王世宏 王冰清 彭旭東

(1. 中國石油天然氣股份有限公司蘭州石化公司；2. 浙江工業(yè)大學(xué)過程裝備及其再制造教育部工程研究中心)

高固含量催化劑泵用機械密封失效分析與改造*

王世宏*1王冰清2彭旭東2

(1. 中國石油天然氣股份有限公司蘭州石化公司；2. 浙江工業(yè)大學(xué)過程裝備及其再制造教育部工程研究中心)

催化劑微球裝置中泵設(shè)備啟動頻繁、抽空現(xiàn)象時有發(fā)生，泵用機械密封泄漏量大，經(jīng)常失效，嚴重影響了裝置的正常運行。通過對密封失效原因的分析，采用激光加工多孔端面機械密封技術(shù)進行改造，設(shè)計制造出了方向性微孔端面機械密封及其輔助系統(tǒng)，工業(yè)運行獲得成功。

催化劑泵 機械密封 多孔端面

高固含量泵被廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、電力、煤炭、化工及建材等行業(yè)，是用來輸送固體顆粒含量高的具有磨蝕性和腐蝕性介質(zhì)的一種離心泵。由于輸送介質(zhì)固含量高、腐蝕性強，不僅易磨損密封端面[1～3]，而且易腐蝕密封部件。在某些場合下，高的介質(zhì)溫度或高攪拌熱和端面摩擦熱還會引起介質(zhì)性質(zhì)發(fā)生改變，如相變、結(jié)晶和結(jié)焦，機械密封故障率高達90%[4～7]。蘭州石化現(xiàn)有3套催化裂化裝置，短期工作即發(fā)生失效，筆者對現(xiàn)場套泵系統(tǒng)典型機械密封進行拆檢，并進行失效分析。

1 裝置泵工況及參數(shù)

3套泵系統(tǒng)的具體工況條件見表1。一套微球裝置為間歇生產(chǎn)，C3泵機械密封運行3～5天失效；二套微球裝置為常開，C8泵運行7～15天失效；全白土裝置為常開，C6泵機械密封也是運行一周左右就需要停泵檢修。

表1 3臺FCC裝置泵型號及其相關(guān)工藝參數(shù)

重點對現(xiàn)場拆卸泵位的3套泵用機械密封的動環(huán)、靜環(huán)、輔助密封圈和彈性元件進行檢查分析，獲得密封件的失效情況，并分析可能的失效原因，結(jié)合密封端面的平面輪廓測試結(jié)果給出初步的針對性解決方案。結(jié)果表明，3套泵機械密封均存在端面磨損嚴重，零部件上污垢明顯，橡膠輔助密封圈撕裂、永久變形及結(jié)垢等現(xiàn)象。

2 泵用機械密封失效分析

2.1C6泵

C6泵-1、2主要用來輸送全白土濾液。白土為灰白色顆粒粉末，吸附能力、離子交換能力、脫色能力和活性較好，主要用于石油行業(yè)。全白土催化劑具有堆積密度大、吹化活性高和水熱溫度性好的特點。C6泵輸送物料特點的是：介質(zhì)不能被稀釋或變形，溫度為常溫，溶液pH值5～7，且有氯離子腐蝕。該泵處于常開狀態(tài)。采用JF103型機械密封，動靜環(huán)為硬質(zhì)合金，O形圈為丁腈橡膠。密封運行3～7天出現(xiàn)故障，經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)部件損傷失效嚴重，如圖1所示。

