覃 彧

（神華工程技術有限公司，北京 100011）

烯烴化工項目試車過程中，化工泵暴露最多的問題是機械密封泄漏，泄漏是機械密封失效的主要表現(xiàn)形式[1]。造成泄漏的原因為兩大類：①密封件本身，包括結構、材料、制造等因素，主要取決于制造廠；②密封件使用條件，包括安裝、介質、外界環(huán)境、密封系統(tǒng)、操作使用等因素，主要取決于用戶。本文重點分析了機泵安裝和試車過程中的機械密封容易出現(xiàn)的問題。

1 機械密封的定義及結構

機械密封是一種用于旋轉流體機械的軸封裝置。用于離心泵、離心機、反應釜、壓縮機等設備，軸和設備腔體間存在一個圓周間隙，設備介質從中泄漏，因此必須設一道阻漏裝置。因機械密封具有泄漏少、壽命長等優(yōu)點，成了主要的軸密封方式。在國家有關標準中的定義：由至少一對垂直于旋轉軸線的端面組成，在流體壓力及補償機構彈力（或磁力）共同作用下，以及輔助密封圈的配合下，該對端面保持貼合并相對滑動，而構成的防止流體泄漏的裝置。

機械密封（Mechanical Seal）又稱端面密封，這種裝置主要是借助一對或者是多對與軸保持垂直狀態(tài)并處于相對滑動狀態(tài)的端面在受到流體壓力以及彈力的作用后仍然維持貼合狀態(tài)，同時配合使用密封處理從而實現(xiàn)阻漏的一種裝置[2]。它具有非常好的密封性，基本不會產生泄漏，且能夠使用很長時間，維修次數(shù)少，能夠滿足各種工作環(huán)境需求。

目前，項目上基本采用的都是集裝式機械密封，符合API682《離心旋轉泵的軸封系統(tǒng)》要求。并配置API標準的沖洗方案及輔助管路系統(tǒng)。每個集裝式機械密封帶有可更換的軸套。集裝式機封把其中各個零件集合在一起形成了一個統(tǒng)一的整體，安裝過程非常簡單，首先將壓蓋以及軸套進行固定處理，隨后再將定位塊取下來即可完成，一般擋塊厚度為彈簧壓縮量，從外部易于觀測。由于制造廠家出廠前完成了預先裝配和調試，完成了靜壓、運轉試驗，因此現(xiàn)場安裝方便快捷，基本排除了機封本體安裝不良的影響。

2 機械密封的工作原理

機械密封的工作原理參見圖1，它的壓緊力主要是通過彈性構件以及密封媒介受到各種壓力作用后而產生的，這些壓力會使兩個端面緊緊地粘貼在一起，同時在兩個端面之間注入少量液體膜，從而實現(xiàn)良好的密封性。注入的液體膜能夠產生一定的流動性壓力以及靜止壓力，從而實現(xiàn)潤滑的效果，同時也能夠保持壓力的平衡[3]。

圖1 機械密封結構原理圖

當旋轉軸（9）處于旋轉狀態(tài)時，可以將螺釘（10）旋緊，從而使動環(huán)（1）發(fā)生旋轉。防轉銷（6）一直以靜止狀態(tài)固定在壓蓋（4）上，目的在于預防靜環(huán)發(fā)生轉動。在密封端面出現(xiàn)磨損現(xiàn)象時，動環(huán)（1）以及動環(huán)密封圈（8）會受到彈簧（2）的推動力，沿著軸的方向發(fā)生十分細微的運動，從而實現(xiàn)一定程度的補償功能。

機械密封一般有四個密封部位（如圖1中A、B、C、D）。其中，A通道是借助旋轉環(huán)與靜止環(huán)緊密貼合作用后形成的一種動態(tài)密封效果，這是一種隸屬于機械密封裝置范圍內的主密封，同時也是對機械密封性能影響性最大的因素[4]。所以說，它對于密封端面具有十分高的要求，尤其是在端面加工方面，當壓力超出標準時，很難形成穩(wěn)定的潤滑液膜，同時也會使端面磨損速度更快；而壓力低于標準值時，會導致泄漏情況變得更加嚴重，因此要想同時實現(xiàn)較強的密封性以及耐用性，最重要的便是確保端面受到的壓力處于標準范圍內。

