胶乳泵机械密封失效分析及解决方案

陈玉新

(陶氏化学(中国)投资有限公司，上海，201203)

1 前言

胶乳泵是某公司胶乳装置的一台关键设备，用于将汽提塔中的物料输送到调节罐，其所输送物料为高温、粘稠且易结块的胶乳。该泵与一般的离心泵不同，在叶轮的前端还带有一个小的切割叶轮，用于切碎结皮、结块的物料。该胶乳泵在投入运行后的3个月内发生了6次机械密封泄漏，在密封失效的同时还伴有电机功率升高现象，严重影响了装置的平稳运行，进而造成了供货推迟等问题，是装置可靠性提高的最大难点。

本文采用Meridium软件、六西格玛工具对该胶乳泵的失效数据进行分析，判断机械密封的失效原因，并针对这些原因制定改进方案。方案实施后，该泵机械密封平均失效间隔时间(MTBF)从小于1个月延长到2年以上，大大提高了胶乳泵及装置运行的可靠性，取得了较好的经济效益，每年可直接、间接节约费用约50万元。

2 机械密封结构及辅助系统

机械密封是石油化工行业中流体输送泵最主要的密封形式，是泵可靠性运行中最重要的一环。其作用原理是在机械密封动静端面间形成稳定的端面膜，如果端面膜被破坏，密封就会发生泄漏。因此，解决密封渗漏关键是如何保证机械密封能够形成稳定的端面膜。

胶乳泵所用机械密封型号为Flowserve P-200型，是双端面平衡型多弹簧的集装式机械密封。集装式机械密封是静环、动环、补偿元件、轴套、静密封圈和压盖等组合为一个整体，其主要优点为：结构紧凑、对安装要求低、安装精度易保证、密封效果好。胶乳泵机械密封的静密封端面材料为碳化钨，动密封端面材料为石墨，O型圈材料为氟橡胶。

该密封系统冲洗方案为API plan 53A,通过带压的冲洗液罐向两个密封端面形成的封闭空间内提供清洁冲洗液，冲洗液在热虹吸作用下进行循环。由于冲洗液压力大于所要密封的工艺介质压力，所以即使机械密封发生泄漏，工艺介质也不会泄漏到大气环境中，适用于介质比较脏，含有颗粒或者易聚合的使用场合。冲洗液罐由氮气充压，安装有压力变送器和液位传感器测量压力和液位，冲洗液为去离子水(见图1)。

图1 胶乳泵机械密封冲洗方案Plan53A示意图

3 失效分析

3.1 失效数据分析

胶乳泵在投入运行后，在3个月内发生了6次机械密封泄漏，密封失效时还伴有电机功率升高现象。表1列出了该泵历次失效间隔时间和累积失效间隔时间。

表1 胶乳泵历次失效间隔时间和累积失效间隔时间

3.2 失效原因分析

收集历次胶乳泵机械密封泄漏时的工艺运行参数，以及该泵在拆解维修时的发现，然后利用六西格玛管理工具及Apollo根本原因分析方法进行根因分析。首先利用鱼骨图法列出了机械密封泄漏的可能原因，见图2。

图2 根本原因分析鱼骨图

再运用六西格玛方法中根本原因评估表，从原因发生的可能性、可行动性以及可测量性方面对这些可能原因进行评估并排序(见表2)，从而得到最可能的三个原因。

表2 根本原因评估表

从表2中可以看出，机械密封泄漏最可能的三个原因是：

(1)密封腔易积料：从胶乳泵维修记录及照片中均可发现密封腔体中存在粘稠成块的胶乳，甚至有几次发现密封腔充满了胶乳块，在泵轴轴套处也发现了胶乳块与轴套摩擦产生的擦痕，这也解释了在机械密封泄漏时，为什么会伴有电机功率异常升高的现象。测量发现密封腔叶轮侧壳体与轴的间隙大于5mm，因此结皮胶乳可顺利通过此间隙进入密封腔并逐渐在里面堆积。

