热油泵机械密封面异常磨损原因及对策

徐建赟，李大鹏，王大勇

（克拉玛依石化有限责任公司，新疆克拉玛依 834003）

0 引言

二精密分馏装置热油泵操作压力0.4 MPa，温度范围180～195 ℃，介质润滑油WI80，机械密封型号YH609CAT-22，动环材料为碳化钨，静环材料为浸石墨酚醛树脂。使用4 个月后机械密封开始泄漏，此后机械密封寿命都在半年左右，机械密封达不到预期寿命。为此，车间进行攻关，提高密封使用寿命。

1 机械密封泄漏部位

机械密封泄漏机理比较复杂，泄漏点基本是密封面、动静环密封圈等，找到泄漏点后才能有针对性地探讨泄漏原因。采用外装式的方式，将泄漏的机械密封装进特制试压工具，使用0.3 MPa 压缩空气试压，将试压装置放进水槽。发现只有密封面有气泡冒出，断定是机械密封面泄漏，检查密封面无明显划痕，但存在磨损痕迹，泄漏静环密封面如图1 所示。

图1 磨损的静环密封面

2 机械密封面磨损原因分析

2.1 密封面有杂质

热油泵入口滤网为20 目，拆检滤网完好无杂质。热油泵介质是清洁的润滑油，机械密封面上也无沟槽等。这些说明颗粒杂质不是造成密封面磨损的主因。

2.2 静环耐磨性不良

静环采用浸石墨酚醛树脂，材料本身具有一定自润滑性，符合文献推荐的该工况机械密封静环标准。同一型号机械密封在条件类似的热油泵上使用效果良好，密封面没有异常磨损。因此静环材料也不是密封面磨损的原因。

2.3 密封面液膜润滑不良

机械密封面正常条件下会有液膜，起到润滑保护密封面作用。对于内装式机械密封，密封面外侧到内侧存在压力梯度，压力逐渐减小，最外侧是操作压力0.4 MPa，最内侧是大气压力。在密封面某一位置的温度对应的压力，可能会小于该温度下的液膜饱和蒸气压。因此，从该位置开始液膜汽化，密封面该点半径称为沸腾半径。在一定温度压力条件下液膜会汽化，因此，液膜可能存在以下4 个相态。

（1）全液相（液膜完全没有汽化）。此时密封面润滑最佳，但相对泄漏量会偏大，而且需要加强自冲洗冷却，能耗大。因此，生产上一般不采用全液相方式。

（2）似液相。此相态中液相多、汽化少，密封面润滑较好，泄漏量相对较少，自冲洗冷却能耗不大，泄漏较少而且密封面摩擦较小的理想相态。

（3）似汽相。此相态中液相少、汽化多，泄漏量和似液相相比，相差不大，但密封面润滑不好，对密封面有一定磨损，影响密封使用寿命，实际生产中不推荐该相态。

（4）全汽相。此时机械密封液膜完全汽化，密封面处于干摩擦状态，泄漏量暂时最少。此时密封面基本靠材料自润滑，密封面磨损最大。随着时间推移，密封面逐渐磨损，无法保证良好贴合。使用一段时间后，泄漏会突然增大而失效。经检测在用泵静环尾部温度为245 ℃，该温度对应的饱和蒸气压大于密封面液膜最大压力（密封面温度比静环尾部温度略高）。因此，机械密封液膜相态处于全汽相状态，密封面磨损较快，实际使用寿命不到设计时长的1/4。

3 液膜相态计算

3.1 液膜相态计算思路

机械密封要处于良好密封和润滑状态，液膜一般要在似液相工作。关键是要确定密封面的沸腾半径点，沸腾半径大小，决定了密封面液膜的液相和汽相比例，只有汽相比α＜0.2 时密封面液膜处于似液相相态。液膜相态计算非常复杂，有些参数很难实测和计算，甚至需要用超越电子方程计算。计算出的密封面温度也不足够精确，用公式直接计算密封面相态很困难，现场需要用简单的参数控制来判断密封面相态。为此，从现场实际出发，提出简化方法，先假定机械密封在最合适理想工作状态下，由此确定相应的端面比压，由端面比压公式可求出其中的似液相膜压系数；再根据汽相比α＜0.2 时，液膜相态是似液相，求出似液相沸腾半径。把沸腾半径参数代入膜压系数公式，由膜压系数公式就可求出似液相状态下的饱和蒸气压。根据饱和蒸气压对应的温度，最终求出似液相工作状态下的密封面温度。只要密封面温度不大于所求温度，则密封面液膜相态就是似液相。

3.2 计算过程

3.2.1 沸腾半径计算

3.2.2 膜压系数计算

端面比压Pb=Pf+Ps×（B-K），在适合状态下一般取0.3 MPa，弹簧比压取1.5 MPa，面积比，R0为轴径，Ps为介质压力。这些数据代入端面比压公式，即可求得膜压系数K。

3.2.3 密封面汽化温度计算

4 控制自冲洗油温

机械密封面的摩擦热由自冲洗油控制，原自冲洗的油冷器换热面积为0.7 m2。由于装置处于炼油加工末段，进出口循环水压差低，因此循环水流量不足，冷却器芯子换热效果不好且容易结垢，冷却后自冲洗油温度偏高，达不到给密封面有效降温的目的。为此，改用换热面积为1.5 m2的油冷器，采用循环水定期排污，冷却器使用3 个月后除垢等措施，保证油冷器的换热效率。更换新的油冷器后，实测自冲洗油温降低为140 ℃，此时现场检测静环尾部温度为166 ℃。根据文献实验数据显示，一般密封面实际温度略高于静环尾部温度3～7 ℃。现场实际测量静环尾部温度不便，通过静环压盖急冷水孔，用红外线测温仪测量，有一定偏差，给出5 ℃的安全余量。因此，机械密封面实际最高温度为178 ℃，小于计算得出的似液相状态下最高工作温度210 ℃，机械密封处于似液相的良好工作状态。

5 结论

通过控制机械密封面温度，保证机械密封处于最佳润滑相态。采用该控制方法，机械密封寿命超过2 年，热油泵机械密封使用年限达到设计要求。