热水循环泵机械密封的失效分析及改造

　我厂80万t/年催化裂化装置取热器所用的3台型号为ZF25025500型热水循环泵(位号: P2103/1,2,3) 是2004年装置扩建时加装的泵, 工作介质为高温高压饱和水, 原热水循环泵使用的机械密封为美国生产, 由于这种机械密封属于进口产品, 是在国外生产, 存在着供货周期长, 价格昂贵, 且在实际的使用中频繁发生泄漏, 机械密封的使用周期最长为165天, 最短仅为19天, 平均寿命为70天, 在使用的短短的9个月的时间内因机械密封泄漏更换了7套机械密封, 造成了很大的浪费, 同时也带来巨大的检修工作量, 严重影响了装置生产。为节约成本, 也为了使配件国产化, 通过对热水循环泵机械泄漏的原因分析, 对该泵的机械密封进行了国产改造。

1、密封泄漏原因分析

　　热水循环泵主要参数见表1。

表1　热水循环泵主要参数

　　在多次检修过程中将发生的机械密封解体时发现:石墨静环上的摩擦副接触凸台被磨平, 端面粗糙, 并有开裂现象。动环表面变成墨色, 并且出现径向裂纹。辅助密封圈老化失效, 摩擦副处密封轴套有烧伤痕迹。一般来说, 机械密封的失效原因大体有6个方面, 见表2。

表2　机械密封失效原因统计

　　由表2 可以看出造成机械密封失效主要原因是:设计缺陷、装配误差或工艺操作使用不当。根据该泵密封使用情况和失效后的损坏情况, 除密封失效及寿命短外, 其余一切情况正常, 因此, 可以排除装配误差, 大致可以认为是设计缺陷、工艺操作的因素引起的密封失效。初步判断其机械密封失效有如下几点:

　　(1)动、静环材料选择不合适。原机械密封使用的静环的材质为浸树脂石墨, 在高温下膨胀量过大、膨胀不均匀导致静环密封面和动环密封面不平行, 在运转的过程中加剧了动、静环的磨损, 同时这种摩擦产生大量的摩擦热, 造成了静环的热裂, 这种情况在密封解体检查过程中多次出现, 是造成密封泄漏的主要原因。

　　(2)密封的自冲洗水量太小。由于循环热水温度高, 而通过密封的冲洗水量太小、流速过慢, 对动、静环起不到很好的冷却效果。密封腔内温度高易使密封端面间液膜产生汽化, 液膜承载能力降低, 液膜减薄, 摩擦副在不稳定的似汽相状态下工作, 摩擦热增加, 端面温升过大, 进而引起更多的组分汽化。如此循环, 最终摩擦副在干摩擦状态下工作, 使石墨静环磨损加剧。同时, 过大的端面温升使碳化钨动环出现径向热裂纹, 辅助密封圈老化, 介质泄漏增加,密封寿命大为缩短, 最终使机械密封迅速失效。

　　(3)弹簧选择不合适。弹性元件在机械密封主要起补偿、预紧及缓冲作用, 要求始终保持弹性, 才能保证端面摩擦副紧密贴合和动环补偿。因为弹簧的弹性和高温稳定性直接决定端面密封比压的大小, 比压过大, 一方面会造成密封面之间的润滑液膜厚度减小, 磨损加剧, 另一方面也由于密封端面产生大量的摩擦热, 破坏了动、静环端面材料原有的性能, 从而进一步加剧了密封端面的摩擦, 造成热裂。端面比压过小, 密封端面处于液体摩擦状态, 弹簧在高温作用下, 弹力降低、甚至完全失去弹性, 以致不能保证端面摩擦副贴合, 此时机械密封的密封性能将无法保证。所以, 正确选择弹簧材料, 特别是弹簧的高温强度和稳定性, 才能保证合适的弹簧比压, 从而使机械密封处于最佳的工作状态。

　　(4)泵抽空。由于热水循环泵输送的介质为高温高压饱和水, 温度达到258℃, 压力达到416MPa, 在这种苛刻的工作环境下极易造成泵抽空, 当泵抽空时, 泵体产生剧烈振动和噪声, 泵内压力波动较大, 机械密封端面比压随之变化, 使密封环面开启、间歇振荡、干摩擦、敲击造成密封面击溃、严重磨损, 炸裂、不接触、倾斜等情况。此现象必然导致密封出现不稳定的工作状态, 密封失效泄漏的可能性将大大增加。