圖1 C6泵用機械密封失效現(xiàn)場情況

由圖1可以看出：動環(huán)端面磨損嚴重，出現(xiàn)深度接近300μm、徑向長度達2mm的凹槽，端面靠內(nèi)徑側(cè)的磨損深度要較靠外徑的大，端面徑向方向上伴有明顯裂紋(圖1a)；靜環(huán)表面有較明顯的黑色污垢，且有肉眼可見的徑向微小裂紋和環(huán)向磨損帶痕，端面靠內(nèi)側(cè)磨損深度較外側(cè)要大，徑向磨損深度差可達35m(圖1b)；靜環(huán)O形密封圈表面較臟，有白色粉末狀顆粒粘附，橡膠出現(xiàn)溶脹、掉渣現(xiàn)象(圖1c)；動環(huán)O形圈擠壓變形，有粗糙破爛的邊緣，出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象，且O形圈安裝槽內(nèi)粘附白色顆粒(圖1d)；靜止放置時動環(huán)端面已出現(xiàn)嚴重傾斜，彈簧間隙處附著有白色顆粒(圖1e)；靜環(huán)O形圈和靜環(huán)配對接觸處粘附有白色塊狀顆粒，且伴有O形圈脫落的橡膠粘附(圖1f)。

對機械密封的動靜環(huán)沿端面徑向方向進行二維輪廓掃描，結(jié)果如圖2所示(左側(cè)為外徑，右側(cè)為內(nèi)徑)。

a. 動環(huán)端面

b. 靜環(huán)端面

對C6泵機械密封的失效原因綜合分析如下：

a. 安裝不合理導(dǎo)致的端面比壓過大。通過二維輪廓儀的掃描結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，內(nèi)徑處出現(xiàn)較嚴重的磨損，由于現(xiàn)場工程人員根據(jù)經(jīng)驗來調(diào)節(jié)彈簧比壓，導(dǎo)致補償環(huán)的端面比壓過大，造成兩密封端面的壓緊力過大，加劇磨損，從動環(huán)承磨凸臺磨損0.3mm可看出軟環(huán)(動環(huán))的磨損較為嚴重。

b. 顆粒介質(zhì)磨損端面。全白土濾液介質(zhì)中可能存在的固體顆粒及端面磨損后產(chǎn)生的磨屑進入密封端面，在動靜環(huán)高速相對運動下造成軟環(huán)端面出現(xiàn)帶狀磨損及硬環(huán)相應(yīng)程度的磨損。

c. 端面液膜失穩(wěn)。動靜環(huán)端面的潤滑狀態(tài)不佳，其原因可能是密封運行時端面溫升較大，導(dǎo)致部分介質(zhì)汽化，端面液膜不穩(wěn)定。

d. 端面熱裂。大彈簧在端面產(chǎn)生不均勻彈力，加上泵內(nèi)實際流體狀態(tài)不穩(wěn)定，動靜環(huán)端面處于干摩或半干摩的不正常磨損，加之端面溫升較高，引發(fā)熱應(yīng)力集中，甚至出現(xiàn)干摩擦現(xiàn)象，端面熱量在潤滑不良的情況下難以及時排除，在很小的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)較高的溫度，導(dǎo)致徑向產(chǎn)生熱裂紋。

e. 化學(xué)腐蝕。溶液中含有氯離子和固體顆粒，加之輔助密封圈壓縮量或O形圈溝槽設(shè)置不當，在強化學(xué)腐蝕和磨粒磨損的共同作用下，使丁腈橡膠O形圈發(fā)生溶脹、擠壓變形及掉渣等現(xiàn)象。

f. 彈簧失彈。溶液中固體顆粒介質(zhì)的存在，使彈簧可能發(fā)生卡滯，影響彈簧的追隨性和補償能力。

在綜合考慮各方面因素的前提下，結(jié)合現(xiàn)場機械密封失效原因給出初步解決方案：

a. 核算機械密封的彈簧比壓、平衡系數(shù)及端面比壓等參數(shù)，適當降低密封端面的比壓，從而減少密封端面的磨損；

b. 采用彈簧外置背冷式結(jié)構(gòu)和自沖洗系統(tǒng)，合理設(shè)計密封端面的位置，避免進口介質(zhì)顆粒直接對密封端面和彈簧的沖刷，同時改善密封端面的潤滑冷卻性能；

