摘 要：通过对高温导热油泵使用的单端面波纹管式机械密封进行校核，经过对摩擦副端面比压、端面线速度和端面温度的核算，结合导热油特性曲线，发现摩擦副端面温度超过导热油气化温度是造成机封端面及波纹管结碳的主要原因。按照机械密封设计规范API 682-2014的使用标准对高温导热油泵的机械密封进行改型，通过增加辅助撤热系统，降低摩擦副端面温度，解决了高温导热油泵的机械密封因结焦碳化问题，为解决同类设备故障开拓了新的工作方向。
关键词：机械密封；泄漏；摩擦副；碳化
中图分类号：TH136 文献标识码：A
机械密封在石油化工装置的机泵类旋转设备上有着广泛的应用。但由于选型、设计、安装和工况等诸多因素的影响，机械密封的使用寿命相差悬殊。为了提高机封寿命，本文以聚苯乙烯装置240℃导生油泵P-404为研究对象，通过对机封端面比压、线速度和温度的校核，查找到了高温热油泵机械密封频繁泄漏的故障原因。通过实施机械密封技术升级，解决了在240℃的高温工况下，单级离心泵机械密封寿命不足的问题。
1.导生油泵P-404故障介绍
1.1 运行工况
聚苯乙烯装置高温导生油泵P-404是脱挥发物器的导生循环泵，为美国GOULDS公司生产的单级离心泵，运行工况见表1。泵用机械密封为丹东克隆公司制造的单端面非集装波纹管式机械密封。
1.2 介质特性
导生油在装置内作为热媒使用，主要成分为：二甲基联苯、甲基联苯和三甲基苯基环乙烷；比重0.979kg/m³；在240℃时黏度约为30厘泊；极易挥发，易结碳，微红颜色，刺激性气味，轻微毒性。
1.3 机械密封故障与现象
经过统计，导生泵P-404两年内，因机械密封泄漏原因共发生检修10次，机械密封平均使用寿命仅为1810小时，即2.51月。泄漏发生前，机械密封首先是摩擦副部位出现缓慢轻微的滴漏，并伴有高温气化烟雾。滴漏介质呈焦状，深棕色。滴漏持续1个月后，机封将发生大量泄漏。经过解体检查，动、静环的密封面磨损正常，通常在动环摩擦面有可视的轻微磨痕；在机械密封的波纹管内部和摩擦副部位存在严重的积碳结焦现象。导生油碳化物填充波纹管全部间隙，严重影响了波纹的回弹。少数严重情况中，波纹管内导生碳化物高度会高于动环密封面，替代动环与静环形成摩擦副进行密封工作。此时，当机泵内发生偶然的振动或介质压力、温度波动时，碳化物由于没有足够的韧性发生破坏，致使机械密封发生泄漏。
2.机械密封失效分析
2.1 密封泄漏点
高温导生油泵P-404使用的是DBM-45型焊接波纹管机械密封，参数见表2。密封腔由泵冷却夹套进行水冷却，摩擦副介质由平衡管自冲洗，静环无背冷，结构如图1所示。
1-波纹管；2-机封动环；3-机封静环；
4-密封垫；5-密封O环
图1 机封安装结构示意图
根据安装结构，机械密封可能发生泄漏的密封点有：
（1）波纹管背侧的静密封点，如图1中标注5所示的密封O环。
（2）静环与泵体之间的静密封点，如图1中标注4所示的密封垫。
（3）动、静摩擦副，即图1中标注2.3所示的接触面。
上述密封点中的两处静密封点通过螺栓把紧等安装措施，即能够实现工况下的设备运行。因此摩擦副的密封效果将是本文讨论的主要内容。
2.2 PC、VC、PV值的计算
根据设计，影响摩擦副密封效果的主要因素有：端面比压PC、端面线速度VC和端面温度T。根据表2的相关参数：
中等润滑、浸渍金属石墨—反应烧结SiC配对的机械密封摩擦副的许用值[PV]为19.6MPa·m/s。
所以，PV<[PV]。
由上面的计算结果可知，泵P-404的摩擦副端面比压PC=0.75MPa；摩擦副端面线速度VC=4.15m/s；摩擦副PV值小于许用值。因此端面比压、端面线速度、PV值不是引起密封泄漏的根本原因。下面对摩擦副端面温度T进行分析。
2.3 密封失效分析
当摩擦副端面温度过高时，会造成摩擦副端面密封液膜高温气化。部分气化的导生油在密封腔内运动，一部分气相介质渗过摩擦副，破坏了摩擦副端面密封液膜，造成了摩擦副的局部干摩擦。摩擦副的局部干摩擦又将加剧摩擦温度的升高和动环材料的磨损。在波纹管内部，气相导生油受热碳化，堆积在密封腔内，随着碳化物的积累，结焦逐渐在波纹管内部及密封面附近堆积，最后发展到影响机械密封摩擦副的正常工作，进而导致机械密封失效，引发介质泄漏。
2.3.1 摩擦副端面温度的计算
依据上述计算结果，因动静环磨擦产生的温升为23.86℃。因此摩擦副周围的介质温度T0决定了泵密封效果。
2.3.2 介质温度T0的推算