2、热水循环泵机械密封的改进措施

　　为了彻底解决热水循环泵密封泄漏问题, 也为了节约成本, 并考虑到热水循环泵输送的介质为高温高压饱和水, 操作条件苛刻等实际情况, 作者与丹东东升石化设备有限公司技术人员进行现场分析和研究,针对机械密封本身, 在不改变机械密封安装尺寸的前提下对机械密封的内部结构及尺寸进行改造, 对机械密封的动、静环材质进行改进, 采用性能更好的材料替代, 提高弹簧在高温下的稳定性, 改进密封的冷却冲洗系统。改进后的密封主要参数如表3所示。

表3　密封主要参数

2.1、密封压盖改造

　　针对热水循环泵的介质为高温高压饱和水, 容易汽化造成泵抽空, 对机械密封压盖冷却水腔加以改进, 在保证机械密封压盖强度和刚度的前提下, 将压盖内的冷却水腔加大, 让外接循环水充分冷却密封端面, 改善机械密封的工作环境, 使摩擦副在旋转时产生的热量被冷却水带走, 保证机械密封良好的冷却效果, 延长机械密封使用寿命。

2.2、动、静环的改造

　　由于动、静密封环在高温下发生热膨胀, 对动、静密封环有一定的挤压。为了使动、静环在高温下不致受到过多的不均匀挤压变形, 一方面在选材上要求厂家选用进口的碳化钨(动环) 硬质合金与侵锑金属石墨(静环) , 这种浸锑金属石墨的导热能力比常规的浸树脂石墨高出3～4倍,另一方面减小密封环的厚度,从而尽可能减小密封环的膨胀量, 保证静、动环密封面的平行状态, 同时动环采用整环设计, 一次成型, 减少二次加工量, 从设计、制造着手,减少静环变形和开裂的可能性。

2.3、改造自冲洗外冷却

　　冷却液在循环流动的过程中会有阻力损失, 压力过低、流速过慢, 不能起到冷却效果, 所以增设了密封泵送环对冷却液进行增压, 循环冷却液由密封泵送环送至冷却器进行冷却换热后返回密封腔, 这样能及时带走介质的热量和摩擦产生的热, 以达到较好的冷却效果。密封泵送环设计为离心式结构, 在泵送环周围开18个<8 mm的孔, 循环液通过随轴旋转产生离心效应达到增压效果。泵送环的结构见图1。在运行中严格控制自冲洗冷却后的温度, 保持摩擦副端面温度不致过高, 这样可通过控制循环液流量, 调节冷却器上的热负荷来控制。循环系统主要由蛇管式换热器和密封泵送环组成。由于增设了密封泵送环, 这样就不需要增设循环液增压泵, 因而结构简单, 操作方便, 不易发生故障。循环系统机构如图2所示。

2.4、增加循环液节流结构

　　在动环与密封腔体之间设计了节流衬套, 节流衬套采用梳齿结构, 一方面减少冷却循环液向泵内的流失, 另一方面可以控制泵内的介质向密封端面的流动, 降低了密封端面工况苛刻度, 使泵送环的泵送效果更佳。密封腔内部结构如图3所示。

图3　密封腔内部结构图

2.5、弹簧材料改进

　　由于循环热水泵输送的介质为高温高压饱和水,所以必须考虑弹簧材料在高温下的稳定性, 此次改造将弹簧材质改为沉淀硬化高镍不锈钢, 提高弹簧在高温下的工作稳定, 确保弹簧比压稳定。

2.6、其它的改进措施

　　合理选用密封零件的材料, 金属材料选用镍铬不锈钢, 并采用专利阻垢技术和工艺, 提高导热效率,辅助密封圈采用青铜填充烧结聚四氟乙烯, 具有导热系数高, 定型能力好, 耐腐蚀、抗油、耐温等特点。

3、热水循环泵机械密封的失效分析及改造经济分析

　　改造后, 经过近2年的跟踪统计, 3台泵中密封使用周期最长已达190天, 周期最短的也有105天,平均周期为170天。和过去使用进口密封相比, 按每年使用10套计算(进口密封每套115000元, 国产每套8900元) , 每年可节约配件费用107万元, 大幅降低了生产成本。另外, 机械密封的成功改造, 大大延长了循环热水泵的使用周期, 检维修费用降低,更换、拆卸和安装密封的人工费用也大幅降低。

4、结论

　　通过采取以上措施, 解决了热水循环泵机械密封失效的问题, 而且所用国产密封性能优异、价格低廉, 完全可以替代国外进口密封, 达到了国产化改造的预期目的。也提高了设备的可靠度, 带来了明显的经济效益。