机泵试车时机械密封失效的原因与预防措施

覃 彧

（神华工程技术有限公司，北京 100011）

烯烃化工项目试车过程中，化工泵暴露最多的问题是机械密封泄漏，泄漏是机械密封失效的主要表现形式[1]。造成泄漏的原因为两大类：①密封件本身，包括结构、材料、制造等因素，主要取决于制造厂；②密封件使用条件，包括安装、介质、外界环境、密封系统、操作使用等因素，主要取决于用户。本文重点分析了机泵安装和试车过程中的机械密封容易出现的问题。

1 机械密封的定义及结构

机械密封是一种用于旋转流体机械的轴封装置。用于离心泵、离心机、反应釜、压缩机等设备，轴和设备腔体间存在一个圆周间隙，设备介质从中泄漏，因此必须设一道阻漏装置。因机械密封具有泄漏少、寿命长等优点，成了主要的轴密封方式。在国家有关标准中的定义：由至少一对垂直于旋转轴线的端面组成，在流体压力及补偿机构弹力（或磁力）共同作用下，以及辅助密封圈的配合下，该对端面保持贴合并相对滑动，而构成的防止流体泄漏的装置。

机械密封（Mechanical Seal）又称端面密封，这种装置主要是借助一对或者是多对与轴保持垂直状态并处于相对滑动状态的端面在受到流体压力以及弹力的作用后仍然维持贴合状态，同时配合使用密封处理从而实现阻漏的一种装置[2]。它具有非常好的密封性，基本不会产生泄漏，且能够使用很长时间，维修次数少，能够满足各种工作环境需求。

目前，项目上基本采用的都是集装式机械密封，符合API682《离心旋转泵的轴封系统》要求。并配置API标准的冲洗方案及辅助管路系统。每个集装式机械密封带有可更换的轴套。集装式机封把其中各个零件集合在一起形成了一个统一的整体，安装过程非常简单，首先将压盖以及轴套进行固定处理，随后再将定位块取下来即可完成，一般挡块厚度为弹簧压缩量，从外部易于观测。由于制造厂家出厂前完成了预先装配和调试，完成了静压、运转试验，因此现场安装方便快捷，基本排除了机封本体安装不良的影响。

2 机械密封的工作原理

机械密封的工作原理参见图1，它的压紧力主要是通过弹性构件以及密封媒介受到各种压力作用后而产生的，这些压力会使两个端面紧紧地粘贴在一起，同时在两个端面之间注入少量液体膜，从而实现良好的密封性。注入的液体膜能够产生一定的流动性压力以及静止压力，从而实现润滑的效果，同时也能够保持压力的平衡[3]。

图1 机械密封结构原理图

当旋转轴（9）处于旋转状态时，可以将螺钉（10）旋紧，从而使动环（1）发生旋转。防转销（6）一直以静止状态固定在压盖（4）上，目的在于预防静环发生转动。在密封端面出现磨损现象时，动环（1）以及动环密封圈（8）会受到弹簧（2）的推动力，沿着轴的方向发生十分细微的运动，从而实现一定程度的补偿功能。

机械密封一般有四个密封部位（如图1中A、B、C、D）。其中，A通道是借助旋转环与静止环紧密贴合作用后形成的一种动态密封效果，这是一种隶属于机械密封装置范围内的主密封，同时也是对机械密封性能影响性最大的因素[4]。所以说，它对于密封端面具有十分高的要求，尤其是在端面加工方面，当压力超出标准时，很难形成稳定的润滑液膜，同时也会使端面磨损速度更快；而压力低于标准值时，会导致泄漏情况变得更加严重，因此要想同时实现较强的密封性以及耐用性，最重要的便是确保端面受到的压力处于标准范围内。

其中密封面B、C、D分别为压盖与静环、动环与轴或轴套、压盖与泵壳端面间的密封，把它叫作副密封。这三个部位均为静止状态的密封，通常情况下不会发生泄漏问题。

通过一系列零件将径向密封转化为轴向密封，在弹簧和介质压力共同作用下，对由于设备运行所造成的轴向磨损可以及时补偿，使轴向密封面始终保持贴合。由于机械密封（轴向密封）在运行中可以对轴向磨损进行补偿，而填料密封（径向密封）不能对径向磨损进行补偿，故机械密封比填料密封寿命长。

