高温循环冷却洗涤水泵机械密封技术改造

陈树磊

（云南解化清洁能源开发有限公司解化化工分公司，云南 开远 661600）

我公司高温循环冷却洗涤水泵是气化炉出口粗煤气洗涤、冷却单元的重要设备（汞技术参数见表1）。该泵的作用是输送含酚水进入喷淋洗涤冷却器，将气化炉出口的含粉尘粗煤气进行洗涤、冷却。含酚水（简称酚水）经过后续的洗涤、冷却装置（如废热锅炉、文丘里）的底部回到泵入口，泵将酚水进行循环加压后再利用。洗涤清洁后的粗煤气送变换工段进入下一工艺环节。该泵的运行情况直接影响送出煤气的洁净度，进而影响变换工段的处理能力。工段上最重要的工作是保障气化工段内酚水管线畅通，避免因酚水管线被煤气中所带出物堵塞后被迫停炉。该泵是保证酚水管线畅通的重要设备。该泵自投运以来年检修频次极高，主要是机械密封泄漏失效。经统计年检修频率为24次/台，全年必须保证3台循环冷却洗涤水泵连续工作，年检修总次数为72次，年检修费179280元。

该泵为单级单吸悬臂式离心泵，原配普通单端面镶装硬质合金机械密封。在气化炉压力波动频繁、煤气带出大量粉尘时，原机械密封使用寿命仅有7～15d。

表1 高温循环冷却洗涤水泵技术参数表

1 原机械密封存在的问题分析

1.1 机械密封结构及其失效现象

原机械密封采用内装式单端面平衡型密封，其结构如图1所示。动、静环为镶嵌硬质合金环，机封冲洗系统采用简化的API32方案，冲洗水使用高于阻隔介质0.2MPa的渣池水。

图1 原机械密封结构

该密封在使用过程中频繁出现下列现象：密封面外缘处常有1.5mm左右宽的环形黑带（称之为烧边）；静环面内圆有深度0.05至0.2mm的环形磨损凹槽；非接触摩擦边界上可见明显龟裂纹；弹簧座、弹簧、轴套附着较硬的垢状物；动环O形圈、静环O形圈明显溶胀变形。

1.2 失效原因分析

1）输送介质的特殊性。循环冷却洗涤水泵输送的介质特殊，水介质中含有酚等化工介质，并含有量固体颗粒，温度和压力也较高。介质有特殊腐蚀性、固体颗粒磨损性和易汽化性。

2）机械密封结构的不合理性。原机械密封采用散装结构，虽然结构简单，但不能适应该工况的特殊性。原机械密封动环和静环均采用镶装的硬质合金环。尽管硬质合金环能抵抗固体颗粒的磨损，但硬质合金镶装时，一般均采用较大的过盈量，通过热镶而成。硬质合金环与金属环座之间存在着内应力（残余应力），而这种内应力（残余应力）并不均衡，且该内应力会随着时间的延长逐步释放，使密封端面发生不均匀变形，结果是密封端面的平面度满足不了使用要求，出现泄漏［1］。

另外，密封端面的两侧（介质侧和大气侧 ）存在温度差，密封端面的摩擦也产生热量。存在温差就会产生热变形，这使得密封端面的变形更为复杂。机械密封环既有内外压差产生的力变形，也有温差产生的热变形，还有残余应力产生的变形。这些变形一般情况下，很难预测和控制，尤其是残余应力引起的变形。由于温度较高，酚水通过密封端面时还会产生汽化，进一步降低了密封端面的润滑性能，使得密封端面发热严重。密封端面间产生的激烈摩擦，使得硬质合金属环面在极高的热应力状态下工作，最终环面磨损加剧、并形成龟裂及疤痕［1］。

再者，酚水中的固体颗粒沉积在动环形密封圈处，使得O形圈不能移动。同时，介质中的煤焦油与颗粒，沉积在弹簧处，堵塞弹簧使其失效。O形圈或弹簧的堵塞，使动环失去了浮动性，造成了泄漏。

3）机械密封辅助系统的冲洗水水质达不到要求。该泵机械密封的冲洗水是采用冷却气化炉而排出的渣池水，该水的水质较差，并含有固体颗粒，温度约为35℃。该冲洗水通过ZDF50X7多级离心泵加压后，引至机械密封冷却水进口。该机械密封采用外供冲洗冷却水的API32方案，本意为迅速带走密封环摩擦所产生的热量，防止端面液膜气化。但从实际效果来看，由于冲洗水固体颗粒含量较高，黏度较大，温度也较高，对机械密封的冷却效果不明显，并会形成水垢和固体物沉积，并且加剧了动环O形圈、弹簧等堵塞，使得密封环的浮动性丧失。

