大型热水泵机械密封泄漏原因分析及改进措施

杨 剑

（中国石油大庆石化分公司塑料厂，黑龙江大庆 163714）

0 引言

大型热水泵是高压聚乙烯装置核心设备，主要用于高压装置反应器撤热，其机械密封运行的可靠性直接关系到装置的安全平稳生产。某石化公司塑料厂20 万吨/年高压低密度聚乙烯装置采用德国Basll 公司专利技术，由意大利TECNIMONT 公司承建，装置于2005 年7 月建成投用。装置热水泵P1801、P1802由嘉利特荏原泵业有限公司设计制造，设计流量1620 m3/h，全扬程174.6 m，温度210 ℃，出口压力3.2 MPa，转速1495 r/min，功率1000 kW。离线备有2 台备用泵头，不能在线进行切换，采用集装式机械密封，PLAN21 冲洗方案。由于地处北方循环水钙离子含量较大，自冲洗换热器结垢情况较为严重。自投用以来机械密封故障率较高，机械密封寿命在6 个月左右，多次出现机械密封泄漏导致装置被迫全线停车。

为了保障装置稳定生产，技术人员想了很多措施，包括换热器加并联、实现换热器在线切换，但效果均不理想。后来想采用脱盐水给自冲洗换热器冷却的方案，但是需要增设一套闭路脱盐水系统，投资很大。经过调查研究，国内同种工况的高温高压热水泵机械密封冷却大多数采用PLAN23 冲洗方案。经过对两台热水泵的机械密封进行改造，使用PLAN23 冲洗方案，彻底解决了设备机械密封寿命短的问题。

1 机械密封失效原因分析

1.1 泵设计选型缺陷

该装置原始设计选用的热水泵由日本福斯制造，为了节省成本壳体材料选用碳钢，由于泵正常运转时介质主要为反应器R1301 高温撤热后的中压热水，热水在回到热水罐中后压力突然降低会出现闪蒸现象，因此泵入口压力波动较大，泵汽蚀现象较严重，泵体振动加剧，导致壳体冲刷严重，自装置开工截至2010 年，壳体冲刷损坏2 台。由于振动大机械密封损坏比较频繁，平均寿命6 个月，严重制约装置长周期运行，利用2010 年7月份大检修期间对泵头进行更新。新泵由嘉利特荏原泵业有限公司设计制造，泵体材料为奥氏体不锈钢，同时通过优化操作稳定热水储罐压力。开车后，泵的整体振动水平由原来的4.5 mm/s，下降到1.5 mm/s 左右，运行平稳。拆解泵壳体，未发现冲刷痕迹。由于振动下降，机械密封平均寿命能够达到12 个月左右。

1.2 机械密封结构以及冲洗方案选型不当

当初分析认为，机械密封损坏的原因是泵运转时存在汽蚀、振动大是导致机械密封损坏泄漏。因此设备整体更新时未对机械密封和冲洗方案进行优化。自2011 年8 月份泵东侧机械密封频繁出现泄漏，最大时机封泄漏状态变为喷射状，喷出的中压蒸汽长度约1.5 m，严重影响装置的长周期生产运行，同时带来了很大的安全隐患。该装置热水泵出口温度210 ℃、压力为3.2 MPa，属于高温高压。PLAN21 冲洗方案见图1。

图1 PLAN21 机械密封冲洗方案

自冲洗液从泵出口通过孔板节流经过换热器回到密封腔，由于泵出口与密封腔之间有压差，热介质流量、流速较高，温度达到210 ℃。同时，我国北方循环水中钙离子含量大，钙镁盐类结晶会从波纹管与折流套间析出，形成水垢的速度很快，导致自冲洗液温度高，现场实际温度表显示可达150 ℃。查阅相关资料，150 ℃的热水已经完全丧失了润滑性，导致机械密封动、静环出现干摩擦，同时高温高压的热水进入机械密封中会在密封腔中汽化、对密封面形成冲刷。实际拆解的机械密封中出现很多沟痕，验证冲刷确实存在。同时，辅助密封环长期在高温下运行出现材质老化变硬丧失弹性失效，增加了泄漏的风险。为了解决冲洗液温度高的问题，对自冲洗换热器在线加并联换热器，实现一用一备。但是由于换热器切换过程中冲洗液的温度和流量的波动太大，导致机械密封动、静环间形成的润滑膜产生破坏，巨大的温差还会导致石墨环破裂，实际应用效果很不理想。2013年10 月在一次换热器切换过程中，导致了机械密封的直接损坏，大量泄漏的高温高压热水喷射出来，装置被迫停车。

2 改进措施

随着装置长周期、大负荷生产的要求，热水泵机械密封的寿命短的问题显得尤为突出，为了解决机械密封寿命短的问题，保证装置长周期运行，成立攻关小组通过研究主要有两种思路：①换热器冷却液采用闭路脱盐水，解决换热器结垢换热能力下降的问题，保证机械密封冲洗液的温度平稳；②改进机械密封结构型式以及机械密封冲洗方案。第一种方案，需要增加一套脱盐水储罐、换热器、循环泵，投资成本较大、现场占地面积较大，没有可实施性。因此只能采用第二种方案。

机械密封的使用工况主要有压力和温度两个因素，针对此热水泵机械密封的实际情况，针对高温高压水泵机械密封的实际工况，新的密封改造方案采用T-48V 型单端面集装式机械密封+API PLAN23 辅助系统方案。新的机械密封结构主要由补偿环、配合环、辅助密封、泵效环等组成。PLAN23 冲洗方案见图2。

在密封腔处设置循环进出口，外接换热器，密封腔内部设置泵效环为循环提供动力。同时辅助密封密封O 形环材料为FFKM，耐温达到320 ℃，解决了辅助密封高温老化使密封失效的缺陷，新系统使热介质在密封腔内部形成近似封闭的循环冷却系统，冷却效率大大高于PLAN21 方案，可以将热介质温度控制在80 ℃以下，从源头上减少冷却水在换热器内部结垢的程度。更重要的是，密封腔内热介质温度低于80 ℃，从根本上避免了热介质汽化的可能，使配合环与补偿环之间得到良好润滑和冷却，延长了机械密封的整体使用寿命。

图2 PLAN23 冲洗方案

3 使用效果

自2015 年7 月改造投用以来，热水泵机械密封运转至2018 年7 月大检修，已经连续运转3 年未出现泄漏，保障了装置的长周期稳定运行。通过本次改造，高温高压工况的热水泵机械密封对冲洗要求较高，同时辅助密封件的材质必须满足工况的要求。