反应器进料泵机械密封失效分析及改进

高鹏翔，宋 涛，魏敬省, 王晶晶

（抚顺石化公司乙烯化工厂，辽宁 抚顺113004）

反应器进料泵机械密封失效分析及改进

高鹏翔，宋 涛，魏敬省, 王晶晶

（抚顺石化公司乙烯化工厂，辽宁 抚顺113004）

通过对聚乙烯装置反应器进料泵机械密封失效过程的讲述，对失效的原因进行了分析。结合反应器进料泵的工作条件，根据机械密封和干气密封的自身特点，提出对反应器进料泵机械密封的改进措施，为今后装置的稳定生产奠定了基础。

离心泵；机械密封；失效分析；改进措施

聚乙烯反应器进料泵P-GA-104是聚乙烯装置核心设备，它是一台12级高压离心泵，其出口操作压力为18.0 MPa，介质为环己烷和乙烯，流量为105 m3/h。制造厂为SULZER BINGHAM PUMP INC.［1］在今年4月至6月的运行过程中，发生两次密封泄漏，引起装置停车。

两次密封泄漏现象及原因有着相似之处，在本文当中归纳为同一种原因进行分析总结。另外，本文对机械密封［2］、干气密封［3］的工作原理及失效原因［4］也做了浅析。通过对机械密封与干气密封的结构和原理［5］对比，讨论了改进措施的可行性。

为了平稳、安全的保证反应器进料泵正常运行，结合HSE管理体系的实际，车间对该设备做出故障模式及影响分析（FMEA），从故障产生的因果关系出发，找出系统潜在的故障原因，分析故障原因对系统造成的影响，并采取措施［6］减少和预防故障对系统造成的影响。

1 密封泄漏过程

1.1 第一次泄漏

2011年4月28日15：00由于 P-GA-104电流忽然上涨至超量程，同时现场发现P-GA-104电机端密封泄漏，伴有强烈震动及噪音，紧急手动停泵。

1.1.1 拆检情况简介

（1）拆开时发现电机端轴承甩油盘已和轴粘连在一起，密封已炸裂，发现第一级叶轮入口有硬物堵塞，中间平衡腰瓦磨损严重，而且泵轴已多处磨损，叶轮口环间隙均在0.8 mm左右，正常值为0.45~0.55 mm。

（2） 堵塞在一级叶轮入口处的硬物外观为块状，分析为聚乙烯树脂结块所致。泵壳体、轴、及叶轮周围表面干净，没有其它杂质。

1.1.2 修复后运行情况

由于当时库存有1件2005年修复的转子及进口密封，为保正及时恢复生产，当天连夜更换了转子、密封、甩油环等易损件。复位后，4月29日2:20投入运行，各参数均正常。

1.2 第二次泄漏

6月1日16：00，车间接调度指令停车，停反应器进料泵。6月4日10:00，在各条件具备的情况下，启动反应器进料泵，12:00投料开车。18:52，反应器进料泵P-GA-104电流波动，上涨趋势加快达到高报100 A,同时伴有震动、密封泄漏，车间紧急停车。拆检后密封磨损但没有炸裂，一级叶轮入口堵塞，口环间隙0.7 mm，轴弯曲0.22 mm。

1.3 两次泄漏总结

从4月到6月的两次密封泄漏，现象基本相同，第二次密封没有第一次更严重，有磨损，但是没有炸裂。6月13日处理后回装原密封，14:00，现场复位P-GA-104转子，21:14启动P-GA-104，密封只是有轻微泄漏，运行正常。

2 泄漏原因分析

2.1 机械密封简介

机械密封又称端面密封，是采用两个密封元件即动环和静环安装在垂直轴的光洁而平直的表面上，在介质的静压力和弹簧力的作用下，相互结贴作相对运动而达成密封的目的。

2.1.1 机械密封的主要特点

（1）泄漏量可以限制到很少。只要主密封面的表面粗糙度和平直度能保证达到要求，只要材料耐磨性好，机械密封可以达到很少泄露量，甚至达到看不见泄漏。

（2）寿命长。在机械密封中，主要磨损部分是密封摩擦副端面。因为密封端面的磨损量在正常工作条件下不大，一般可以连续使用1~2 a，个别场合也有用到5~10 a。

（3）运转中不用调整。由于机械密封靠弹簧力和流体压力使摩擦副贴合，在运转中自动保持接触，装配后就不用像普通软填料那样需要调整。

（4）耐震性比径向密封好。一般在n=3 000 r/min下最大振幅不超过0.05 mm。

（5）结构复杂，拆装不便。

2.1.2 机械密封的泄漏标准

机械密封的泄漏标准见表1。

表1 各国机械密封泄露行业标准Table 1 The industry standard of Mechanical seal’s leak

2.2 介质温度和杂质对密封的影响

本案例中P-GA-104泵转数6 400 r/min，流量105 m3/h，介质为环己烷和乙烯的混合溶液，介质黏度大；润滑性差；工作压力大；运转速度高；介质中可能含有杂质；机泵输送介质的以上特点，对于机械密封的长期性安全运转是不利的。特别是P-GA-104泵，当输送介质的温度升高时，机械密封密封腔的温度将升高，动环、静环端面温度升高，动环、静环端面温度升高，动环和静环端面间的液膜受热破坏，使动静环的端面产生强烈摩擦，致使密封失效；由于密封冲洗介质中可能有悬浮颗粒杂质，机械密封在运转过程中，这些杂质进入动静密封面，使动静环端面因杂质磨损而造成密封失效。

