热媒泵机械密封的失效原因及预防措施

宋东东，郭洋洋

（江苏德力化纤有限公司，江苏 宿迁 223800）

1 概述

在聚酯及纺丝生产过程中，各装置所需热能均通过热媒的二次热传递实现，因此，热媒泵作为热媒输送的主要设备，对整个生产过程起到至关重要的作用，而机械密封泄漏是热媒泵最常出现的故障。此外，在江苏德力化纤有限公司，作为主要热载体的联苯-联苯醚属于有毒有害物质，在遇到高温、明火的情况下还有可能引发火灾，一旦泄漏非常危险，所以对其常见失效情况进行分析并提前预防很有必要。

2 热媒泵用机封结构组成和工作原理

江苏德力化纤有限公司采用德国ALLWEILER阿尔维勒CHN-B系列离心泵作为热媒泵，机封形式为串联式双端面机械密封（图1），密封组件中有两组密封副以串联方式布置：内侧为主密封，起到密封高温介质的作用；外侧为副密封，可密封两套机封之间的密封液，并可在主密封意外失效时起到安全密封的作用。在机封运转过程中，压力、温度和流量适宜的密封液由入口进入密封组件间隙，之后从出口流出，产生循环流动，一方面为主密封提供缓冲或阻塞流体，另一方面对密封组件进行冲洗和冷却。在该串联式机封中，主密封为金属波纹管式机械密封，副密封为多弹簧式机械密封。虽然两组机封补偿机构的弹性元件不同，但都是利用机封弹性元件的推力和密封介质的压力压紧垂直于旋转轴的机封动、静环端面，使动、静环接触面紧密贴合，在密封面间形成极小的间隙，当有介质通过该间隙时，形成一层液膜造成阻力。此外，还需要与各辅助密封件配合来阻止热媒泄漏，达到密封的目的。其工作特点是将容易泄漏的轴向密封转变为较难泄漏的静密封和端面径向接触的动密封[1]。

由图1可知，主、副密封的动环利用紧固螺钉固定在轴套4上，轴套借助键随泵轴一起转动，静环分别固定在泵盖和机封压盖上，通过防转销防止转动。其中，各静密封点的O型圈、楔形环和密封环起到辅助密封的作用。

3 机械密封失效原因分析

从机封的结构组成方面而言，造成机械密封失效的主要原因大概可分为弹性元件失效、动静环失效、辅助密封元件失效以及其他原因。

3.1 弹性元件失效

3.1.1 弹簧或金属波纹管断裂

当机泵运转不平稳，出现抽空、振动大等情况时，弹性元件会在交替变换的载荷长期作用下，产生疲劳甚至断裂。此外，热媒泵长时间停用导致动静粘连，突然启动也会导致金属波纹管出现断裂失效（图2）。

图2 波纹管失效实例

3.1.2 弹簧或波纹管失弹

机封在长时间使用过程中，热媒杂质进入波纹管内部空隙结焦，使其弹性变小进而失弹。弹簧也可能因为长期处于高温环境下且生产工艺不达标而出现失弹问题。

3.2 动静环失效

3.2.1 密封环镶嵌结构松动、脱落

在高温介质条件下，密封环镶嵌结构会发生松动、脱落。

3.2.2 动静环出现裂纹或碎裂

在高温热媒环境下，热媒泵预热过快时，机封动静环在快速受热后可能会产生应力裂纹。另外，热媒泵在非正常运转情况下会发生抽空、振动等现象。在这种工况下，机封动静环之间会发生撞击或者分离。机封动静环材质为SiC，脆性很大，抗冲击力很小，极易在此过程中出现碎裂。

3.2.3 密封副过度磨损失效

密封副磨损是机封动静环失效的主要原因，动静环之间属于摩擦副，动环安装在轴套上随着泵轴一起高速转动。机泵在运转过程中，长时间的摩擦使动静环间的磨损量慢慢增加，密封副失效。机封弹性元件压缩量大也会导致动静环端面间摩擦力增大，加剧密封面的磨损，缩短机封的使用寿命。

3.3 辅助密封元件失效

辅助密封元件失效主要表现为动静环密封圈和轴套密封圈在长期使用过程中膨胀老化，导致静密封失效，引起机封泄漏。其中，主密封动环密封圈、静环密封圈的材质为柔性石墨，副密封动静环密封圈的材质为PTFE。柔性石墨耐高温、耐腐蚀性较好，但回弹性较差，容易发生脆裂，PTFE有耐腐蚀、摩擦系数低的特性，但容易发生永久性变形。

（1）在副密封中，动环密封圈老化变形后导致机封动环不能在轴套上自由移动，弹簧丧失补偿能力，引起副密封泄漏。

（2）静环密封圈老化变硬后，机封静环无法很好地固定在静环座上，当机封动环轴向浮动时，静环脱离静环座，机封发生泄漏。

3.4 其他原因造成的机封失效

（1）机封静环防转销损坏，导致机封静环、静环密封圈发生转动，静环密封圈与静环座之间产生摩擦导致磨损，造成机封失效。

（2）轴套磨损或者腐蚀，部分静密封件丧失密封作用，机封失效。

（3）安装质量不达标导致机封失效。第一，安装机封时，未把紧机封动环紧定螺钉，使机封动环在运转过程中发生后退，机封弹性元件压缩量变小直至无法提供补偿量，动静环之间出现间隙，机封失效。第二，安装主密封时，未把紧主密封动环密封圈压紧螺栓，动环密封圈不能起到密封作用，使机封动环与轴套间发生泄漏。第三，安装机封时，机封密封面间不清洁，有异物夹入，与动静环端面发生摩擦导致擦伤，机封失效。第四，安装机封时，动静环同轴度较差，两端面间不能很好地贴合，发生泄漏。第五，安装机封时，压缩量过小，弹性元件不能补偿机封动环的轴向浮动或者动静环分离，机封泄漏；压缩量过大，两端面贴合过紧，机泵启动后，端面间摩擦力过大，密封副发热烧毁。第六，在安装过程中漏装密封圈、安装时密封圈断裂或出现贯穿性划伤，使辅助密封失效，导致机封泄漏。