c. 在動環(huán)端面加工方向性微織構(gòu)，一方面改善密封端面在高速運行條件下的潤滑狀態(tài)和散熱特性，保證密封端面之間存在穩(wěn)定液膜，另一方面提高端面耐磨特性；

d. 合理設(shè)置O形圈溝槽尺寸和O形圈壓縮量，采用外包覆聚四氟乙烯的氟橡膠材料，提高輔助密封圈的耐蝕性[8]。

2.2C3泵

催化劑微球泵C3泵T6/1、2主要用來輸送硫酸銨介質(zhì)物料，該催化劑泵處于間歇操作狀態(tài)，其中催化劑物料特點是：介質(zhì)溫度為常溫，溶液表現(xiàn)為酸性，不能被稀釋和變形。與C6泵一樣采用JF103型機械密封，密封運行3～5天出現(xiàn)故障，經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)失效嚴重，部件存在損傷失效，如圖3所示。

圖3 C3泵用機械密封失效現(xiàn)場圖

圖3a中材料為硬質(zhì)合金的動環(huán)端面外側(cè)有缺口，內(nèi)側(cè)環(huán)面有缺口并在圓周方向上有裂紋，端面有明顯的磨痕，且在類似溫度過高引起的紫藍色區(qū)域附近有熱裂紋產(chǎn)生；圖3b中材料為硬質(zhì)合金的靜環(huán)端面幾乎完全破裂，且在殘留的端面上有類似溫度過高引起的紫藍色區(qū)域；圖3c中動環(huán)輔助密封O形圈附近積聚粉末狀顆粒。

根據(jù)現(xiàn)場機械密封拆卸檢查情況并結(jié)合圖3，對密封失效原因分析結(jié)果如下：

a. 泵頻繁啟停，高粘度介質(zhì)產(chǎn)生的高剪切力撕裂端面。泵處于頻繁啟停狀態(tài)，且介質(zhì)中含固體顆粒，溶液濃度較大，在泵停機時，高粘度溶液粘附在摩擦副端面形成靜力貼合效果，當泵開啟瞬間，在極強的扭力矩作用下發(fā)生端面撕裂，形成嚴重磨損。

b. 端面潤滑不良出現(xiàn)熱集中導(dǎo)致熱裂。端面潤滑不良或端面比壓過大，泵啟停瞬間使動靜環(huán)端面在高速相對運動條件下發(fā)生干磨，導(dǎo)致局部溫度過大，出現(xiàn)由硬質(zhì)面向外發(fā)散的徑向微裂紋，即熱裂紋[4, 7，8]。

c. 端面熱變形引起泄漏。密封端面缺陷導(dǎo)致介質(zhì)泄漏，過高的端面溫升使動靜環(huán)發(fā)生收斂狀的熱變形，兩個密封端面不再保持平行，從而導(dǎo)致密封泄漏，另外硫酸銨會導(dǎo)致不銹鋼的電化學(xué)腐蝕，泵體以及彈性元件在硫酸銨的作用下易出現(xiàn)腐蝕失效[4, 9]。

d. 固體顆粒的影響。隨著溫度的升高，硫酸銨顆粒的析出結(jié)晶也會加大，介質(zhì)中含固體顆粒易粘附在輔助O形圈附近，導(dǎo)致該密封面不能緊密貼合而引發(fā)失效。

在綜合考慮各方面因素的前提下，結(jié)合現(xiàn)場機械密封失效分析結(jié)果給出初步解決方案：

a. 從機械密封低壓側(cè)急冷口引入外沖洗，在泵停機時仍保持沖洗系統(tǒng)的正常工作，防止動靜環(huán)端面貼合及顆粒介質(zhì)在機封部位的沉積[10]。

b. 核算機械密封的彈簧比壓、平衡系數(shù)及端面比壓等力學(xué)參數(shù)，適當減小端面比壓。

c. 在密封端面動環(huán)上加工方向性微織構(gòu)或宏觀槽孔，采用不同深度的螺旋槽，或者利用孔槽或微織構(gòu)的上游泵送效用或回流作用，將密封端面的潤滑液反泵回上游側(cè)，將端面摩擦熱及時帶走并散出；采用不同排布，不同方向性微孔去改善端面的潤滑效果，從而改善密封端面的散熱性能[11～13]。

