高速泵机械密封泄漏原因分析及处理

曾登林 肖文刚 马风龙 沙辉 苏家军

摘 要：某化工厂某装置丙烯进料泵为胜达因生产立式高速泵 ，自开工以来一直存在机封泄漏后频繁返修的现象 ，通过对其机械密封端面比压的核算与分析 ，找到了密封失效的原因 ，有针对性地对其进行改造 ，收到良好效果。

关键词：高速泵;机械密封;介质侧机封;泄漏;端面比压

引言

某石化公司某装置丙烯进料泵为本装置提供原料 ，该泵对于整个装置极为重要 ，反应所用的液态丙烯全部都由其供给。该泵自 2009年投用以来，介质端机封一旦发生泄漏，就需要多次反复检修才能运行正常。最近一次密封泄漏故障，前后经过5次的检修、分析、论证才找到泄漏原因 ，彻底根治。

1  设备简介

某装置丙烯进料泵为日本圣达英制造立式高速泵，介质为液相丙烯，由电机、增速箱、泵体、强制润滑系统、密封系统等部分组成。电机转速2960r/min，增速箱为二级齿轮增速 ，输入轴转速（即电机转速）为 2960r/min ，输出轴转速 10709r/min。

增速箱两轴封采用了不同的形式，输入轴轴封为唇形密封（橡胶骨架唇封），输出轴轴封为机械密封;输出轴机械密封由三套机械密封串联组成，分别密封增速箱润滑油，保护白油和液相丙烯。增速箱润滑油压力约为0.5MPa，保护白油罐压力约为0.05MPa，液相丙烯压力约为3.5MPa。

2  密封泄漏原因分析

该设备自运行以来，一旦机械密封发生泄漏就需要多次反复检修才能正常运行，最近一次前后进行了5次的检修，每次灌泵正常，试运行均发生泄漏，工况没有任何变化，由此推断，机械密封静密封点正常，问题出在动密封上，而且每次都是介质侧泄漏，因此对介质侧机封摩擦副进行综合分析。机械密封之所以能够起密封作用是由于机械密封端面间存在着液膜，而液膜的形态又决定了密封的效果。如果密封端面存在着气液混相，而端面膜一旦发生相变，会导致端面贴合不稳。高速泵的转速较高，端面的相对速度较大，摩擦热使介质中的轻组分首先汽化，即有大量的气泡产生，从而造成汽蚀磨损。磨损了的端面摩擦热进一步增大，汽化加剧，密封端面很快磨损失效， 发生泄漏。

2.1.介质侧机械密封弹簧比压核算

该泵在前四次拆检中，介质侧动静环摩擦副未发现磨损痕迹，说明该泵运行时介质侧机封开启力大于闭合力。很显然，要使密封处于稳定的工作状态，就必须保证端面液膜的稳定，关键参数就是端面比压，为此对介质侧密封的端面比压进行核算，介质侧密封数据如图1.

