高温油泵机械密封失效原因分析

邓宗华，张洪，张鹏飞



高温油泵机械密封失效原因分析

邓宗华1，张洪2，张鹏飞2

（1.中石油广西石化公司，广西 钦州 535000；2.四川日机密封件股份有限公司，四川 成都 610045）

油泵超过300℃即属于高危泵。泵厂原采用单端面波纹管密封，但使用周期短、更换频率较高，严重影响了生产，甚至密封一旦失效、泄漏的高温油介质将直接进入大气起火燃烧。为了装置的安全，对油泵机械密封进行了改造，采用双端面波纹管密封、冲洗方案PLAN41＋53B，但仍存在密封使用寿命短的问题，为此对该油泵的机械密封及系辅助统进行了拆解和分析，找到了问题产生的原因，通过改进机械密封的结构及冲洗方法，提高了密封寿命。

高温油泵；失效分析；机械密封结构；冲洗方案

通常，高温油泵采用双端面波纹管密封3CW-FF、冲洗方案PLAN41＋53B，即用带悬液分离器、换热器的自冲洗＋强制循环密封液的双端面密封，同时摩擦副采用硬质合金对石墨，如图1所示。在催化油浆泵工况温度320～400 ℃条件下这种方案使用情况好。常三中油泵密封介质温度307℃，采用该方案，但在使用过程中，密封经常泄漏，严重影响正常生产。

位号110-P118AB有一开一备AB两台泵交替工作，常三油泵CD810×12×27B，叶轮为单级、双吸，两端支撑泵，输送介质为重柴油，介质温度307℃，泵吸入/出口压力为0.37/1.043 MPa，是公司的重要装置之一。泵厂原采用单端面波纹管密封，但使用周期短、更换频率较高，严重影响生产，且密封一旦失效，泄漏的高温油介质将直接进入大气起火燃烧。为了装置的安全，对其进行了改造。采用双端面波纹管密封3CW-FF，冲洗方案PLAN41＋53B。端面组对为硬质合金对石墨。2013年6月初进行A泵第一次试车，当时开车正常，但不到3周二级密封即大气侧密封出现呈线状泄漏，PLAN 53B系统完全保不住压力。对B泵进行试车，运行不到2周，密封出现和A泵同样的泄漏现象。后面连续试车几次均出现同样现象。为此，对该油泵的机械密封及系统进行了拆解分析。

1.内压盖 2.一级波纹管密封（一、二级互换） 3.螺钉 4.弹簧垫圈 5.压紧套 6.挡圈 7.轴套 8.缠绕垫 9.内压盖 10.螺钉 11.定位块 12.螺栓 13、14.螺钉

1 机械密封泄漏原因分析

1.1 石墨摩擦副端面有疱疤

疱疤是指碳石墨密封环在使用过程中出现鼓泡、起层甚至凹坑的现象。疱疤现象（图2）的出现，会使密封面局部形成液态或气态凹流，造成液膜厚度波动，破坏紧密贴合的摩擦面，在压力作用下介质通过密封面导致泄漏。通常认为疱疤是由于密封端面散热不好造成的。

1.2 波纹管失去弹性补偿功能

拆解发现大气侧波纹管内侧结焦（图3）。在压力作用下介质穿过摩擦副端面向低压侧泄漏。穿过摩擦副端面时，带走摩擦副端面产生的摩擦热，越靠近低压侧、其温度越高。如果泄漏后的高温介质产生结焦颗粒物，会在波纹管内侧不断堆积，致使波纹管刚度增大，端面比压随之增大，摩擦热近一步加大，从而形成恶性循环。经测量结焦堵塞后的波纹管刚度是原设计刚度的5倍。在较大端面比压的作用下端面液膜汽化，更很难形成稳定的液膜，泄漏量的进一步增大，导致结焦物也相应增多。

图2 石墨环有疱疤

图3 波纹管内侧结焦

1.3 换热器盘管外表面结垢严重

对换热器外壳、进出介质、水接头进行测量温度，发现换热器外壳温度较高，介质进出接头温差不大。随后对辅助系统进行拆解检测，发现PLAN41换热器盘管内表面结垢严重（图4），严重影响换热效率。

图4 换热器盘管内表面结垢

2 检测结果分析

2.1 冲洗方案合理性

密封辅助系统采用PLAN41，其冷却介质从泵的出口引出，通过悬液分离器分离出清洁介质，再通过换热器冷却进入密封腔，对密封腔进行降温，同时带走密封端面摩擦产生的热量。由于条件限制，无法将水做软化处理，导致其在高温的换热器管道中形成水垢，不但阻碍低温水热交换，无法实现该换热器理论换热温度，同时高温也容易产生水垢。经现场测量，尽管通过换热器换热，但介质温度仍然超过了250℃。高温介质冲入密封腔后，不但没有降低密封腔的温度，反而提高了密封整体温度[1-2]。

2.2 密封结构的合理性

密封采用双端面结构，介质侧密封一部份端面摩擦热由隔离液带走，同时隔离液还要带走大气侧的端面摩擦热。介质热量、密封端面摩擦产生的热量及密封旋转搅拌介质产生的热量等热量的叠加，容易导致密封端面温度。