2.3C8泵

催化劑微球泵C8泵4/1、2、3主要用來輸送膠體物料。該催化劑泵處于常開狀態(tài)。與C3、C6泵一樣采用JF103型機械密封，機械密封的平均使用壽命只有7～15天。現(xiàn)場拆卸下來的機械密封典型部件失效形式如圖4所示。

圖4 C8泵用機械密封失效現(xiàn)場圖

圖4a顯示硬質(zhì)合金動環(huán)表面磨損嚴重，并伴有徑向方向上的熱裂紋，與冷卻水接觸處有明顯水垢；圖4b顯示硬質(zhì)合金靜環(huán)端面磨損嚴重，有明顯的犁溝狀磨損痕跡，且端面內(nèi)徑側(cè)的磨損深度要較外徑大，最大深度達0.4mm；圖4c顯示在靜環(huán)座靠近內(nèi)徑?jīng)_洗腔側(cè)有白色粉末沉積且有水垢附著，部分彈簧扭曲卡滯，唇形密封卡塞固體顆粒且唇口輕微磨損；圖4d顯示靜環(huán)和輔助密封圈配對處有明顯的金屬凹槽痕跡；圖4e顯示丁腈橡膠靜環(huán)密封圈表面粘附白色粉末顆粒和水垢。

分別對機械密封的動靜環(huán)沿端面徑向進行二維輪廓掃描，得到磨痕曲線如圖5所示(左側(cè)為外徑，右側(cè)為內(nèi)徑)。

a. 動環(huán)端面

b. 靜環(huán)端面

綜合圖4、5所示結(jié)果，對C8泵機械密封失效原因分析如下：

a. 端面比壓過大，造成兩密封端面的壓緊力過大，加劇磨損。通過二維輪廓形貌儀掃描得到動環(huán)磨損深度差最大值為10μm，靜環(huán)達到0.4mm(圖5)，可知靜環(huán)相對較軟。

b. 膠體介質(zhì)中固體顆粒、水垢和端面磨損后產(chǎn)生的磨屑進入密封端面，在動靜環(huán)高速相對運動條件下造成硬環(huán)端面微織構(gòu)被磨平。

c. 動靜環(huán)端面的潤滑狀態(tài)不佳，端面溫升較大，導(dǎo)致部分液膜汽化，端面處于干磨或半干磨狀態(tài)，導(dǎo)致硬環(huán)端面出現(xiàn)徑向熱裂紋；另外，膠體介質(zhì)隨著溫度的變化，膠體易粘附堵塞密封端面。

d. 膠體介質(zhì)中的固體顆粒、水垢和端面磨屑進入到輔助O形圈和靜環(huán)密封配對副處，粘附在O形圈表面，在磨粒磨損、酸性腐蝕和微動磨損的共同作用下出現(xiàn)凹槽痕跡，且引發(fā)泄漏。

e. 白色粉末介質(zhì)出現(xiàn)在內(nèi)徑?jīng)_洗腔側(cè)，其原因可能是因為端面加工的微孔將介質(zhì)從外徑反向泵送至內(nèi)徑側(cè)所致。