经过对泵P-404的实际测量，机械密封静环压盖外表温度134℃；冷却夹套泵端外表温度168℃；冷却水进出口温差6℃。根据温度梯度变化趋势和密封安装结构，摩擦副部位的介质温度T0测算为145℃。
因此，P-404泵机封摩擦副端面温度
T=T0+23.86=168.86℃
2.3.3 密封失效原因分析
（1）根據泵体结构，密封冷却水由轴承箱一侧DN15管口进入，流经轴承箱外壁冷却腔体后，进入机封冷却水套零件对密封部位进行冷却，最后由出口排出。由于冷却水进出口压差小于0.05MPa，温度差仅为6℃。这种工况表明密封腔内介质冷却是不充分的。但冷却效果有待量化。
（2）在机械密封冲洗中，摩擦副部位是介质自冲洗结构。冲洗介质由泵涡壳外侧经导管接入密封腔，对摩擦副进行自洁。经测量，冲洗液进出口管线无温差。这证明摩擦热不能被冲洗液带走。
密封腔内导生油的压力与泵的入口压力基本一致，操作压力为0.1MPa。由导生油在不同温度下的饱和蒸汽压曲线图2可知，导生油在压力为0.1MPa的饱和蒸汽压为0.2psia，气化温度130℃。也就是说导生油在0.1MPa的压力和130℃的温度下即会发生气化。而摩擦副端面温度为168.86℃。
可见，摩擦副液膜超温气化是导生泵P-404机械密封频繁泄漏的根本原因。
因此，改善工况条件下机封内导生油气化结焦的情况需要降低摩擦副的工作温度。在改造升级中，应考虑增加辅助冷却系统，对密封面进行冲洗，使摩擦副工作温度低于130℃。
3.改进措施
为增加辅助系统，根据设备结构，新机械密封选择了四川日机密封件公司设计生产的串联式集装机械密封。密封各部材质及主要参数见表3，弹簧比压PS、端面比压PC、摩擦副端面线速度VC、PV 值见表4，符合工作要求。
3.1 辅助系统的选择
根据API682-2014方案的选择，主密封冲洗液从泵出口引出，经冷却器降温后，送至密封腔，对密封面进行降温，冲洗密封端面后返回泵腔，即Plan21方案。
辅助密封方案选择为：通过外部储液器向无压双重密封提供缓冲液，即Plan52方案。正常运行时，泵送环维持循环。储液器工作时向废气回收系统排放气体，压力约为常压，低于密封腔内液体的压力，实现缓冲液的正常流动。
3.2 辅助系统的建立
为了不使冲洗液流速过高而引起冲蚀，冲洗液压力与轴封箱压力差应小于0.5MPa。P-404泵额定工况时出入口压差为0.4MPa，因此选择冷却后的导生油作为主密封的冲洗液，接入密封部位，可以满足要求。在冲洗结构上，冲洗介质从出口管线排气管接入，冲洗液密封入口利用原有泵盖的冲洗孔。
冲洗液温度的确定。由于P-404泵介质温度240℃，为实现摩擦副端面温度T<130℃的目的，应尽可能地降低摩擦副周围的介质温度T0。机械密封改造中，采用冷却器对冲洗液进行冷却，冷却器设计为盘管式，壳程为冷却水，冷却面积0.9m2。经过实测，冷却后的冲洗液温度为93.6℃，摩擦副的工作温度为120.6℃。这使介质气化结焦的问题从根本上得以解决。
缓冲液的选择。第一，按照API 682的要求，缓冲液最好在操作温度下具有10m2/s～32m2/s的运动粘度。第二，由于工作中将有少量的隔离缓冲液泄漏到工艺介质中或有少量的工艺介质漏到缓冲液体中。因此副密封的缓冲液必须与导生油具有相容性，并不会污染导生系统。第三，冲洗液要洁净且对密封面有润滑作用。根据上述条件，在新机械密封设立独立的外部缓冲罐，缓冲介质选择为矿物白油。
由于结构的变化，原轴承和机械密封冷却被单独进行。独立的机封冷却也保证了冷却效果。
4.改进效果
按照上述要求，新机械密封改造后，各部位温度对比变化明显，具体情况见表5。经过测量和计算，应用新机械密封后摩擦副周围介质温度T0=109℃，磨擦产生的温升为11.6℃，摩擦副端面温度120.6℃，低于导生油饱和蒸汽温度130℃。解决了导生油气化引起的密封端面结碳和密封失效问题。自改造运行以来，高温导生泵P-404已稳定运行9个月，工作正常，无泄漏。
结论
根據密封技术的进展，机械密封的额定寿命已经提高到25000h。为了实现这样的目标，结合设备工况条件选择适当的密封结构，必要时增加密封冷却辅助系统，将摩擦副工作温度控制在介质气化温度以下是非常重要的。对高温热油泵，应重点研究在工况压力下的介质饱和蒸汽压对机械密封的影响。根据介质特性确定机械密封结构和工作参数，保证摩擦副的工作温度和压力，从而实现机械密封的可靠性和可用性。
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