2.3 波纹管设计参数的合理性

对设计的波纹管的设计参数、弹簧比压、载荷系数等进行了校核。

波纹管中径D为：

式中：1为波纹管内径，取132 mm；2为波纹管外径，取149 mm。

波纹管弹率K为：

式中：为材料的弹性模量，取200 MPa；为片厚，取0.165 mm；为波数，取9；为波纹管膜片宽度，＝(2－1)/2＝8.5 mm。

刚度计算为25.8 N/mm，双层波纹管乘以2等于51.6 N/mm。

平衡系数为：

式中：2为窄环外径，取146.5 mm；1为窄环内径，取137.5 mm。

弹簧比压P为：

式中：为压缩量，取6 mm。

则：P＝0.154 MPa

端面比压P为：

P＝介×(－)＋P＝0.358 MPa

式中：介为介质压力，取0.6 MPa；为泛亚系数，取0.33。

设计参数符合《新编机械密封实用技术手册》[3]要求，设计是合理的。

3 机械密封的改造方案

根据密封失效分析结果以及该位号现场无软水情况，对该泵的密封方案进行了改进，如图5所示。

1.轴套 2.一级波纹管密封 3.内压盖 4.二级波纹管密封 5.螺钉 6.压板 7.外压盖 8.节流环组件 9.定位块 10.螺栓 11.螺钉

从结构上来说，原双端面3CW-FF结构的隔离液很难冲洗到密封端面，同时两个摩擦副非常近、相互影响，更容易出现端面过热和变形等导致密封泄漏的问题。

新密封结构为串联式波纹管密封3CW-FB结构。该方案将产生热的两个摩擦副远离、减少相互影响，同时让冷却后的隔离液直接冲洗到大气侧密封带热量的端面，降低了密封面温度高造成的疱疤，从而解决导致摩擦副端面不能紧密贴合、导致介质泄漏到波纹管内圆的结焦问题。

4 现有系统分析及改造

现有冲洗方案为API PLAN41＋53B。其中PLAN41为带悬液分离器、换热器的自冲洗，即从泵出口经旋流器把较大颗粒排除后，将清洁的液体输送冷却器冷却再冲洗机封，固体颗粒被送入泵进口；PLAN 53B是一种配合双端面机封应用的压力密封系统。通过对前后两个密封副之间的隔离液，用预先加了压的气囊蓄压器对其进行加压，使隔离液的压力高于密封腔介质的压力。高压的隔离液穿过摩擦副端面，进入高温介质。由于压力方向的改变，阻遏高温介质向大气侧泄漏。为了在封闭的系统中循环并通过用水冷却的热交换器除去的隔离液热量，采用泵送环，选择PLAN 53B配套简单、使用压力高及密封安全环保，能够保证该装置密封安全运行[4-5]。

由于该方案泵送环是隔离液循环的动力源，当其扬程不足或换热器管路阻力过大或换热量不够，密封运转过程中产生的摩擦热和介质热，无法被循环的隔离液带走，导致密封腔过热，这时主要表现也为压盖外表温度过高。通过校核计算，认为换热器设计合理、管程长管阻合理，能够起到换热的作用。同时通过校核，认为机械密封的泵送环能力足，能够使隔离液循环起来。通过改造，进出水管线有了温差，换热器设计合理和机械密封泵送环的泵送能力足[6]。

因此，没有改变原有冲洗方案，只是对拆解后的PLAN41换热器进行除垢处理。希望通过提高介质侧辅助系统的换热效率，以降低冲洗液温度，实现降低密封端面温度及密封环境温度，减少介质结垢的可能性。同时为了进一步保障安全，增加PLAN 62，即采用低压氮气隔离大气与高温泄漏介质的直接接触，避免或减少结焦物的形成。

5 结论及效果

由于改进密封结构、完善了冲洗方案，降低了密封摩擦端面的温度，因此也减少或延缓石墨摩擦副端面形成疱疤，以及由疱疤引起密封摩擦副端面无法紧密贴合造成微漏、导致其在波纹管内圆碳化引起的波纹管失弹的问题。在整个改造的过程中，主要围绕降低密封使用温度。改造后，密封使用环境明显改善，辅助换热效果明显，密封使用平均寿命8000 h以上。

[1]张锦，于胜栓，王天博. 离心泵机械密封冲洗方案选用浅析[J].石油和化工设备，2016（9）：81-83.

[2]汤林波. 高温芳烃泵机械密封辅助系统的改进[J]. 机械，2009，36（3）：75-77.

[3]田伯勤. 新编机械密封实用技术手册[M].中国知识出版社.

[4]孙文涛. 浅析API PLAN53B的密封形式及其实际应用[J]. 化学工程与装备，2016（8）：229-231.

[5]邓宗华. 高温热油泵机械密封及辅助系统的设计改进[J]. 机械，2012，39（1）：78-80.

[6]潘强，徐卫忠，韩维涛，雷涛. 液力透平机械密封泄漏的原因分析及改进[J]. 润滑与密封，2015，40（4）：125-128.

Failure Analysis of Mechanical Seal of High Temperature Oil Pump

DENG Zonghua1，ZHANG Hong2，ZHANG Pengfei2

( 1.CNPC Guangxi Petrochemical Industries Ltd.,Qinzhou 535000, China; 2.Sichuan Sunny Seal Co., Ltd., Chengdu 610045, China )

The oil temperature is more than 300℃, and it belongs to the high risk pump. The single metal bellows seal was originally used in the pump plant. Its service life was short and the replacement frequency was high, which seriously affected the production. More importantly, once the seal fails, the leaked high-temperature oil will directly leak into the atmosphere, and start fire and burn. In order to ensure the safety of the device, it has been changed to double metal bellows seal with Piping PLAN41+53B. However, the sealing life is still short. For this reason, the mechanical seal and the system of the oil pump were dismantled and analyzed. In the end, the cause of the problem was found out by dismantling the accident seal and its auxiliary system. The seal life is prolonged through optimizing the structure and flushing method of the mechanical seal.

high temperature oil pump；failure analysis；mechanical seal structure；piping plan

TB42

B

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.09.013

1006－0316 (2018) 09－0077－04

2018－05－30

邓宗华（1982－），男，广西钦州人，本科，工程师，主要从事炼化设备管理工作。