在綜合考慮各方面因素的前提下，結(jié)合現(xiàn)場機械密封失效分析結(jié)果給出初步解決方案[14～16]：

a. 核算機械密封的彈簧比壓、平衡系數(shù)和端面比壓等力學(xué)參數(shù)，適當降低密封端面比壓，從而降低密封端面的磨損。

b. 采用外包覆聚四氟乙烯的氟橡膠作為輔助密封圈，采用聚四氟乙烯使O形圈更耐腐蝕和磨損。并合理設(shè)計壓縮量，靜環(huán)采用耐磨耐蝕材料，減緩微動磨損。

c. 增大冷卻水的進出量，以及時降低端面溫度，避免端面熱裂紋的產(chǎn)生。

d. 合理設(shè)計端面微織構(gòu)或宏觀微孔的方向，防止出現(xiàn)介質(zhì)從外側(cè)向內(nèi)側(cè)方向的泵送。

3 新型機械密封設(shè)計及應(yīng)用

方向性微孔端面機械密封首次由浙江工業(yè)大學(xué)發(fā)明，如圖6所示[11]，其主要參數(shù)包括微孔的長、短軸和方向角。

a. 單列傾斜微孔密封端面

b. 雙列傾斜微孔密封端面

結(jié)構(gòu)參數(shù)：端面內(nèi)外半徑ri、ro分別為36.5mm和42.5mm，橢圓型孔短半軸b=0.2mm，采取文獻[12，13]中的橢圓型孔內(nèi)外傾角α1、α2優(yōu)選值分別為45°和135°，型孔周期數(shù)N=120。

工況參數(shù)：計算采用的工況參數(shù)見表1。密封端面型孔為上下游雙列排布型式，現(xiàn)場采用脫鹽去離子水作為冷卻緩沖液，緩沖液溫度為20℃，動力粘度為0.801mPa·s。

設(shè)計的優(yōu)化目標是確保新型方向性微孔端面密封能產(chǎn)生最大的液膜剛度和較小的泄漏率。經(jīng)優(yōu)化分析，最終獲得的新型方向性型孔微孔端面密封的橢圓型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選值范圍為：橢圓長半軸a=0.6～1.0mm，型孔深度hp=3～5μm。采用耐腐蝕的外包覆密封圈代替普通的橡膠密封圈。

在浙江工業(yè)大學(xué)高端裝備摩擦學(xué)與密封技術(shù)研究所通過實驗測試之后，于2013年8月在蘭州石化公司催化劑廠進行現(xiàn)場安裝和工業(yè)運行試驗，安裝非常順利，所有改造臺套泵機械密封運行穩(wěn)定，未見可視泄漏，泄漏量均達標，其中工況相對苛刻的間歇運行泵C3泵機械密封的使用壽命接近半年，經(jīng)拆卸密封檢查，僅發(fā)現(xiàn)動靜環(huán)端面產(chǎn)生輕微磨損，動環(huán)外端面上第一道微孔磨去一半，軸套與物料接觸部分腐蝕沖刷嚴重，其余配件磨損量很小，可繼續(xù)使用。

4 結(jié)論

4.1高固含量催化微球泵用機械密封的失效形式與介質(zhì)性質(zhì)、操作工況有很大的關(guān)系，機械密封的型式、摩擦副配對材料、端面比壓以及密封輔助措施等密封系統(tǒng)參數(shù)的正確設(shè)計與選型對確保機械密封的可靠穩(wěn)定運行意義重大。

4.2機械密封的主要失效形式為端面磨損、熱裂，輔助密封圈的腐蝕、撕裂和卷曲，密封金屬部件的腐蝕、沖蝕，彈簧部件的腐蝕、結(jié)垢或阻塞、失彈。

4.3工業(yè)現(xiàn)場運行表明，設(shè)計制造的方向性微孔端面機械密封及其輔助系統(tǒng)簡單可靠，性能穩(wěn)定，完全滿足催化劑裝置微球泵機械密封長周期、可靠穩(wěn)定運行的要求，值得推廣應(yīng)用。

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*國家重點基礎(chǔ)研究計劃973項目(2014CB046404)，浙江省自然科學(xué)基金項目(LY14E050012)。

**王世宏，男，1964年12月生，高級工程師。甘肅省蘭州市，730060。

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2016-03-20，

2016-04-24)