丙烯高速泵机封故障原因分析及改进

宋捍东

(吉化集团吉林市锦江油化厂，吉林 吉林 132022)

一、基本情况

2003年3月，脱乙烷塔塔顶回流泵P-102A，更新为F型高速泵。最大扬程130m，最大流量12m3/h；泵内介质为丙烯，介质温度42～45℃；泵入口压2.0MPa，泵出口压力2.8MPa。配套机封是DTM40A型多弹簧机封。

F型丙烯高速泵投用后，发现其机封有泄漏。在拆解检修中未发现机封的动静密封环有明显磨损痕迹及其他异常情况。精心装配后，机封泄漏状况无明显改善。最后，回制造厂检修处理，效果并不明显。

二、泄漏原因分析

从泄漏现象和机封拆卸情况分析，辅助密封件完好、动静环完好。因此，初步判断有以下几种因素可能导致密封失效。

(1)密封端面比压Pc不合适，导致密封副失效

端面比压可以选择在0.5～0.7MPa；如果介质黏度小，端面比压可以选择在0.3～0.45MPa。只有具有合适的密封端面比压，才能保证密封副始终处于闭合状态。

(2)密封PcV值不合适，导致密封副失效

PcV值，是端面压力Pc与密封端面平均滑动速度V的乘积，它必须许用于[PcV]值，以保证密封的可靠性和使用寿命。静环是碳化钨。[PcV]的最大许用值是90MPa·m/s，安全许用值[PcV]=(0.2～0.025)×900=180～225kg·m/cm2·s。

(3)密封端面相态不稳，导致密封副失效

液态烃泵的单端面是接触式机械密封，没有完整的液膜，可导致密封面温度升高，而使液膜气化相变。其次，由于介质流经密封端面间隙时发生气化相变，致使密封失效。

(4)工况变化，导致密封开启失效

当外部温度和压力发生剧烈变化，机械密封会发生密封液膜抽空闪蒸，存在密封端面开启失效的危险。如果密封的追随性性能较差，就可能发生密封失效。

三、机封基本参数的核算

丙烯高速泵入口压力2.0MPa，出口压力2.8MPa。机封工作温度42℃。动环材质是石墨，静环材质是碳化钨。密封面内径D1=33.6mm；密封面外径D2=43.6mm；密封平衡直径D3=38mm。机封配小弹簧数量m=6，弹簧最大变形量Lmax=2.94mm，最大负荷FnⅡ=1.490kg。

(1)端面比压Pc的核算

①机封的弹簧比压Psp估算

总弹簧力F=Fn×m=(FnⅡ2/Lmax)×m=6.06kg

弹簧比压Psp=F/S=6.06kg/6.06cm2=1.000kg/cm2

②机封的端面比压Pc估算

∵平衡比B=(D22-DB2)/(D22-D12)=0.591 9；反压系数λ=0.5；

∴Pc=Psp+(B-λ)×Ps=0.283 8MPa

③端面比压的数值判断

机封的端面比压Pc合适的数值在0.3～0.45MPa。最佳数值应该是大于等于0.4MPa，而实际Pc=0.283 8＜0.3MPa，所以机封易泄漏。

(2)PcV值的核算

①机封PcV值的核算和判断

转速n=8 000r/min，V=16.13m/s；Pc=0.283 8MPa；所以PcV=45.77kg.m/cm2·s＜[PcV]。因此，可以判定：动环和静环的材质选择合理。

②改进后的机封PcV值的核算和判断

如果采取增加面积比B和弹簧比压的办法，并使端面比压Pc=0.4MPa；那么，n=8 000r/min，V=16.13m/s；改进后PcV=0.4×16.13=64.520kg·m/cm2·s＜[PcV]。因此，可以判定：动环和静环的材质，仍可满足工作要求。

(3)相变理论相关参数核算

①气相体积比α估算

式中，介质温度t≈42℃，丙烯饱和蒸汽压pB=1.724 4MPa；饱和液体运动黏度γl=1.715 405×10-7m2/s；饱和蒸汽运动黏度γg=2.644 418×10-7m2/s；p1=0.101MPa；p2=2.101MPa；经计算得，α=0.597 2。

②相对饱和蒸汽压β值估算

∵ps=p2-p1=2.0MPa；pB=1.724 4MPa；

∴β=pB/ps=0.862 2；

③膜压系数Km值估算

Km=1/2(1-α+β)+α×β/6=0.718 3

④最小面积比Bmin估算

∵Bmin=Km-Psp/Ps=0.668 3＞B=0.591 9；即，B＜Bmin，实际平衡面积比小于最小面积平衡比；

∴密封面会发生开启失效。

⑤液膜介质相态及稳定性判断

在通常温度比范围内，丙烯介质机封的αmk=0.32～0.375;Kmmax=0.73～0.76；根据①和③计算数据可得：αmk=0.375＜α=0.597 2＜1；Km=0.718 3＜Kmmax。

因此判定：液膜介质处于不稳定似气相相态，密封状态不正常。

四、改进措施

第一，重新设计机封，适当增大面积比B和密封端面比压Pc，确保密封满足工作要求。

经原因分析和机封参数核算，第一应增大面积比B达到0.7～0.75，保证机封平衡面积比大于最小面积比，以避免产生密封开启失效。第二应该重新较核端面比压，确保其达到0.4MPa左右。第三必须同步进行相变理论相关参数的核算，以保现密封稳定正常工作。

第二，增加密封冲洗管路，降低介质温度，保证密封液膜工作相态稳定。

增加冲洗液流量对于降低介质温度，稳定液膜相态，具有极大的好处。如果密封介质温度降低到35℃，可使α值达到0.45以下；Km=0.697 0；Bmin=0.647 0。使机封工作处于设计的范围之内。

第三，精心操作，减少突变工况的发生次数，确保丙烯泵工况连续稳定。

五、改进效果

2003年6月，对密封进行了设计改造。同年9月，该泵完成机封改造投入运行。截止到2005年8月31日，该泵运转台时已达到15 000h，改造效果良好。

[1]贾少磊，移月红，郝木明.粗汽油泵轴封失效分析及新型密封[J].石油化工设备，2003(7).

[2]顾永泉.机械密封实用技术[J].北京，机械工业出版社，2002.

[3]顾永泉.机械密封的PV值[J].化工与通用机械，1981(9).

[4]刘录，张学忠.变工况条件下机械密封端面稳定性实验研究[J].润滑与密封，2009(4).

[5]符长军.浅析液态泵密封泄漏[J].中国设备工程，2004(5).

[6]顾永泉.泵用机械密封的相态判断和相态稳定性分析[J].流体工程，1990(4).

[7]谭晚件.解决机械密封泄漏一例[J].设备管理与维修，2009(9).

[8]刘卫东.液态泵机械密封故障分析及对策[J].高桥石化，2006(6).

[9]许松涛.机械密封端面比压的确定[D].润滑油作业部2007年科技论文，2007.