锅炉循环水泵机械密封泄漏原因分析及对策

　　分析了甲醇装置锅炉循环水泵机械密封泄漏原因，提出了切实可行的改造方案，取得了良好的效果。

　　吐哈油田公司甲醇厂锅炉循环水泵P-200是甲醇装置的关键设备，主要承担转化辅锅汽包V-201与一段炉烟气废锅盘管之间锅炉水循环的任务。其基本参数如表1：

表1 锅炉循环水泵基本参数

　　该泵型号为CHZE200-250，机械密封型号为C8BKC55(多弹簧式平衡型单端面机械密封)。机械密封的冲洗方式为带中间冷却器的正向自冲洗(中间冷却器为四管程固定管板式换热器)，冷却方式为循环水(硬水)背冷，如图1所示。

图1

1、存在的问题

　　甲醇装置在生产运行中，P-200泵机械密封多次发生泄漏。2010年，甲醇装置运行了8个月，期间共发生机封泄漏事故5次，对装置的平稳运行造成较大威胁。

　　机械密封损坏时，高温高压介质从静环压盖沿轴喷出。一方面严重影响了泵的上水量，破坏工艺操作的稳定性;另一方面，由于喷出的是高温介质，易发生人员烫伤事故。另外，机械密封维修工作量较大，而且机械密封是高压集装式密封，价格较高。

2、泄漏原因分析

　　将机械密封拆下检查发现轴套表面及动静环内表面布满水垢，动环被卡死，阻止了动环的轴向运动，无法实现动环沿轴向的补偿作用。这是造成机械密封泄漏的直接原因。循环水(生水)温度过高时，会导致其中的离子发生如下化学反应：

　　Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O

　　Mg(HCO3)2=MgCO3↓+CO2↑+H2O

　　MgCO3 + H2O=Mg(OH)2↓ +CO2↑

　　在水中可溶的Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2在加热至80℃左右时，开始析出CaCO3、 Mg(OH)2沉淀而形成水垢。

　　P-200泵机械密封的冷却包括两部分：一部分是正冲洗，介质通过中间冷却器后直接冷却密封腔。另一部分是循环水冷却静环，即背冷，不间断地带走动静环产生的磨擦热(见图2)。

　　当作为背冷的循环水温度升高到一定温度(如80℃左右)时，会在机械密封间隙部位产生水垢(主要成分为含钙的化合物)。水垢黏附在机封弹簧的狭小间隙中并不断积存，导致弹簧失去弹性，使机封丧失了自动补偿能力，造成失效。结成块状的水垢脱落进入到密封端面，还会加剧密封端面的磨损、降低机械密封的使用寿命。水垢颗粒致使机械密封出现微动磨损，在辅助密封圈与轴套之间形成沟痕，影响机械密封的追随性，使机械密封失效[1]。当开始出现结垢现象时，循环水的流动速度会随着水垢的增多而逐渐降低，造成端面摩擦产生的热量和介质的热量不能及时带走，回水不畅又导致腔体内的循环水温度快速升高。在较短的时间内就会造成端面磨损、密封圈泄漏、弹性元件失弹，导致密封失效。

图2

　　甲醇厂的循环水装置对循环水进行了一定的阻垢处理，而且背冷循环水的上水温度是 30℃，本身不会产生水垢。只有在加热情况下，其中的离子才会发生化学反应，产生水垢。

　　对造成密封腔内循环水温度升高的原因进行了分析：P-200机械密封的动环是由钴基硬质合金做成 ，静环由浸锑石墨做成，二者都是热的良导体。背冷循环水直接与动静环内径表面接触，因此动静环内径表面的温度，基本相当于密封腔的温度。查阅P-200的相关资料，确定P-200机封正向冲洗水是将泵出口245℃、4.0MPa的锅炉循环水经中间冷却器冷却至110℃后，返回泵机封端面冲洗冷却密封面。而测得的冲洗管线进密封腔之前的温度为130℃，比设计值高出20℃，而密封腔内部温度高达150℃以上。由此判断，机械密封损坏的根本原因是由于密封腔温度过高引起。在这种情况下，循环水到达密封腔后，迅速发生化学反应并汽化，其中的钙镁离子全部以水垢形式留存在机械密封内和轴套表面上，造成机械密封的损坏。因此，只要给密封腔足够冷却，再加上循环水装置的阻垢措施，循环水将不会升温致使其中的离子发生反应而析出CaCO3、Mg(OH)2。这就要求中间冷却器有足够的冷却能力。