其中密封面B、C、D分別為壓蓋與靜環(huán)、動環(huán)與軸或軸套、壓蓋與泵殼端面間的密封，把它叫作副密封。這三個部位均為靜止狀態(tài)的密封，通常情況下不會發(fā)生泄漏問題。

通過一系列零件將徑向密封轉化為軸向密封，在彈簧和介質壓力共同作用下，對由于設備運行所造成的軸向磨損可以及時補償，使軸向密封面始終保持貼合。由于機械密封（軸向密封）在運行中可以對軸向磨損進行補償，而填料密封（徑向密封）不能對徑向磨損進行補償，故機械密封比填料密封壽命長。

3 機械密封失效的原因

整個機械密封發(fā)生泄漏時就可認為已經失效。其失效主要的標志主要是：密封系統(tǒng)流體損失的量超標；密封系統(tǒng)內壓力降低的值超標；加入密封系統(tǒng)的阻塞流體或緩沖流體的量超標。

烯烴化工裝置中大部分泵輸送的介質為乙烯、丙烯等輕烴介質，很多還是低溫泵，工況特點：溫度低，易氣化，黏度低，壓力較高[5]。烯烴泵機械密封特點：輕烴是低分子碳氫化合物的通稱，這類介質在常溫常壓下呈氣態(tài)，加壓后（高于該溫度的飽和蒸汽壓）以液態(tài)存在，溫度高或壓力低，介質會汽化。泵內輸送的介質均為液態(tài)。在密封端面，會產生汽化，端面存在汽液兩相，受多種因素影響易變化，故烯烴泵工作不穩(wěn)定，易失效。主要有以下原因：

1）雜質進入密封面。通常是由于隔離液進入雜質、試車用水有雜質、沖洗液有雜質、泵體內存有雜質等原因引起。由于試車階段，管路中的清潔度往往達不到機封的使用要求，雖然也采取了吹掃、沖洗、過濾等措施，但由于實施的不到位，造成了雜質隨著系統(tǒng)內介質的流動進入機封的密封面，造成了泄漏。

例如：液化丙烯泵試車時由于配備的臨時管道沒有嚴格按照焊接工藝執(zhí)行，未采用氬弧焊打底，臨時管道沖洗時不到位，雜質帶到筒袋泵底部內，進而造成了部分細小的雜質進入了主密封面，試車過程中隔離液緩沖罐液面升高，發(fā)生了甲醇泄漏?，F(xiàn)場拆檢機封后密封腔內有發(fā)現(xiàn)有焊渣。

2）輔助密封圈失效：橡膠O型環(huán)的溶脹，由一般情況下橡膠與溶劑一類的介質無法相容，因此O型環(huán)非常容易出現(xiàn)開裂、軟化等問題；O型橡膠的老化通常是以硬化作為體現(xiàn)的，主要是由于儲存時間超過規(guī)定時間，與陽光和氧氣進行了充分接觸，從而引起硬化。

例如：乙烯精餾塔回流泵在實際試車過程中，機械密封發(fā)生泄漏，更換備用密封后還是泄漏。檢查后分析原因為：機械密封內的O型環(huán)中不耐甲醇，甲醇浸泡后發(fā)生變形，因此泄漏。后更換機械密封O型環(huán)（耐甲醇）后沒有發(fā)生泄漏，甲醇介質試車順利進行。

3）泵試車操作工況問題。輕烴泵的工作介質為乙烯、丙烯等低溫介質，如果采用水為試車介質時，會有如下后果：

（1）由于水和烯烴介質比重相差較大，泵電機輸出功率不能滿足水試車的需要；

（2）由于試車后泵機械密封內的水不能保證全部排空，特別是筒帶泵筒帶內的水分，正式生產時可能凍壞設備。因此烯烴項目的通常做法是試車介質采用甲醇。

例如：乙烯輸送泵由于試車時條件限制，泵入口壓力過低造成甲醇氣化，排氣不及時，泵抽空形成負壓，機械密封O環(huán)瞬間被吸出，造成了機封的泄漏。后正常工況時沒有發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

4）泵運行問題。泵本身振動，竄量超標。此情況下引起：動環(huán)疲勞磨損、動環(huán)補償環(huán)部分浮動差，橡膠O型環(huán)內周被磨損，機械力引起密封環(huán)的扭曲、擠壓、彎折。

