液化气泵机械密封泄漏分析及改造

龚 文，司春旭，王进旭

（中国石油宁夏石化公司，宁夏银川 750021）

0 引言

宁夏石化公司气分装置脱乙烷塔回流泵为单级卧式悬臂式离心泵，机泵功率30 kW，转速2950 r/min，扬程95 m。机械密封为四川日机生产的干气机械密封，介质为混合C3，运行温度60 ℃：流量70.2 m3/h，入口操作压力2.8 MPa，出口操作压力3.2 MPa。机械密封采用PLAN72+PLAN76 冲洗方案，机械密封为集装式弹簧机械密封。一级密封冲洗液为自泵出口引至一级密封的混合C3，实现对一级密封端面的冲洗、冷却和润滑作用；二级密封为干气密封，干气为自装置外引入的低压氮气，将一级密封泄漏的液化气引至低压瓦斯系统。

1 机械密封故障现象

对历次泄漏后的机械密封拆开检查，总结故障现象：①机械密封轴套有过热发蓝现象，一级动环密封端面也出现过热发蓝现象；②一级密封静环O 形圈在机械密封使用5 个月后开始出现老化、龟裂现象；③机械密封泄漏前易出现明显的端面呜叫现象，拆检发现一级密封动环接触面凸台磨损到0.5 mm 以内，原设计凸台高度为3.5 mm；④检查机械密封泄漏前机泵入口回流罐液位存在偏低现象，通过化验发现进入气分装置液化气中C2含量过高，最大值12.11%，远大于工艺设计参数（＜2%）。

2 机械密封失效分析

分析认为4 点原因导致液化气泵机械密封泄漏。①当介质中C2 含量过高时，泵容易发生气蚀，造成密封腔内压力降低或者剧烈波动，影响密封端面液膜的稳定；②机械密封冲洗介质在一级密封腔处流动缓慢，密封腔处的介质热量积聚导致机封密封面在运行时端面有较大温升，端面附近轻组分的烃类介质发生气化，导致端面无液体进行有效润滑，发生干摩擦使一级密封面动环处磨损严重，介质侧O 形圈高温老化甚至发生碳化现象（图1）；③当回流罐液位偏低或在装置开停工时，介质中含有的固体杂质被带入端面，造成机械密封磨损和破坏原来极薄的液膜的连续性[1]；④机械密封动环凸台磨损后（图1），由于静环内圆周结垢，导致静环内径与轴套之间的间隙过小，弹簧座的滑移外径处有积碳，动环石墨环磨损物影响密封弹性组件的弹性补偿能力，使弹性组件追随性变差，造成密封面开启后无法闭合，加剧泄漏变为喷漏[2]。

图1 O 形圈老化，动环凸台磨损

3 处理措施

3.1 选择更合理的密封材料

液化气泵改造前机械密封O 形圈材质为氟橡胶，动环端面材质为浸树脂石墨，静环材质为碳化硅。为了提高密封材料的耐高温性能，动环材质更换为浸金属石墨。浸树脂石墨虽然可获得较高的密度，但其使用温度低，高温摩擦磨损性能较差，适合做腐蚀环境中的密封件。浸金属石墨继承了石墨材料耐高温，耐磨损等特性，同时提高机械强度[3]；将O 形圈材质更换为全氟醚橡胶。全氟醚橡胶具有更好的耐化学性、耐热性，表面没有渗透、开裂和针孔等缺陷，长期工作温度为（-39～288）℃，短期可达315 ℃，在低于脆化温度下仍具有一定塑性，硬而不脆，可弯曲。

3.2 优化机械密封结构配置

为了解决端面发热问题，考虑通过降低机械密封端面比压的方式减少端面承受的载荷。由于端面比压由介质作用力及弹簧比压共同作用，而介质作用力相对稳定，因此通过将弹簧比压由原来的0.31 MPa/cm2降低 至0.21 MPa/cm2，使机械密封端面比压整体降低近30%，图2。通过以上调整，较好的控制了端面热量的产生，延长了O 形圈和动环密封的使用寿命。

图2 一级密封动环弹簧改至8 个

3.3 优化操作条件

平稳操作，严格控制脱乙烷塔回流罐液位≥40%，并加大脱水频次，要求每4 h 脱水1 次；严格控制罐区来液化气中C2 组分及其稳定性，并要求C2 组分≤10%，当回流罐压力＞0.3 MPa时，及时泄C2 至低压瓦斯系统。

3.4 改进机械密封冲洗方案

从泵排出口到密封腔管线上增加节流孔板，再从一级密封腔和泵入口处增加一条泄压线，减小一级密封腔处的压力，从而降低该处温度。

4 结束语

分析液化气机泵机械密封故障原因，提出从机械密封材质及结构和操作方面的改进措施。改进后，脱乙烷塔回流泵由改造前最长周期不到5 个月延长至可连续运行1 a 以上，降低了装置的安全平稳运行风险以及检修频率，产生了良好的经济效益。