动设备试/开车机械密封温度高原因分析与解决措施

任小兵 (中国天辰工程有限公司，北京 100081)

0 引言

动设备开车前设备试/开车过程中，某项目遇到了部分动设备机械密封温度>100℃的情况。由于机械密封正常温度运行会对动设备运转起到关键性的作用，特别是对于输送烯烃等易燃易爆介质的机泵，一旦出现机封温度短时间(约10 min)内持续升高至(100 ℃)的情况，安全性、可靠性会直接影响项目试车/生产运行工作的正常进行，造成不可预估经济成本急剧上升。该问题的分析与解决对于项目试车/生产运行的顺利推进将起到重要作用。因此，如何通过理论分析和现场实践进行结合就成为了解决该问题的关键所在[1-3]。

文章力求通过理论说明和实践的结合加以说明清楚，该篇幅中的内容涉及机械原理和材料、热力学等相关知识，受笔者水平有限，可能分析文案的不是非常贴切，文中如有错误亟盼专业同仁前辈加以批评和指正。

1 机封原理/常见材料/温变后果

1.1 机械密封工作原理

通过与轴垂直做相对滑动的端面(动环和静环)在密封腔介质压力和补偿弹簧共同作用下，使密封端面间紧密贴合，当有压介质通过此间隙时形成液膜，并配和辅助密封进而达到阻值介质向外泄漏的轴封装置。

1.2 机械密封零部件常用材质

1.2.1 端面密封摩擦副的材料

摩擦副材料有硬质合金、陶瓷、石墨、刚结硬质合金、SiC、聚四氟乙烯、碳化钨合金等。

(1)硬质合金。具有高硬度、高强度、大弹性模量，以及耐磨损、耐高温(>600 ℃)和膨胀系数小等特点，特别适合高温和工作条件苛刻的场合，缺点：脆性大、加工困难、棱角易碎。

(2)陶瓷。陶瓷通常为金属氧化物，在大多数介质中具有良好的化学稳定性(除氟硅酸、氢氟酸、强碱之外)，高的硬度和耐磨性能。缺点：导热系数小，冲击韧性低、易热裂。

(3)石墨。耐腐蚀和自润滑性好，摩擦系数小，耐热冲击性好且加工容易。不足之处：机械强度低，材质有孔隙。但是这两个缺点可以通过浸渍和渗碳等方法来堵塞孔隙以提高其机械性能。

1.2.2 辅助密封圈的材料

常用的辅助密封圈材料是聚四氟乙烯和橡胶等。

(1)聚四氟乙烯：①优良的耐化学侵蚀、耐老化；②适用温度广泛，-180～260 ℃；③低摩擦系数和不粘性；④填充改性后耐磨性大幅度提高；⑤机械性能受温度与符合的影响较显著，线胀系数大，导热系数小，奇特的冷流性，在20 ℃左右时，体积变化明显(图1)。

图1 聚四氟乙烯的线膨胀系数与温度关系

(2)橡胶O型圈：①结构简单、拆装方便、表面粗糙度自适应性，因此具有自封作用；②摩擦阻力较小、温度适应范围广、耐压性能好。

1.2.3 弹簧及其他零件材料

弹簧：弹性好、耐介质腐蚀，弹性强度大。

波纹管：焊接性能良好，弹性较大，耐腐蚀性较好。通常见到的波纹管材料有镍基合金、铜基和铁基以及钛材料等。

1.3 机械密封温度变化引起的后果

(1)液膜破坏；(2)磨损加快；(3)端面烧灼变形；(4)液体汽化，结晶析出或凝固物产生；(5)化学侵蚀机具；(6)蜡化；(7)材料损坏或脆化；(8)严重泄漏发生。

2 机封温度高现象及理论分析

2.1 问题背景

2022年4月12日B项目PP装置PP-1102A机泵(OH2型)带介质丙烯试/开车期间，短时间(约10 min)出现机封温度升高至100 ℃的情况(图2)。

图2 机泵

初步排除可能影响的因素后，按照试车节点和工艺条件要求进行了其他机泵(VS6型号/BB5型号)带介质丙烯试/开车，均出现了同样的问题—短时间内机封温度升至100 ℃的情况，处于安全考虑不得不做出暂且停机的处理决定。由于该类关键动力设备整体出现的以上问题直接影响该项目按期投料开车，经济效益(日产约720 t聚丙烯)角度出发该问题亟待解决。

2.2 机械密封运行温度升高及降低温度原理

动设备运转时，在动、静环接触端面间由于摩擦的原因会在密封腔内产生大量的热，为了防止介质受热发生汽化，必须将端面间产生的热量及时移除。通常采取安装冷却装置或者冲洗的方式来降低密封腔内的温度以达到设备安全稳定运行的目的。