1.机封座 2.弹簧 3.压板 4.楔形四氟圈 5.卡环 6.石墨环

介质侧密封结构为内装高背压、滑动式，平衡型，小弹簧材质是不锈钢316，圆柱螺旋压缩弹簧，数量8个，具体参数如表1。

弹簧的刚度k（N/mm）系数计算公式如下：

K=（1）

式中G—切变模量，D2—弹簧中径，C—弹簧指数，d—弹簧线径， n—弹簧有效工作圈数

其中G=71000MPa，D2=3.9mm，C=3.9/0.6=6.5，d=0.6mm，带入（1）式得：

k=6.46N/mm

弹簧弹力Fs（N）计算公式如下：

Fs=mkx（2）

式中k—弹簧刚度，x—弹簧工作变形量，m—工作弹簧数量，

其中介质侧机封补偿环弹簧的预压量为1.25mm，工作压缩量为2.8mm，所以x=4.04，m=8，带入式（2）得

Fs=mkx=208.9N

密封摩擦副接触环带面积，计算公式如下：

A=（3）

式中A—密封环带面积，d1—密封环带内径，d2—密封环带外径（mm）

其中d1=38.9mm，d2=45.5mm，π=3.14，带入式（3）得：

A=437.276mm2

介质侧机封弹簧比压公式计算如下：

式中：Ps—密封环带压力（N/mm2）

其中Fs=208.9N，A=437.276mm2，带入式（4）得：

Ps=0.478MPa，

2.2 介质侧机械密封端面比压的计算

介质侧机封端面比压载荷系数K1，其计算公式如下：

K1=（5）

式中：K1—载荷系数，d1—密封环带内径，d2—密封环带外径，db—滑移直径

其中d1=38.9mm，d2=45.5mm，db=41.34mm，代入式（5）得：

K1=0.6485

端面比压公式计算如下：

Pc=Ps+P（P1-λ）（6）

其中白油罐的压力约为0.05MPa，介质压力P=3.346-0.05=3.3MPa，液态轻烃的反压系数λ一般取0.70～0.75，在此取中间数0.725，将以上计算值式（5）得：

Pc=0.478+3.3（0.6485-0.725）=0.2256MPa

2.3 介质侧机封端面比压的标准

该泵介质为40°液相丙烯，运行中动静环摩擦生热，导致其饱和蒸气压远远大于相同温度下水的饱和蒸气压，如表2：

液相丙烯的粘度远低于水，且动静环材料分别为石墨和硬质合金，内装式机封，根据Pc值的设计数据表（表3），丙烯进料泵介质侧机封的端面比压Pc=0.2256MPa小于0.3MPa，所以该泵灌泵正常、启动后出现泄漏。

校核介质侧机封摩擦副PcV值，丙烯进料泵介质侧机封端面面比压Pc=0.2256MPa，密封环带线速度V==7.532m/s，PcV=1.7MPa·m·s-1 ，根据材质许用[PcV]值数据表（表4）PcV=1.7MPa·m·s-1 < [PcV]，符合标准。

3.介质侧机械密封改造方案

根据端面比压的计算公式Pc=Ps+P（P1-λ）可知，該泵介质侧补偿环弹簧的总压缩量为3.4mm，实际安装压缩量2.8mm达到极限，介质的反压系数无法更改，所以只能调整机械密封腔室的介质压力P和载荷系数K1。

由表3 Pc值的设计数据和介质侧端面比压的计算公式（6）Pc=Ps+P（K1-λ）推导，0.3

将Ps=0.478MPa，P=3.3MPa，λ=0.725，代入式（6）得K改=0.7317。

将K改=0.7317，d2=45.5mm，db=41.34mm，代入式（5）得d1=39.7mm。

通过上述计算和技术人员现场核对讨论，确定处理方案为：车削介质侧补偿环内径，使内径d1值从38.9mm扩大到39.7mm，改造后尺寸如图2。在实际应用中轻烃泵机封闭合力和开启力的比值必须大于1.1。改造后介质侧闭合力Ps+K改P与开启力λP的比值为1.209，符合轻烃泵运行标准。

4  结论

改造后，截止本文发布已运行17000小时左右，机械密封无泄漏。本文针对高速泵机械密封泄漏查找出端面比压不达标的缺陷，通过查校核计算，最终确定通过车削密封环内径的方案，增大端面比压使其符合轻烃泵运行标准，收到了良好效果，延长了高速泵的稳定运行周期，彻底消除了危险介质存在泄漏带来的安全隐患，对解决工况相似设备的泄漏问题有一定的参考价值。

参考文献：

[1]顾永泉. 流体动密封. 中国石化出版社 ，1997/ 6

[2]张小玲. 聚丙烯装置丙烯进料泵泄漏原因分析. 石油化工设备技 术 ，2002. 6

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[4]陈德才 催德容. 机械工业出版社，1993/4

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