丙烯输送泵机械密

丙烯输送泵机械密封失效原因分析及改进
摘要：通过对油品丙烯输送泵机械密封使用情况的跟踪和性能参数的验算，对其失效的
原因进行分析，得出温度过高，造成液膜相态不稳定是密封泄漏的主要原因，并相应采取适当减小端面比压、改善冷却和封液循环等措施，以降低密封端面温度，从而使密封性能和使用寿命均得到了较大的提高。

关键词：机械密封液膜相态稳定性改进
1前言
油品B424、B425是与镇海炼化公司20万吨/年聚丙烯装置配套的丙烯长输泵，这两台泵于2003年6月份安装完毕后，泵厂家来人进行调试，在调试过程中，机械密封运行一直不正常，特别是外侧封油端密封，格兰温度高达80℃，最后引起密封泄漏和损坏，泵根本无法正常运行。

虽然厂家曾对泵进行多次拆装，并对压缩量进行调整，但问题一直没有得到解决。

为此，公司要求我们提前接管，并即刻进行技术攻关，以确保后续装置的正常开工和安全、可靠地运行！
2 问题的提出
这两台丙烯输送泵是由大连化工耐腐蚀泵厂制造的DDMC80BⅡ×6型立式泵，其性能
在实际工况中，进、出口压力分别为：1.3Mpa、2.9 Mpa，入口介质温度为≯30℃。

使用的机械密封为大连博格曼有限公司生产的H75S2-65/H75F-58型多弹簧平衡型串联机械密封，主密封由一级叶轮出口引入自冲洗，辅助密封带封液循环冷却罐。

该泵在安装后调试过程中，刚开始密封无泄漏，但运行不到2小时，格兰温度逐渐上升到80℃左右，密封腔内也不时地发出“噼啪、噼啪”声（明显是汽化发出的声响），随之密封产生了泄漏。

后来厂家对密封的压缩量进行调整，但密封的连续运行时间也只能达到8小时左右。

密封过短的寿命和严重泄漏，该泵根本无法正常运行，这不但给生产带来了安全隐患，同时泄漏的丙烯造成了环境的污染。

3 密封失效原因分析
从现场的跟踪情况来看，当密封格兰温度逐渐上升到60℃左右，密封就开始产生泄漏，并且封液罐的排气口冒气时大时小，基本上与密封腔内不时地发出“噼啪、噼啪”声同步。

从拆检的密封端面情况来看，密封的动环面已经明显磨损，静环面上有许多白点和彗星状纹理。

种种迹象表明密封在一定的温度下产生汽化失效。

从密封的机理上分析，机械密封摩擦副端面的液膜相态随着温度、压力、冷却条件而变化，但只有工作在全液相和全气相下工作较稳定（全气相的工况下，除非是专门设计的气相密封，要求特别高，一般不可能选用）；似液相下工作似稳定，但可能随着操作条件的变化而转变为似气相甚至全气相；似气相下工作不稳定，因为只要温度、压力或冷却条件稍有变化，就可能转变为似液相或全气相工作状态。

可见在似液相和似气相工作状态下都可能会产生汽化失效。

另外就丙烯介质的特性来说，丙烯易汽化，同时吸收大量的热量，使密封面周围结冰，从而加快密封面的磨损失效。

3.1主密封端面膜相的确定
注：t E —密封面出口处温度℃；t I —密封面入口处温度℃；t F —密封端面处温度℃；
t ba —常压沸点℃；t b —沸点℃。

另外，丙烯常压下的沸点t ba 为-53℃，显然密封面出口处温度t E ＞t ba ，密封腔压力
为1.6MPa ，其对应的沸点t b 为40℃ ，即t I ＜t b ；可见该密封液膜相态为似液相或似气
相，关键就看密封端面处温度t F 的值。

下面我们通过计算来确定：
已知：动、静环材料均为碳化硅；密封面外直径D 2=75mm ；密封面内直径D 1=69mm ；
平衡直径D B =70mm ；密封面宽度f b =3mm ；则
平衡比：84.069757075222
22122222≈--=--=D D D D B B 另外，根据迈尔方法，当密封端面摩擦热沿密封环轴向传递时，密封端面的温升可表示为：
()[]S R w f g f C Vb fP t λλ+=∆
式中：f —端面摩擦系数为0.02；
λR 、λS —分别为动、静环材料的导热系数为150W/（m.k ）；
Cw —散热系数，它与冷却液体和工作条件有关，这里取0.6；
Pg —密封面比载荷，N/m 2;
V —均径转速，m/s ；
其中，544.16.184.02.0=⨯+=+=S sp g BP P P MPa
式中：Psp —弹簧比压；Ps —密封腔介质压力。