(2)密封端面胶乳易粘结：从胶乳泵维修记录及照片中，均可发现机械密封面有胶乳凝聚，拆开的动静密封面间也有胶乳存在，甚至在冲洗液管线及冲洗液罐中也发现了胶乳。判断结块胶乳进入密封腔后，粘结在机械密封端面处，然后慢慢侵入动静密封面之间，破坏了密封端面之间的液膜，导致了机械密封的泄漏，进而更多胶乳进入密封冲洗系统，进一步加剧了密封泄漏。

(3)密封冲洗液循环不好：测量机械密封冲洗进出管线温度发现，进出管线温度相差在15—25℃之间，大大超出了正常的温差。拆开冲洗管线后发现，密封冲洗管线及冲洗液罐中有大量胶乳存在，严重影响了冲洗液的循环流动，也导致机械密封面之间润滑不好，加剧了密封损坏及泄漏。

4 解决方案及可靠性分析

4.1 解决方案设计

针对上述三个主要失效原因制定了如下解决方案：

(1)在密封腔叶轮侧壳体上安装喉套，控制喉套与泵轴之间的间隙为0.3mm，减少进入密封腔的结皮或成块胶乳，解决机械密封腔室内积料的问题。

(2)在保持原有密封系统冲洗方案API plan 53A的同时，增加冲洗方案API plan 32(见图3)，解决胶乳在密封面粘结的问题。Plan 32把外来清洁冲洗液注入到密封腔内部，直接冲洗密封端面，然后进入泵腔，并带走热量。由于胶乳泵输送介质中含有水，因此选用去离子水作为冲洗液。但进入工艺侧的水会造成产品固含量降低，因此，还需要控制冲洗液流量，并在其他处减少同样的水量，保证不影响产品的固含量。

图3 胶乳泵机械密封冲洗方案Plan32示意图

(3)彻底清理密封冲洗液罐及管线，设定冲洗液罐的压力比密封腔压力多1bar，设定冲洗罐低液位报警，定期测量冲洗液进出管线的温度。由于冲洗液罐的压力比密封腔压力大，即使密封出现轻微泄漏，也是冲洗水泄漏到胶乳侧，而不是胶乳泄漏到冲洗系统，从而解决了冲洗液循环不畅的问题，保证密封端面间液膜的稳定性。

(4)基于失效模式及后果分析，制定胶乳泵的维修策略，特别是机械密封及冲洗系统的预防性和预测性检查计划、备件计划，并更新了操作和维修程序，确保胶乳泵运行的可靠性。

4.2 可靠性提高分析

实施上述解决方案后，胶乳泵的机械密封使用寿命有了质的提高。在新的机械密封投入使用后，两年之内没有发生泄漏，也没有发生电机高功率现象。定期测量冲洗液进出管线温度也发现，进出管线温差从改造前的15—25℃降低到正常的3—5℃，说明冲洗液循环正常。

利用Meirdium软件进行可靠性增长分析(Growth Analysis),累积失效间隔时间直线斜率β值从改造前的0.86降低为0.46(见图4)，说明机械密封的平均失效间隔时间有了显著的提高。

图4 胶乳泵机械密封寿命可靠性增长分析图

综合考虑胶乳泵机械密封更换的备件费用、人工费用以及非计划故障对生产造成的损失，该泵机械密封平均失效间隔时间的延长每年可节约费用约50万元。

由于胶乳泵机械密封泄漏是该公司同一业务所有工厂的共性问题，此解决方案成功后，进而在全球其他工厂进行了推广，也都成功解决了其他工厂胶乳泵密封失效的问题，为公司带来了较好的经济效益。

5 结束语

通过对胶乳泵双端面机械密封的问题总结，以及数据收集、根本原因分析、解决方案的制定及实施，从根本上解决了胶乳泵机械密封频繁失效的问题，大大提高了该泵机械密封的使用寿命，同时提高了该泵的可靠性，保证了装置的平稳运行。改造完成后继续追踪胶乳泵机械密封的表现，并进行可靠性增长分析，进一步证明了根本原因分析及解决方案的准确性，进而在全球其他工厂进一步推广，为公司带来了较好的经济效益。