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。