贫甲醇泵机械密封失效原因分析及改进

董大为，侯留松，陈玉超

(河南晋开化工投资控股集团有限责任公司，河南开封 475000)

贫甲醇泵以其能源利用率高、技术成熟等特点被广泛应用于国内外合成氨、合成甲醇的工艺设备中[1-2]。贫甲醇泵是低温甲醇洗岗位为甲醇循环提供动力的关键设备，其运行稳定是工艺系统正常作业的关键[3]；由于贫甲醇具有易燃易爆的特点，一旦发生泄漏，将极大地影响生产安全。一些专业技术人员针对贫甲醇泵的密封问题通过优化结构[4-5]、改进安装技术[6]和应用新型密封方式[7]等来提高其密封的使用寿命。现针对河南晋开化工投资控股集团有限责任公司(以下简称晋开化工)二分公司贫甲醇泵机械密封寿命短(3个月左右)、失效周期与检修时间不匹配进而严重影响正常施工的现状，通过对贫甲醇泵密封失效情况进行分析，提出在不改变现有结构的基础上，仅改变配合关系和密封件材质的方式，可大幅提高其机械密封结构的使用寿命。

1 机械密封原理

以晋开化工二分公司净化车间GSG 200- 400(S)(S)(Bd)- x4型筒袋式贫甲醇泵为例，对其高低压端机械密封失效原因进行分析。该泵为4级离心泵，通过电机驱动，转速为2 980 r/min，流量为509 m3/h，入口压力为0.4 MPa，扬程为678 m，工作温度为101.9 ℃。

机械密封亦称为端面密封，是靠一对或数对垂直于轴作相对滑动的端面，在流体压力和补偿机构的弹力作用下，依赖辅助密封的配合与另一端保持贴合并相对滑动，从而防止泄漏。贫甲醇泵机械密封为串联式双端面机封，该机械密封结构示意如图1所示。

1.轴套 2,4,6.O形圈 3,8.静环 5.压盖 7.动环F1，F2.机械密封图1 机械密封结构示意

冲洗方案一：从泵排出口引入介质经过限流孔板进入机械密封F1、F2，对泵体侧机械密封冲洗。

冲洗方案二：外设缓冲管对外侧机封提供缓冲液。

2 失效形式

通过把密封失效的贫甲醇泵拆卸，发现密封失效主要是由密封圈的失效引起的，其失效后的形态如图2所示：

图2 失效后的密封圈形态

由图2可以看出，密封失效的密封圈变硬脆化呈矩形状，接触表面有径向裂纹，表面硬化反光，密封圈存在明显的变形和老化现象。由此判断，密封圈失效是引起密封泄漏的主要原因。

3 密封圈失效原因分析

引起密封圈失效的原因主要有永久变形、间隙咬伤、磨损、焦耳热等。通过对贫甲醇泵内部密封结构受力、受热及运动工况分析，导致其失效的主要原因有以下几个方面。

3.1 密封圈永久变形

贫甲醇泵内流体最高温度达到101.9 ℃，属于高温工作环境。高温的条件会加速橡胶材料的老化，工作温度越高，O形密封圈的压缩变形量越大，也就越易形成永久变形；当变形量大于40%时，即会形成泄漏[8]。而密封结构所使用密封圈材料为丁腈橡胶，其在高温条件下易引起材质变硬，进而导致密封圈弹性消失，发生泄漏。由密封圈在高温下所导致的变形老化是出现机械密封泄漏的主要原因之一。

3.2 泵内压力变换影响

机械密封的密封圈主要是静止密封，其受力方向如图3所示。密封腔体所受压力主要来自：泵首级叶轮处引出的密封冲洗介质、泵入口介质压力、平衡装置减压后的压力。密封腔体内压力随工况负载变化而改变，密封圈受力改变，其压缩量也会发生变化。根据目前工况，选择弹性形变量大、回弹能力更强的密封圈。

图3 密封结构受力示意

3.3 密封圈尺寸

密封圈线径与密封圈沟槽尺寸的大小和配合关系决定了密封圈变形量及其接触压力，对密封圈的使用寿命影响至关重要。密封圈沟槽尺寸如表1所示，密封圈线径太小，压缩预紧力过小，泵内介质压力大，会造成泄漏；密封圈线径过大，密封圈压缩量大，弹性形变大，易造成密封圈失效。机械密封所用密封圈沟槽宽度5.0 mm、深度3.2 mm。根据密封圈失效情况来看，O形圈预压缩量较小，线径偏小，在高温下，密封圈发生线膨胀。一旦密封圈出现性能下降，容易出现泄漏。

表1 密封圈沟槽尺寸 mm

4 改进措施

(1) 密封圈2、4、6 材质均为丁腈橡胶，其耐高温性能满足不了该泵的工作环境，为更好地适应密封结构的高温工况，可选择耐温性能更高、弹性更强、性能更稳定的硅橡胶密封圈结构。

(2) 调整橡胶密封圈线径，根据其压力变化和沟槽尺寸情况，将密封圈4和密封圈6的线径由原来的3.50 mm调整为3.65 mm，将密封圈2的线径由原来的3.40 m调整为3.55 mm。

(3) 稳定生产负荷，尽量避免泵负载频繁变化。

基于上述改进措施，对晋开化工二分公司净化车间的贫甲醇泵密封结构及保养方式进行改进，改进后的密封结构正常运行8个月无泄漏、无失效。

5 结语

针对筒袋式贫甲醇泵密封结构使用寿命短、失效频繁等问题，通过对主要失效部件的分析，指出密封圈失效是导致其密封失效的主要原因，进一步提出了对机械密封的密封件材质和尺寸的改进措施。通过对密封结构的改进，使得晋开化工二分公司净化车间的筒袋式贫甲醇泵机械密封使用寿命由原来的3.5个月延长至8个月，使得密封结构的维修与车间大修周期匹配，减少了停车次数，为整个系统稳定生产提供了保障。

参考文献

[1] Kawasaki S,Wijaya W Y,Watanabe H,et al.A Proposal of Waste Heat Recovery System Through Methanol Steam Reforming Integrated With Absorption Heat Pump[C]∥ASME/JSME 2011 8th Thermal Engineering Joint Conference，2011.

[2] He Z,Zhao Z,Zhang X,et al. Thermodynamic properties of new heat pump working pairs: 1,3-dimethylimidazolium dimethylphosphate and water, ethanol and methanol[J].Fluid Phase Equilibria,2010,298(1):83- 91.

[3] 赵月刚，高玉林，胡福生.低温甲醇洗工艺中贫甲醇泵的结构选型及应用[J].水泵技术，2013(1)：8- 10.

[4] 张守年.浅析低温甲醇泵机械密封的改造[J].化学工程与装备，2017(1)：139- 140.

[5] 徐志才.低温甲醇泵机械密封的改造[J].中国设备工程，2011(2)：61- 62.

[6] 赵月刚.6×13 DMXD- G- 5型贫甲醇泵安装技术要点[J].小氮肥，2016，44(10)：3- 4.

[7] 陈先银.干气密封在甲醇泵上的应用[J].流体机械，2009(8)：40- 42.

[8] 徐光华.O形密封圈的失效原因及防止措施[J].无线互联科技，2014(11)：93- 93.