4）动、静环辅助密封材料选择不合理。原机械密封配置的动、静环辅助密封圈材质为氟橡胶。虽然氟橡胶耐大多数化工介质，但酚水介质成分复杂，含有能使氟橡胶溶胀的成分。从使用效果来看，氟橡胶在酚水介质中溶胀明显。氟橡胶O型圈的过度溶胀使得动环浮动困难，从而导致密封泄漏失效。

2 机械密封改造的技术方案与实施效果

2.1 机械密封技术改造方案

为了解决原机械密封存在的问题，在广泛调研的基础上，对该机械密封进行了技术改造。技术改造的技术方案如下：

1）采用集装式机械密封结构。为了提高机械密封安装精度和使用可靠性，采用集装式机械密封结构，新的机械密封结构如图2所示。该集装式机械密封设置了两套不同的机械密封，属于双密封结构。一套是介质侧机械密封，属于主密封。另一套是空气侧机械密封，属于副密封。主密封承担密封腔的压力，副密封承担清洁冲洗水的密封。在两套密封之间引入清洁的低压水进行循环冷却，属于API55冲洗方案。主密封、副密封均采用整体环结构。介质侧辅助密封圈选用全氟橡胶（FFKM）。采用集装式机械密封有如下优点：整体拆装，安装方便。无需现场调整机械密封弹簧压缩量，减小维修安装时的人为误差，保证安装精度。

图2 集装式机械密封结构

2）改进冲洗方案。保留原API 32冲洗方案，但冲洗水采用经过沉淀、分离后的新鲜酚水（温度：85℃）直接从冲洗口（F）进入泵的密封腔内，对介质侧的主密封环进行冲洗冷却。冲洗水压力稍微大于密封腔内压力0.1MPa以上。既能够使冲洗水进入密封腔的量最少，又能阻隔泵的输送介质进入密封腔，使得主密封端面处的介质环境相对清洁、低温［2］。主密封端面接触介质温度由160～175℃降低至85℃左右。该冲洗水与泵输送介质相同，并不增加污水处理成本。

另外，在介质侧增加一段螺旋密封，其作用是使冲洗水迅速进入密封腔，确保泵输送的介质不会返混到主密封端面，同时可降低冲洗水的压力要求。冲洗水和螺旋密封阻止了酚水中的颗粒物沉积在主密封附近的沉积，改善了主密封的工作环境。

另外，在主密封和副密封之间，引入清洁的水对主密封内侧和副密封外侧进行冷却润滑。即新增API 55冲洗方案。该冲洗水为低压的清洁循环水，压力为0.2～0.3MPa。从冲洗水入口（LBI）进入，从冲洗水出口（LBO）流出。该冲洗水对在冷却润滑主密封、副密封的同时，带走了从主密封泄漏的介质，确保了密封环境的清洁。

3）密封端面采用螺旋槽上游泵送结构。为进一步改善密封端面的润滑状况，在主密封、副密封的一个端面上加工双密封坝螺旋浅槽。如图3所示。螺旋槽的作用实现上游泵送功能［3］。对于主密封，将泄漏的介质泵送回密封腔，或将清洁的水泵送入密封端面。对于副密封，将泄漏的清洁水泵送回两密封之间的腔体，减少清洁循环水空气侧的泄漏。

图3 双坝螺旋槽密封端面

2.2 技术改造实施效果

该技改项目于2018年3月完成技术改造，投入运行后效果明显。系统满负荷运行情况下，全年必须保证3台循环冷却洗涤水泵连续工作。自2018年3月改造完成后，统计至2019年3月。该泵总检修6次。每年循环冷却洗涤水泵共节约成本141120元。通过此次技术改造，达到了降低生产成本的，改善环境，降低劳动强度的效果，并为今后此类机械密封的技术改造提供了经验和技术支持。

3 结语

该技术改造项目采用了许多机械密封的新技术，如集装式结构、整体环技术、螺旋槽上游泵送技术、复合冲洗方案、多种密封配合等。项目组成功地对循环冷却洗涤水泵机械密封和密封辅助系统进行了技术改造改。2018年3月至2019年3月之间，五台泵的检修情况表明，改造后机械密封平均使用寿命达到8个月，达到了技改的预期目的。这次技改的经验表明，对于用在特殊环境介质中的机械密封进行技改，需要同时对机械密封结构和冲洗方案进行技术改造。同时也表明，在含固体颗粒高温循环洗涤水泵上采用集装式双端面螺旋槽机械密封技术是可行的，也验证了螺旋槽密封技术对含固体颗粒介质的有效性。机械密封新技术的应用不仅保证了气化炉的稳定运行，同时降低了备品备件的消耗和开支。通过此次技术改造不仅达到了降低生产成本的目的，而且为今后此类机械密封问题的解决提供了经验和技术支持。