2.3 机械密封运行温度高原因分析

2.3.1 工艺方面

通过现场实地查看，试车流程有一个共同点—封闭系统，即：储液罐→管道1→机泵→管道2→储液罐。系统存在内部循环做功的情况，可能会造成系统内能增加温度升高的情况。

2.3.2 机封密封液冷却水

冷却水路流量和压力不足问题。

2.3.3 电机运转热量传导

机封靠近电机驱动端侧温度高于非驱动端，由此分析可能是电机运转温度导致热量传导引起机泵机械密封温度较高。

2.3.4 密封冲洗液管路不畅

有堵塞或安装盲板，造成管理不畅。

2.3.5 密封液蓄能器充压不符合技术参数要求

蓄能器的作用在于补充密封液压力(维持密封腔出于一定压力)，合理的充压数值有利于系统的正常运转。

2.3.6 端面比压

端面比压的合适选择对于机械密封长周期安全运行具有重要意义。比压如果选取过大，端面间会产生大量的热，不仅造成端面磨损加剧、破坏密封间液膜的情况发生，同时设备能耗增大，经济性能降低。

2.3.7 密封冲洗液量

冲洗液量一般根据密封系统的热平衡原理确定。机封热量主要由以下产生：泵内介质流体传导至密封端面处的热量、旋转密封导致的搅拌热、动静摩擦副间的摩擦热。热量散失的方式主要有：密封腔夹套冷却、自然冷却和压盖急冷。机封处产生的热量与散失的热量的差值即为冲洗液该携带移除的热量。根据以往经验，冲洗量通常控制在3～30 L/min较为合适。

特别需要注意得是，对易于挥发性介质或温度较高的介质，冲洗液流量需适当加大。

2.3.8 冲洗压力的影响

冲洗压力适当为最好，冲洗压力如果太大，注入的冲洗量会过大，能耗增大不经济。冲洗压力如果太小，冲洗液又不足以进入密封腔内。一般认为：冲洗压力的确定与冲洗方式、流体介质压力及流体压力变化等情况有关。泵用机械密封工作压力在2 MPa以下，压力变化不大时冲洗压力比密封腔内的大压力大0.05～0.20 MPa，压力变化较大时其差值可取0.1～0.2 MPa。

2.3.9 冲洗密封流体的要求

(1)清洁、对泵内介质质量无影响；(2)不影响泵的运转性能，例如，不引起汽蚀或抽空的发生；(3)热导性能好，成本低廉；(4)阻塞液压力高于1.0 MPa的情况，选用低黏度流体更有利于冲洗；(5)对于烃类介质选择合成油(白油：ISO VG 65 或者ISO VG 15)或蜡油比较合理。

2.3.10 机封冷却方式

机封冷却方式可分为直接冷却和间接冷却两种方式。直接冷却就是冲洗流体直接接触密封端面带走热量。间接冷却就是冲洗流体和密封摩擦副端面接触，通过水冷器/冷却水套的装置移除冲洗液携带的热量，以达到降低摩擦副端面的目的。

间接冷却分为换热器冷却和夹套冷却。换热器冷却分为密封腔内/外置式换热器、套管冷却器、盘管冷却器等。夹套冷却分为压盖夹套冷却、密封腔夹套冷却等。空气、水和蒸汽通常用作传热介质。一般来说，直接冷却要要比间接冷却效果好一些，但其对冷却液的要求较高。

2.3.11 密封端面液膜闪蒸

液态烃(丙烯)作为易挥发介质，极易汽化产生相变。机封冷却系统发生通路不畅工况时，摩擦副端面及介质流体的搅拌所产生的热量会引起液态烃(丙烯)的饱和蒸汽压上升，当其饱和蒸汽压高于密封腔的工作压力时，动静端面间的液膜会产生闪蒸爆裂，润滑作用失效，进而引起密封端面发生干摩擦，导致机械密封的温度升高。

2.3.12 密封端面上汽化

(1)密封端面的摩擦热同时取决于压力和速度，PV值过高，如图3所示(产生的摩擦热，轻则汽化液膜，密封失效；严重磨损密封端面，产生瑕疵，更甚端面摩擦副出现裂纹，机封报废)；

图3 材料PV值-磨损率曲线

(2)密封辅助设施未能应用于温度较高的泵；

(3)冲洗液回路不通畅或者中断；

(4)冷却设施结垢，冷却能力下降；

(5)密封腔中的压力随着泵入口压力的下降也下降；

(6)由于轻烃泵中轻组分含量的增加等因素可能会引起的密封端面更易汽化。

2.3.13 密封腔中有气体或者没有灌泵就启动

密封干摩擦。

2.3.14 密封辅助系统

密封冲洗液未建立循环：(1)密封液内带气体；(2)泵校环反装。

3.4 机械密封运行温度高可能原因排除

3.4.1 工艺方面

(以PP-3101为例，BB5型)经过调取DCS系统运行曲线查阅，机泵运行期间系统温度由29.2℃升至29.4 ℃。由此可见，工艺系统内循环造成机封温度上升至100 ℃的情况可以排除。

