn)品最高使用壓力的1.25倍。由此可以得到密封腔體內(nèi)介質(zhì)壓力

式中：PL——密封腔介質(zhì)壓力，MPa。

綜上，可得出兩機(jī)械密封端面比壓

Pc=(0.79-0.5)×1.76+0.15

=0.66 MPa

=0.42 MPa

3.3.3 小結(jié)

由上述一系列分析計(jì)算結(jié)果可得出如下結(jié)論：

1) 上述計(jì)算結(jié)果顯示：國(guó)產(chǎn)化替代機(jī)械密封彈簧相比原裝進(jìn)口彈簧性能較差，提供的彈簧比壓低于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值；同時(shí)在未經(jīng)計(jì)算校核的情況下增大了補(bǔ)償環(huán)密封面寬度，造成端面比壓低于原裝機(jī)械密封設(shè)定值。結(jié)合泄漏后機(jī)械密封補(bǔ)償環(huán)端面出現(xiàn)的斷續(xù)狀摩擦痕跡分析表明，替代機(jī)械密封摩擦副端面比壓達(dá)不到始終保證動(dòng)、靜密封面貼合并相對(duì)滑動(dòng)的基本條件，導(dǎo)致機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)密封面打開(kāi)發(fā)生泄漏。

2) 除了端面比壓不足因素的影響外，與原裝機(jī)械密封對(duì)比顯示，國(guó)產(chǎn)化替代機(jī)械密封彈性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈簧沒(méi)有安裝導(dǎo)向套，使得密封腔內(nèi)支撐補(bǔ)償環(huán)的多彈簧結(jié)構(gòu)在受力壓縮時(shí)，因方向不統(tǒng)一而出現(xiàn)彎曲變形，導(dǎo)致補(bǔ)償環(huán)密封平面產(chǎn)生偏斜。在泵啟動(dòng)后的高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，補(bǔ)償環(huán)也就難以同與轉(zhuǎn)子軸線垂直的平面保持相對(duì)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，補(bǔ)償環(huán)都有產(chǎn)生徑向偏擺或軸向位移的趨勢(shì)，因此出現(xiàn)圖5所示的斷斷續(xù)續(xù)的偏磨痕跡，引起密封流體泄漏。

4 處理措施

經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證， 確定P-14001A泵機(jī)械密封備件質(zhì)量不合格。因工藝裝備管理規(guī)定不允許中壓鍋爐給水泵長(zhǎng)時(shí)間處于無(wú)備機(jī)運(yùn)行狀態(tài)， 一但運(yùn)行泵因故跳車， 生產(chǎn)裝置將因此停車， 造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失， 因此， 鑒于本次檢修屬預(yù)防性非故障維修， 且原裝機(jī)械密封運(yùn)行狀況良好， 未出現(xiàn)泄漏， 經(jīng)評(píng)估決定， 對(duì)原裝機(jī)械密封進(jìn)行清洗處理， 并更換全部輔助密封圈后回裝(輔助密封圈從國(guó)產(chǎn)化替代機(jī)械密封備件上取得)。國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封則返廠重新進(jìn)行修復(fù)調(diào)試， 檢測(cè)合格后擇機(jī)再進(jìn)行試裝。原裝機(jī)械密封回裝后運(yùn)行狀況良好， 這同時(shí)也證明國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封輔助密封圈是可靠的。

5 改進(jìn)建議

進(jìn)口機(jī)械密封實(shí)施國(guó)產(chǎn)化替代, 采用直接測(cè)繪原密封尺寸加工生產(chǎn)的方法， 生產(chǎn)廠家應(yīng)嚴(yán)格按照原裝零部件設(shè)計(jì)尺寸、 結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工制造， 在無(wú)理論依據(jù)且未經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的情況下， 不可隨意更改零部件尺寸參數(shù)以及調(diào)整結(jié)構(gòu)。新生產(chǎn)的機(jī)械密封應(yīng)根據(jù)實(shí)際加工情況對(duì)彈簧比壓、 端面比壓等重要參數(shù)對(duì)比原裝產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)算、 校核； 在最終完成裝配后， 應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行GB/T 14211第3.2.4.2條規(guī)定， 即用做過(guò)靜壓試驗(yàn)的機(jī)械密封做不少于5 h運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)， 每隔1 h記錄一次試驗(yàn)壓力、 溫度、 轉(zhuǎn)速、 泄漏量和功率消耗。確定各參數(shù)合格后在集裝密封上粘貼“運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)合格”字樣標(biāo)簽， 注明試驗(yàn)日期和檢驗(yàn)人員姓名， 方可出廠， 以保證機(jī)械密封在與主機(jī)配套應(yīng)用時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)大量案例實(shí)際驗(yàn)證， 國(guó)產(chǎn)密封件在密封質(zhì)量和使用壽命方面仍與國(guó)際先進(jìn)水平存在差距， 無(wú)法滿足引進(jìn)的先進(jìn)技術(shù)制造的主機(jī)裝備的配套需要， 如機(jī)械密封， 美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 682(即當(dāng)前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 21049)規(guī)定應(yīng)能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)25 000 h，而國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定僅為4 000～8 000 h。因此， 生產(chǎn)企業(yè)想要以裝備國(guó)產(chǎn)化替代的方式降低備件采購(gòu)成本， 獲取直接的經(jīng)濟(jì)效益， 首要的立足點(diǎn)應(yīng)是裝備供應(yīng)商具備成熟的技術(shù)條件， 提供的產(chǎn)品具備良好的可靠性， 能夠滿足現(xiàn)代化工生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行的特質(zhì)要求。在低價(jià)與產(chǎn)品質(zhì)量的權(quán)衡上， 絕不能以犧牲裝備質(zhì)量的方式來(lái)獲取短期的效益增長(zhǎng)。