()
()1.1129506021075696023
21=⨯⨯⨯+=+=-ππn D D V m/s
则：()[]()
71.51501506.0003.01.1110544.102.06=+⨯⨯⨯⨯⨯=+=∆S R w f g f C Vb fP t λλ ℃ 所以密封端面的实际温度：71.3571.530=+=∆+=f I F t t t ℃
由此可见，t F ＜t b =40℃，所以该密封正常工作下液膜相态为似液相，当工况稳定，
冷却条件合适时，密封运行应该相对稳定不泄漏。

3.2密封冷却条件的确认
如图所示，该密封在结构设计上考虑摩擦副所产生的热量除了自然散热外，主、辅密封的热量都靠外封液循环来带走。

但该泵为立式结构，密封为垂直安装，密封封油系统的管线安装为由辅助密封压盖进，从主密封压盖出。

根据电机旋转方向确定泵送环为右旋，即封油先从封油罐下部进入辅助密封腔，经泵送环从主密封格兰回到封油罐上
部。

从理论上讲，温度较低的封油先进入密封面，温度升高后回到封油罐是可取且比较理想的。

但此泵为立式泵，根据常识，泵在启动瞬间丙烯介质出现微量泄漏而挥发成气体从下往上流动，这刚好与封油的循环方向相反，从而产生“气堵”现象。

因此本结构的封油配置根本无法流动，封油进入密封腔后形成死角，再加上密封面的摩擦热和搅拌热，使密封腔内的封油温度越来越高，格兰温度也随之升高。

从现场监测到的现象是，封液没有循环起来，当密封格兰温度达到60℃左右，密封就开始发生汽化泄漏。

就封液罐的配置结构上，低温的封油从封油罐进入密封腔后，带走密封腔内产生的热量，经泵送环输送，流出来的封油温度升高，需在封油罐中进行热交换，因此在封油罐中要安装换热冷却设备。

如光靠空气对流散热，封油的温度是冷不下来的，这样流进密封腔中的封油温度比较高，不利于密封的正常工作。

本泵原配的封油罐没有安装换热设备（绝大部分罐内带盘管冷却），故封油无法冷却，这也是使密封温度升高的原因之一。

4 改进措施
根据上述原因分析，我们本着经济、实效的原则，在利用原密封和封液系统的基础上，采取并实施以下措施：
4.1 减小端面比压
该型密封的弹簧盒弹性元件为小弹簧，主密封8只，辅助密封6只，设计弹簧比压为0.15～0.35MPa ，压缩量为4～6mm 。

根据上述计算分析，我们将压缩量从5mm 调整到4mm,使密封的弹簧比压由0.2 MPa 变为0.16 MPa ，从而使主、辅密封端面比压减小，以减少密封摩擦副产生的热量，特别是防止辅助密封发热后热量传给主密封。

4.2 封液冷却系统的改进
为了消除“气堵”现象和降低封液温度，我们作了如下改进：
（1).封油管线重新配置，即封油从下面（主密封压盖处）进，经泵送环送到密封面，再封
油罐
由上部（辅助密封压盖处）回到封油罐上部（见图2）。

（2）.为了建立反向循环，密封的泵送环和辅助密封压盖必须重新加工，泵送环和压盖多头螺旋由右旋改成左旋，以符合封油自下而上的流动方向，因此厂家根据我们的要求，重新加工了泵送环和辅助密封压盖。

同时为了增强循环能力和封液循环量，对泵送环作如下改进：1. 泵送环与压盖内径单边间隙由1.0mm改为0.8mm；2.螺旋由8头改为12头，螺旋角为15°；3.螺旋槽深度由1.0mm改为1.2mm。

（3）.考虑到重新加工封油罐时间较长，我们利用现成的换热器（有效换热面积为0.4m2），安装在原封油罐下部，封油从封油罐底部出来，先进入换热器内进行冷却，冷却后的封油再进入密封腔。

改进后的密封装配结构和封油系统如图2所示。

4.3 改造效果
2003年7月10日，我们对B425泵首先进行了改造。

改造后泵的机械密封封油循环正常，观察运行了三天密封无泄漏，其格兰温度也只为37℃（当时气温就高达31℃）。

在此成功的基础上，我们对B424泵进行了同样的改造，也取得了很好的使用效果。

现在改造后的密封已连续运行半年多无泄漏，这不仅为装置的安稳运行提供了保障，也为公司节约了大量的检修费用。

5 结束语
通过本次密封改造的成功，我们可以看到机械密封摩擦副端面的液膜相态随着温度、压力、冷却条件等因素而变化。

特别对于易汽化的丙烯，控制其密封端面的温度对密封液膜相态的稳定和使用寿命至关重要。

另外，在今后的维护中，要特别注意冷却器的冷却效果，如果条件允许，在密封格兰上可以增设冷却水系统。

参考文献
1. 顾永泉机械密封实用技术机械工业出版社2001.7。