3.4.2 机封密封液冷却水流量压力

冷却水管路系统仔细排查，水流可构成循环回路，系统压力正常，水量充足排除循环水路不畅问题。

3.4.3 电机运转热量传导

经过实际温度检测，电机驱动端温度符合国标低于85 ℃，这与机封实际检测到的温度大于100 ℃不相符，同时由于非驱动端由电机冷却风扇的存在，可以解释非驱动端温度低于驱动端的情况。由此分析，可以排除该因素的影响。

3.4.4 密封冲洗液管路不畅(有堵塞或安装盲板)

逐段拆检冲洗液管路，未发现管路有堵塞或者暗装盲板的情况存在，管路通畅。

3.4.5 密封液蓄能器充压不符合技术参数要求

现场严格按照蓄能器铭牌要求进行充气(氮气，气压以预充压力为准)，可以排除该潜在因素的影响。

3.4.6 端面比压

经机封厂家专家讨论认为每台机封端面比压均根据工艺条件计算得出，符合要求。

3.4.7 密封冲洗液量

在预充压力基础上加入量适当冲洗液至密封液循环管内压力至工作压力，可以认为冲洗液量符合要求。

3.4.8 冲洗压力的影响

在预充压力基础上加入量适当冲洗液至密封液循环管内压力至工作压力，可以认为冲洗液压力符合要求。

3.4.9 冲洗密封流体的要求

采用Shell ondina X415_TDS GtL 机械白油，该白油是基于壳牌气液技术的碳氢化合物液体，具有高度饱和烷基结构，严格履行国际处方纯净度要求，技术成熟，应用广泛。

3.4.10 机封冷却方式

现场出现机封温度高的泵均采用外置式冷却器间接冷却方式，是否可以判断问题所在需要实践检验。

3.4.11 密封端面液膜闪蒸

机泵试车期间压力控制以设备参数为准，技术上避免了由密封腔的工作压力低于液态烃的饱和蒸汽压时，引起端面液膜产生闪蒸爆裂，润滑失效，造成密封端面干摩擦的情况。

3.4.12 密封端面上汽化

(1)查阅机泵额定参数(以PP-3101为例[OH2型])：额定参数：V=1 480 r/min，端面比压由该机封本身给定；查阅机泵额定参数(以PP-1102为例[BB5型])：额定参数：V=2 960 r/min，端面比压由该机封本身给定故可以判定PV值固定；查阅机泵额定参数(以PP-6202 为例[VS6型])：额定参数：V=2 950 r/min，端面比压由该机封本身给定。不同类型/转速/比压的机泵(机封)均出现温度升高的情况，该情况大致可以判断要么整体机封参数设计有有误要么外在其他条件有缺陷。

(2)所有机封均采用PLAN-53B机封密封辅助系统。

(3)由D/G/H分析可知系统内本身冲洗液量和管路是满足要求的，是否有回路不畅/冲洗中断情况需进一步分析和实践检验。

(4)冷却设备为新设备，第一次通入冷却水，发生结垢造成冷却能力降低的可能性几乎可以排除。

(5)同K的分析可知，该情况可以排除。

(6)同I的分析可知，该情况可以排除。

3.4.13 密封腔中有气体或者没有灌泵就启动

严格按照操作规程进行，可以排除该情况。

3.4.14 密封辅助系统

密封冲洗液未建立循环：

(1)密封液内带气体。采取小量多次加密封液且机封油罐顶部排气的操作工艺，基本可以排除带气的情况。

(2)泵校环反装。拆检一套新的备件双轴封机封和PP-1102B双轴封机封现场查验，泵效环均正装，故该情况也排除。

4 机封温度高问题归结和解决措施

经过以上理论分析和现场大量实践，大致可以排除操作和工艺方面的问题，主要问题叙述如下。

4.1 机械密封参数设计不当

该问题机封厂家认为可能性不大。

4.2 热力不平衡

拆检冲洗液水冷器，内部盘管管径较细，可能存在换热不均，冲洗液所带的热量无法被移除，进而温度持续升高，直至达到冲洗液汽化，冲洗液循环中断的情况。

4.3 解决措施

2022年4月24日尝试更换一台较大型号的水冷器(盘管)，更换后现场试/开车效果良好(温度≈60℃)，其余全部水冷器按照计划依次更换完毕(历时月余)。

4.4 试/开车成功意义

(1)直接影响经济产值：试/开车的关键动力设备 PP-1101A(BB5型)、PP-3101A/B(OH2型)、PP-3201(OH2)、PP-6202A(VS6型)机封水冷器更换完成历时约20天，聚丙烯价格当时约8 000元/t，产量约30 t/h。

(2)无形价值：积极解决问题的态度赢得B项目业主的高度认可，对于进一步向外界展示公司立德、担当、创新、进取的企业形象起到了积极作用。

5 结语

动设备试车是一门跨多个专业学科的综合学问。任何可能的因素都需要逐一加以分析和排除，做好该工作需要综合的专业理论知识储备和现场实际经验的高度结合。