3 机械密封失效的原因

整个机械密封发生泄漏时就可认为已经失效。其失效主要的标志主要是：密封系统流体损失的量超标；密封系统内压力降低的值超标；加入密封系统的阻塞流体或缓冲流体的量超标。

烯烃化工装置中大部分泵输送的介质为乙烯、丙烯等轻烃介质，很多还是低温泵，工况特点：温度低，易气化，黏度低，压力较高[5]。烯烃泵机械密封特点：轻烃是低分子碳氢化合物的通称，这类介质在常温常压下呈气态，加压后（高于该温度的饱和蒸汽压）以液态存在，温度高或压力低，介质会汽化。泵内输送的介质均为液态。在密封端面，会产生汽化，端面存在汽液两相，受多种因素影响易变化，故烯烃泵工作不稳定，易失效。主要有以下原因：

1）杂质进入密封面。通常是由于隔离液进入杂质、试车用水有杂质、冲洗液有杂质、泵体内存有杂质等原因引起。由于试车阶段，管路中的清洁度往往达不到机封的使用要求，虽然也采取了吹扫、冲洗、过滤等措施，但由于实施的不到位，造成了杂质随着系统内介质的流动进入机封的密封面，造成了泄漏。

例如：液化丙烯泵试车时由于配备的临时管道没有严格按照焊接工艺执行，未采用氩弧焊打底，临时管道冲洗时不到位，杂质带到筒袋泵底部内，进而造成了部分细小的杂质进入了主密封面，试车过程中隔离液缓冲罐液面升高，发生了甲醇泄漏。现场拆检机封后密封腔内有发现有焊渣。

2）辅助密封圈失效：橡胶O型环的溶胀，由一般情况下橡胶与溶剂一类的介质无法相容，因此O型环非常容易出现开裂、软化等问题；O型橡胶的老化通常是以硬化作为体现的，主要是由于储存时间超过规定时间，与阳光和氧气进行了充分接触，从而引起硬化。

例如：乙烯精馏塔回流泵在实际试车过程中，机械密封发生泄漏，更换备用密封后还是泄漏。检查后分析原因为：机械密封内的O型环中不耐甲醇，甲醇浸泡后发生变形，因此泄漏。后更换机械密封O型环（耐甲醇）后没有发生泄漏，甲醇介质试车顺利进行。

3）泵试车操作工况问题。轻烃泵的工作介质为乙烯、丙烯等低温介质，如果采用水为试车介质时，会有如下后果：

（1）由于水和烯烃介质比重相差较大，泵电机输出功率不能满足水试车的需要；

（2）由于试车后泵机械密封内的水不能保证全部排空，特别是筒带泵筒带内的水分，正式生产时可能冻坏设备。因此烯烃项目的通常做法是试车介质采用甲醇。

例如：乙烯输送泵由于试车时条件限制，泵入口压力过低造成甲醇气化，排气不及时，泵抽空形成负压，机械密封O环瞬间被吸出，造成了机封的泄漏。后正常工况时没有发生泄漏现象。

4）泵运行问题。泵本身振动，窜量超标。此情况下引起：动环疲劳磨损、动环补偿环部分浮动差，橡胶O型环内周被磨损，机械力引起密封环的扭曲、挤压、弯折。

例如：生产水泵试车时振动严重超标，机械密封漏水严重。拆检发现：泵的驱动端机械密封压盖与轴套相碰，有磨损的痕迹；轴套上是圆周均匀磨损，压盖是内径局部磨损。后厂家更换了密封体，并对磨损的压盖和轴套进行了修整、组装。

5）机封本身安装问题，包括机封零件松动引起传动失效；轴的表层缺乏光滑性，当轴与密封件之间的角度偏移而发生一定程度歪斜时，轴套与O型圈接触处磨损等情况。

例如：吸入罐底泵运行时机封扭矩传递环的紧固螺钉松动，造成传动失效。因此试车前应检查扭矩传递环的紧固螺钉是否松动。

6）冬季施工保护措施不到位，设备试车后水未排尽，特别是越冬的项目，机封内残留的水在机封内结冰，造成密封面粘连，盘车时容易损伤机封。

7）系统试压时压力过大或反向受压（双端面密封），使得静环脱出、变形，从而造成机封泄漏量大或不正常。

8）泵运转时振动太大使动环运转中产生径向和轴向振摆，液膜厚度变化大，有时密封面被推开，造成泄漏量增大。

4 试车时注意事项及预防措施

1）在起动泵之前仔细清洗新安装的管线，因异物如灰尘、铁锈、焊渣或金属颗粒遗留在管道中可能损坏机械密封。加注缓冲液之前，应清洁系统，特别是缓冲罐新加入缓冲液后应从底部放掉一部分污染的液体。外部管路应彻底清扫，必要时应对系统进行吹扫，吹扫时切忌让杂物进入泵体内。虽然API682里面对于机封冲洗液的颗粒度没有做明确技术要求，但冲洗液的清洁度越高则对机封密封可靠性越好。