　　而冲洗管线进密封腔之前的温度已达130℃，说明中间换热器的换热效果已不足以对冲洗水进行充分冷却。在对中间冷却器进行解体检修中发现，在换热面上，存有大量水垢，严重影响换热效果。这是造成冲洗线温度过高的直接原因。此外，P200中间冷却器自2003年投入运行以来，运行中管束多次发生泄漏，造成高压锅炉循环水窜入0.3MPa循环水中，发生水击现象，影响机封冲洗效果。由于该台中间冷却器的检修试压较为复杂，需送至外地检修，影响了正常生产。

3、改造方案

　　防止背冷循环水产生水垢，最简单的方法是将背冷循环水(生水)改为脱盐水(软水)。但考虑到P-200的实际情况，将背冷循环水改为脱盐水不可行。主要原因，一是改造以后，虽然能避免密封腔内的结垢，但由于中间换热器的换热效果较差，密封腔的温度并没有降低，过高的温度对机械密封各部件的损害仍很大，对机封的长期运转，并非十分可靠;二是由于机械密封背冷水直接排放至地沟内，如果使用软水，价格较高，常年排放浪费严重，对装置的节能降耗不利。

　　经反复论证，决定采用如下改造方案：将P-200冲洗水中间冷却器拆除，从辅锅汽包上水泵P-201出口总管接管线，将5.0MPa、104℃的锅炉给水引至P200机封冲洗水入口管线，冷却P-200机械密封。改造后的冲洗水流程如图3所示。

图3

　　P-201出口为来自除氧器的脱盐水，P-200的正向自冲洗水为锅炉水，脱盐水水质较锅炉水水质要清洁得多，用P-201出口脱盐水作为P-200的机械密封冲洗水，能减少机械密封的磨损，同时，P-200机械密封冲洗水的设计温度为110℃，P-201出口水的温度为104℃，二者间温度比较接近，不会对机封造成损坏，对泵输送介质锅炉循环水也无影响。此外，装置开工时，P-201比P-200早运行，这就保证了P-200运行时其机械密封冲洗水的连续性。

　　该改造方案的风险在于：

　　(1)P-201出口水给P200作为冲洗水冷却机械密封，当P201发生故障停机，会造成P-200机械密封冲洗水中断，损坏机械密封，甚至使其发生严重泄漏。为解决这一问题，将P-200冲洗水管线由阀门控制后返回至机械密封冲洗水入口(如图3)，这样在紧急情况下，仍可投用P-200的自冲洗水，保证机械密封的冲洗水不中断，保护机械密封。当然，由于此时缺少了中间冷却器，冲洗水的温度较高，对机械密封各部件仍将造成损害，但短时间运行不会有问题。而且，这种情况通常不会发生，因为甲醇装置一共有三台P-201泵，一旦运行泵发生故障，可以及时启动备用泵。

　　(2)P-201出口压力5.0MPa，P-200的自冲洗水压力为4.0MPa。如果冲洗水量过大，会造成机械密封冲洗压差过大，对机械密封冲刷严重，损坏机械密封，引起泄漏。但只要控制好冲洗水线上的两个阀门开度，防止开度过大，这个风险完全可以避免。

4、改造效果

　　2011年3月按照上述方案对两台泵进行改造之后，P-200两台泵一直正常运行。截止到2012年5月，扣除甲醇装置停运四个月时间，P-200两台泵累计运行时间分别达到3600小时和4300小时以上，没有发生因结垢引起机械密封损坏的情况。与改造前相比，节省了大量人力物力，同时还降低了装置停产的风险，为甲醇厂长周期平稳安全运行提供了有力的保障。