2.3 施工、安装对机械密封的影响

据专家对密封失效原因统计：由于密封本身原因仅占34.5%，而由于安装和使用方面的原因占41.6%。由此可见，密封失效排第一位原因并非密封本身的问题，很大程度上取决于安装和使用方面的原因。

由于反复判断停泵原因，对反应器进料泵P-GA-104泵动静密封反复拆装导致动静环接触表面不平，安装时碰损伤、损坏密封面,造成在工作中密封面急剧摩擦，泄漏量逐渐加大。

2.4 密封材料对密封失效的影响

摩擦副所用的材料耐磨性差、摩擦系数大都会缩短机械密封的使用寿命。反应器进料泵P-GA-104泵，南北两侧的密封泄漏量，北侧远远大于南侧原因为选用了国产密封进口密封，在同等非正常工作条件下，国产密封耐用性远比进口密封差。

2.5 工艺条件对密封失效的影响

本案例提到的两次密封失效，直接原因都是由于一级入口堵塞造成的。第一次入口堵塞后，拆检看见的只是一个点，一块小硬物堵在泵入口，为保生产及时复位后运行也正常，泵入口有滤网，我们也对滤网进行了彻底更换清扫。第二次密封失效后，判断为管线内有树脂挂壁。车间拆检从P-103出口至P-104入口管线，彻底清理管线内挂壁的树脂后复位。

3 密封改进措施

3.1 引入干气密封

干气密封是20世纪60年代末期从气体动压轴承的基础上发展起来的一种新型非接触式密封。该密封利用流体动力学原理，通过在密封端面上开设动压槽而实现密封端面的非接触运行。干气密封最初是为解决高速离心压缩机轴封问题而出现的，由于密封非接触运行，因此密封摩擦副材料基本不受pv值的限制，特别适合作为高速、高压设备的轴封

3.1.1 干气密封与机械密封的结构对比

（1）机械密封的零件数量多，要求精密，结构复杂。特别是在装配方面较困难，拆装时要从轴端抽出密封环，必须把机械部分转子部分全部拆解。机械密封结构图见图1。

图1 典型机械密封结构Fig. 1 Mechanical seal’s configuration

（2）干气密封结构包含有静环、动环组件（旋转环）、副密封O形圈、静密封、弹簧和弹簧座（腔体）等零部件。静环位于不锈钢弹簧座内，用副密封O形圈密封。弹簧在密封无负荷状态下使静环与固定在转子上的动环组件配合，如图2。

图2 典型干气密封结构Fig. 2 Dry gas seal’s configuration

3.1.2 干气密封比机械密封的优势

干气密封与接触式机械密封串联使用，机械密封为主密封，干气密封为次密封。干气密封与主密封间通入氮气，保证主密封具有一定背压，增大密封端面液相面积，改善端面润滑条件，极大地延长主密封的使用寿命。主密封泄漏的工艺介质随密封气排入火炬，保证工艺介质不向大气泄漏，是一种环保型密封。主密封失效后，干气密封短时间内起到主密封作用，防止工艺介质向大气大量泄漏。

3.2 结合HSE管理体系进行科学管理

为了平稳、安全的保证正常运行，结合HSE管理体系的实际，选择定期填写故障发生频率分类表，任何系统的故障和造成这一故障的元素之间都存在着必然的因果关系。故障模式及影响分析（FMEA）就是从这种因果关系出发，找出系统潜在的故障原因，分析故障原因对系统造成的影响，并采取措施减少和预防故障对系统造成的影响。

4 结束语

通过以上浅析可看出，对P-GA-104等关键的设备管理模式应符合现代的检查为先、预防为主、主动维护、及时检修的预防性检修策略。FMEA的实施是一个持续改进的过程，在对某一个故障类型采取相应的纠正预防措施后，需要重新评价发生频率、严重性、可检测性，计算新的危险优先数，并决定是否采取进一步的纠正预防措施，如此循环，直到危险优先数在可接受的范围内。

［1］抚顺石化公司.聚乙烯操作规程[S].2004．

［2］孙见君.密封泄露预测理论应用[M].北京:中国电力出版社，2010.

［3］姚宝瑞.丁二烯萃取精馏塔釜离心泵的干气密封改造[M]. 北京:机械化出版社，2005．

［4］李新华.密封元件选用手册[M].北京:机械工业出版社，2010.

［5］李国斌.机械设计基础[M].天津:机械工业出版社，2000．

［6］袁周,黄志坚.工业泵常见维修及技巧[M].北京:化学工业出版社，2008．

Failure Analysis and Improvement of Mechanical Seal for Reactor Feed-in Pumps

GAO Peng-xiang，SONG Tao，WEI Jing-sheng，WANG Jing-jing
(PetroChina Fushun Petrochemical Company Ethylene Plant, Liaoning Fushan 113004,China）

Failure process of mechanical seal for reactor feed-in pumps of polyethylene plant was introduced,failure causes were analyzed. Combined with working conditions of reactor feed-in pumps, based on characteristics of the mechanical seal and the dry gas seal, improvement measures of the mechanical seal for reactor feed-in pumps were put forward, which can lay a foundation for steady production of the polyethylene plant in the future.

Pump; Mechanical seal; Failure analysis; Improvement measures

TQ 051

A

1671-0460（2011）11-1155-03

2011-10-21

高鹏翔（1985-），男，辽宁抚顺人，助理工程师，2009毕业于辽宁石油化工大学，研究方向：从事石油化工技术工作。E-mail：642604131@qq.com。