碳酸钠泵用机械密封的失效分析及改进措施

袁如彬

（大庆炼化公司聚合物一厂，黑龙江 大庆 163411）

1 运行现状

中控装置碳酸钠输料系统负责为下游装置提供原料，整个系统由溶解罐、泵前过滤器、输料泵、精密过滤器、贮罐等组成，输料泵负责碳酸钠溶解的转移。碳酸钠输料泵型号100PHP—B315—20，2012年投运，机封运行时频繁出现泄漏现象，使用寿命平均在2900小时左右，远低于机械密封（单端）正常使用寿命8000小时的要求。

碳酸钠输料泵输送介质为碳酸钠溶液，含有颗粒物，原密封为单端面密封，一旦密封泄漏，介质会直接泄漏到大气中，并集聚在密封压盖处。碳酸钠溶液具有刺激性和腐蚀性，直接接触可引起皮肤和眼烁伤，给维修也带来安全上的风险。为达到介质完全无泄漏、提高设备运行周期、减少维修风险的目的，进行攻关试验改造。

2 失效分析

通过对失效机械密封进行解体检查发现，基本上都是由于动/静环摩擦副受破坏、密封原件损坏而引起的，结合使用工况分析引起机械密封失效的因素如下有。

（1）工作介质中有颗粒状物质，运转中进入摩擦副，擦伤动静环密封端面。碳酸钠输料泵输送介质为碳酸钠溶液，随着溶液温度变化易产生结晶体，同时碳酸钠溶液中含有一定量的杂质（罐底杂质和原料自带杂质），结晶颗粒和杂质进入密封端面起研磨剂的作用，使密封端面发生剧烈磨损，产生沟纹，造成机械密封失效。

（2）弹簧无法调整动环的轴向串动量。由于没有冲洗水，传动座内在弹簧周围的淤积杂质（结晶析出的碳酸钠），堵塞弹簧，使弹簧不能补偿，造成泄漏。

（3）两个密封端面失去润滑膜造成机械密封失效。泵机封冷却水停用后，摩擦热不能及时导走，摩擦副温度高，密封端面间易汽化，使得密封端面液膜发生闪蒸，丧失润滑，造成机械密封失效。

（4）由于腐蚀引起机械密封失效，密封面、O形圈出现点蚀。

（5）由于高温效应产生的机械密封失效，泵机封冷却水停用后，摩擦热不能及时导走，导致石墨环面出现径向裂纹，辅助密封件O形圈磨损或断裂造成机械密封失效。

3 改进措施

通过以上五个因素分析可以看出，引起碳酸钠输料泵机械密封失效主要有三个方面原因：一是碳酸钠结晶和杂质对密封端面的损害；二是机封冷却水对机械密封的影响；三是介质特点对密封元件的损坏。根据这三方面因素，分别从操作维护和机械密封改造两方面入手进行改进。

3.1 操作维护

减少碳酸钠原料里存在的杂质对机械密封的影响，对每批原料采样分析水不溶物含量、颗粒直径等质量指标确保质量合格，定期清理泵前过滤器和更换碳酸钠精密过滤器滤芯，规范拆碳酸钠粉剂的包装袋，减少原料溶解产生的不溶物等杂质进入碳酸钠大循环系统对机械密封造成的损害。消除罐底杂质对机械密封的影响，目前碳酸钠储罐只有在3年一次的大检修时才进行清理，修改部分工艺流程后，使在用的两个碳酸钠储罐能够切换使用，每年定期对碳酸钠储罐进行清理，减少罐底堆积的泥沙类杂质对机械密封的影响。加强日常检维修过程管控，维修单位在进行更换机械密封作业时，保证无尘作业，加强质量控制，避免人为因素对机械密封使用寿命带来的影响。

3.2 机械密封改造

改造后的机械密封采用符合API682—2004规定的双密封，选用布置方式2（无压串联双密封），密封结构选择A型标准推环式密封。具体如下。

（1）冲洗方案的选取。原密封采用PLAN 11方案，针对现场实际情况（腔体尺寸狭窄，不利于散热，且考虑到介质不允许进水的工艺要求），改造后选用11+55方案，即二级安全密封采用泵送循环的的常压水作为缓冲液。PLAN 55系统中选择工作容积为20L的储罐（两台泵共用一个储罐），储罐设置补液口及排放口，并包含冷却盘管。系统内包含管道泵两台（一开一备），并另配管道泵两台作为随机备件。

（2）密封结构的选择。两级密封均选用小弹簧结构。针对介质含有颗粒物的情况，对一级密封选取四川日机密封特有的CM020B系列“弹簧保护式”结构，既节约径向尺寸空间，又将一级密封弹簧与介质完全隔绝开，只与循环水接触，避免堵塞风险。平衡型机械密封端面所受作用力随介质压力的升高而升高的斜率小于1，非平衡型机械密封的升高斜率大于1，可以直观的理解为，密封腔内动环的有效水力作用面积同密封摩擦副端面面积的比值大于1的为非平衡型机械密封，小于1的则为平衡型机械密封，如图1所示。对非平衡型机械密封，在介质压力较高的情况下，因其端面作用力较大，密封面磨损较快，故只能用于低压场合，一般最高压力为0.5～0.7MPa，平衡型密封能够降低端面上的磨损，承载能力相对较大，可用于高压场合。考虑本次改造泵最高工作压力1.2MPa，故二级安全密封则采用平衡型结构，起到一旦一级密封大量泄漏时，可以承担全部的介质压力，给现场操作留足时间处理。

（3）密封材料的选择。针对介质含有颗粒物，且呈强碱性的特性，一级密封采用“硬对硬”组合，即选用两种硬度不同的硬质合金作为摩擦副。二级密封则选取自润滑性更好的“硬对软”组合，即sic对石墨组合，增强密封性能。石墨环采用优质的进口石墨（东洋碳素、美国摩根或德国产品），弹簧采用哈氏合金C—276，辅助密封圈选用进口美国杜邦产品。

（4）密封具体参数的设计。两级密封均选用四川日机密封经过多年验证的成熟产品结构，具体参数也针对现场实际情况做些调整，以更加适应现场工况，见图2。

图1 平衡型和非平衡型机械密封结构

图2 机械密封结构示意图

4 结语

碳酸钠输料泵经过操作维护优化和机械密封改造后，机械密封故障率明显下降，使用寿命大于24000小时，达到了介质无泄漏、降低维修风险的目的。从中也可以看出，石油化工用离心泵在科学分析运行工况、介质特点后正确选择密封结构，合理选择密封材料在内的相关配置及辅助系统，可以保证密封的长周期可靠运转。