（4）输送介质内的杂质进入泵内，使主密封动环金属波纹管结垢、结焦卡住，带有杂质的热媒进入动静环密封面间隙，造成密封面磨损，导致机封失效。

（5）密封液被污染引起的机封失效。第一，不洁的密封液进入主密封波纹管内导致波纹管结焦或者动环座与轴套的间隙被堵塞，使动环不能在轴套上轴向自由动作，引起主密封失效。第二，含有微小颗粒物的密封液进入机封动静环端面间还会造成密封面划伤，使机封失效。第三，被污染的密封液中的杂质还会堵塞密封液管道，使机封不能得到很好的冲洗降温，也不能为主密封提供缓冲和阻塞流体的作用，导致机封失效。

（6）工艺操作人员操作失误，泵内抽空或者密封液罐排空导致机封动静环端面干磨，引起机封失效。

（7）机泵中其他部件造成的机封失效。第一，热媒泵因为输送介质温度较高，热量会沿着泵体传导到轴承箱位置，若轴承箱温度过高，箱体内润滑油品质下降，会导致轴承润滑不良。再者，轴承长时间在高温环境下运行，使用寿命也会大大缩短。轴承损坏后，泵轴轴向及径向窜动量过大，动静环之间发生撞击，损坏动静环，机封失效泄漏。第二，叶轮松动，机泵动平衡被破坏或者联轴器对中找正不好造成泵体振动过大，循环作用力会使机封动静环损坏加剧，导致机封失效。

4 预防措施

4.1 加强巡检

（1）工艺人员应持续对泵前压力进行跟踪，避免出现汽蚀现象，及时更换泵前篮式过滤器滤篮，同时应定期检查滤篮有无破损，避免滤篮损坏后，含有颗粒物的介质进入离心泵内。

（2）仪表人员应确保密封液罐液位报警装置始终处于完好状态，保证密封液罐液位出现异常时可以及时被发现。

（3）巡检发现密封液罐液位低时应及时补加，在补加密封液时，应保证密封液干净清洁。

（4）设备人员巡检时应确保轴承箱内润滑油液位适当，冷却水管管路畅通、冷却效果良好，轴承箱温度正常，当发现机泵出现异常的振动和噪声时，应及时进行停泵检查。

4.2 提高操作技能

（1）在热媒泵启动前，应注意确认机泵已经提前填充且预热完成，密封液罐内密封液液位正常。同时，还应查看轴承箱及密封液罐冷却水水阀是否开启，确保水路畅通。

（2）长期备用的热媒泵在启动前应手动进行盘泵，确保无卡涩后方可启动。

（3）在热媒泵使用过程中，工艺操作人员应严格按照操作规程进行操作，杜绝出现热媒泵抽空、密封液排空等不良运行状况。

4.3 提高安装质量

机械密封结构复杂，要求检修人员有一定的技术和经验，为延长机封使用寿命，应注意提高安装质量。

（1）在安装机封前，应认真检查机封动静环端面是否光洁、机封压盖有无毛刺、各辅助密封圈特别是柔性石墨环有无贯穿裂纹或划伤，确认各弹性元件是否回弹良好、波纹管有无裂缝、弹簧有无变形。

（2）安装机封时应根据工作长度仔细确认机封安装位置，同时参考此前实际使用情况对机封压缩量进行微小的调整。机封动环安装好后，把紧锁紧螺钉，同时进行测量以保证动环安装同轴度良好。此外，热媒泵主密封动环座锁紧后还需要把紧动环密封圈压紧螺钉，把紧过程中需要用力均匀、大小适当，以确保动环密封圈可靠地抱紧在轴套上。

（3）安装机封静环时，严禁使用榔头等硬物敲击，可采用压入法进行安装。在此提供一种简单的机封安装方案—《一种机封静环安装工具》（CN214135791U），如图3所示，将机封静环放置在尼龙压块上，带孔顶板置于机封座上，把紧螺栓将静环缓缓压入静环座，同时透过观察孔时刻观察静环安装情况。静环安装完成后，注意测量尺寸以确保其安装到位。

图3 一种机封静环安装工具

（4）装配时将已安装好动环的轴套和已安装好静环的泵盖与机封压盖小心地合在一起，注意不要磕碰到机封动静环端面，同时避免异物夹入。

（5）安装各辅助密封圈前应涂抹干净的机油，以保证安装顺利，安装时应特别小心，注意不要折断柔性石墨环和划伤PTFE密封环。

（6）机封安装完成后，在装配其他部件时注意避免对泵轴造成冲击。

（7）安装泵头时，应对角均匀把紧蜗壳上的螺母。泵头安装到位后，应手动进行盘泵，确保泵轴转动无卡涩现象。

（8）热媒泵预热完成后，应根据相应标准对机泵进行对中找正，并把紧电机和泵头支架螺栓。

5 结语

机械密封结构相对于其他密封形式更为复杂，所以导致其失效的原因也有很多，操作失误、安装质量不达标、密封液和输送介质不洁以及设备其他部件的故障均会引起机械密封泄漏失效。在日常生产过程中，应切实改善设备的工作环境，保证其处于良好的工作状态下，还应规范设备操作规程，加强工艺管理。此外，还需提高检修人员的维修技术水平，确保其规范操作以保证安装质量，维持机泵的长期稳定运行，提高经济效益。