2）启动前应进行手动盘车，避免动环、静环因突然启动损坏。用手盘车，注意转矩是否过大，有无擦碰，有无不正常的声音。只要精加工的密封表面互相间保持均匀接触，由于毛细作用在它们之间就会形成一薄层液体。这样，在泵操作期间，在机械密封中就会进行完善的润滑，为了不阻碍毛细作用（这种毛细作用对机械密封的服务寿命是非常重要的），不可过度弄紧密封面。泵起动后，立即观察到轻微的泄漏，在一定的操作时间内，它也可能消失，在这段操作时间内，啮合表面将靠自身而相互适应。

3）试运转中，应尽可能预防产生零件松动的现象，应注意振动及声音的变化。通常情况下，由于安装误差或操作不当等问题导致设备发生振动现象，从而进一步引起密封性能异常降低。在遇到这类问题时，首先应进行紧急停机，随后检查设备中各个部件是否正常，并进行适当调整。

4）当泵送液体易于挥发或蒸发时要特别小心，因这样的液体可能将气体遗留在系统中而诱发空穴或涌动，它会损坏或破坏机械密封，为了防止这样的故障，管线必须有排气孔或某种其他设施。泵起动后，立即打开出口阀并确保泵正常输送液体。

5）密封循环液应选用润滑性好，饱和蒸汽压低的液体，且不应对机械密封金属和非进驻材料产生腐蚀，对泵输送介质不污染，不含有杂质、细小颗粒，不易结垢、结晶、结焦。冬季，在开泵前要对密封辅助系统各部件及管路预热，保证密封缓冲液有较好的流动性。

6）应时刻关注是否有杂质混入端面当中，并引起发热以及异响等问题。在运行过程中应避免干摩擦现象的发生。而处于间歇性运行的泵来说，停泵后物料在干燥状态下产生的结晶以及温度降低后而形成的结晶，在开启泵的同时必须使用冲洗措施或者是加热手段，预防结晶将端面划伤，使密封性能下降。

7）各种循环保护系统以及设备状态是否可靠。必须观察是否因停水导致冷却失效问题，从而引起密封性能下降，或者是否存在冷却管堵塞现象。

8）防止泵运行中的抽空或者气蚀发生。抽空是泵启动前没灌泵、进空气、液体不满或介质大量汽化，这种情况下，泵出口压力近于零或接近泵入口压力，泵内压力降低，这叫抽空。抽空会让泵内接触零件和机械摩擦副发生干摩擦或半干摩擦，加剧磨损或零件移位而损坏泵及密封。在运转中的泵，由于泵内各点压力及温度的差异，介质中溶解的气体溢出或介质组分的局部汽化，同时在另外某些处又不断溶解和凝聚，导致泵内产生高速、高压、高频的水力冲击，这叫汽蚀。汽蚀使泵发出噪音，泵体振动，出口压力大幅波动，严重时损坏泵的某些零件：如叶片出现麻点或蜂窝状，叶轮耐磨环磨损或脱落，叶轮锁紧螺母松动，甚至断轴，抱轴等，机封发生失效及至损坏。

9）试运转中，应注意设备的振动和声音的变化。由于轴和机壳的热膨胀差异，机器可能出现振动超标，在这种情况下，会诱发密封故障。这时应停机并对管线、联轴器、地脚螺栓等部分再次加以调节和紧固。

10）机械密封辅助系统是保证机械密封正常工作的必要组件，有压力、温度、耐蚀性等要求。通过冲洗、冷却、过滤、分离等方式进行冷却和润滑，从而改善密封的工作环境，减少密封的泄漏量，延长使用寿命。辅助系统可以减小温升保持端面良好润滑，在易汽化介质中保持密封腔压力高于饱和蒸气压使之不汽化，在低温泵中保温和供热，对于有固体颗粒出现的结晶和强腐蚀介质的密封，能保持密封不受损坏。工作中应保持循环密封液的液面或总量的稳定，定时观察压力罐的视镜液面或增压罐活塞杆位置，缓冲液缺少较多时应及时补给。同时注意缓冲液的清洁及管路畅通，整个密封系统的温度压力变化不超过允许范围。通过手动补液泵补液时，先打开补液阀门，再摇动补液手柄，液面满足使用要求或增压罐的活塞杆达到下端后停止，关闭补液阀门。注意不可过量补给，以免造成系统压力过度升高，损坏机械密封和其他系统部件。

11）泵停机后，停止密封辅助系统及冷却系统，及时将泵内的介质排放干净。

5 结束语

机械密封是泵的一个薄弱部位，在泵安装和试车过程中很容易发生问题，开车备件里一般都配有机械密封。通过观察机械密封失效的外部症状，进行拆卸前和卸中的检查，判断机封失效的原因，及时采取相应整改措施，避免造成不必要的损失和浪费，确保试车工作顺利进行。