例如：生產水泵試車時振動嚴重超標，機械密封漏水嚴重。拆檢發(fā)現(xiàn)：泵的驅動端機械密封壓蓋與軸套相碰，有磨損的痕跡；軸套上是圓周均勻磨損，壓蓋是內徑局部磨損。后廠家更換了密封體，并對磨損的壓蓋和軸套進行了修整、組裝。

5）機封本身安裝問題，包括機封零件松動引起傳動失效；軸的表層缺乏光滑性，當軸與密封件之間的角度偏移而發(fā)生一定程度歪斜時，軸套與O型圈接觸處磨損等情況。

例如：吸入罐底泵運行時機封扭矩傳遞環(huán)的緊固螺釘松動，造成傳動失效。因此試車前應檢查扭矩傳遞環(huán)的緊固螺釘是否松動。

6）冬季施工保護措施不到位，設備試車后水未排盡，特別是越冬的項目，機封內殘留的水在機封內結冰，造成密封面粘連，盤車時容易損傷機封。

7）系統(tǒng)試壓時壓力過大或反向受壓（雙端面密封），使得靜環(huán)脫出、變形，從而造成機封泄漏量大或不正常。

8）泵運轉時振動太大使動環(huán)運轉中產生徑向和軸向振擺，液膜厚度變化大，有時密封面被推開，造成泄漏量增大。

4 試車時注意事項及預防措施

1）在起動泵之前仔細清洗新安裝的管線，因異物如灰塵、鐵銹、焊渣或金屬顆粒遺留在管道中可能損壞機械密封。加注緩沖液之前，應清潔系統(tǒng)，特別是緩沖罐新加入緩沖液后應從底部放掉一部分污染的液體。外部管路應徹底清掃，必要時應對系統(tǒng)進行吹掃，吹掃時切忌讓雜物進入泵體內。雖然API682里面對于機封沖洗液的顆粒度沒有做明確技術要求，但沖洗液的清潔度越高則對機封密封可靠性越好。

2）啟動前應進行手動盤車，避免動環(huán)、靜環(huán)因突然啟動損壞。用手盤車，注意轉矩是否過大，有無擦碰，有無不正常的聲音。只要精加工的密封表面互相間保持均勻接觸，由于毛細作用在它們之間就會形成一薄層液體。這樣，在泵操作期間，在機械密封中就會進行完善的潤滑，為了不阻礙毛細作用（這種毛細作用對機械密封的服務壽命是非常重要的），不可過度弄緊密封面。泵起動后，立即觀察到輕微的泄漏，在一定的操作時間內，它也可能消失，在這段操作時間內，嚙合表面將靠自身而相互適應。

3）試運轉中，應盡可能預防產生零件松動的現(xiàn)象，應注意振動及聲音的變化。通常情況下，由于安裝誤差或操作不當?shù)葐栴}導致設備發(fā)生振動現(xiàn)象，從而進一步引起密封性能異常降低。在遇到這類問題時，首先應進行緊急停機，隨后檢查設備中各個部件是否正常，并進行適當調整。

4）當泵送液體易于揮發(fā)或蒸發(fā)時要特別小心，因這樣的液體可能將氣體遺留在系統(tǒng)中而誘發(fā)空穴或涌動，它會損壞或破壞機械密封，為了防止這樣的故障，管線必須有排氣孔或某種其他設施。泵起動后，立即打開出口閥并確保泵正常輸送液體。

5）密封循環(huán)液應選用潤滑性好，飽和蒸汽壓低的液體，且不應對機械密封金屬和非進駐材料產生腐蝕，對泵輸送介質不污染，不含有雜質、細小顆粒，不易結垢、結晶、結焦。冬季，在開泵前要對密封輔助系統(tǒng)各部件及管路預熱，保證密封緩沖液有較好的流動性。

6）應時刻關注是否有雜質混入端面當中，并引起發(fā)熱以及異響等問題。在運行過程中應避免干摩擦現(xiàn)象的發(fā)生。而處于間歇性運行的泵來說，停泵后物料在干燥狀態(tài)下產生的結晶以及溫度降低后而形成的結晶，在開啟泵的同時必須使用沖洗措施或者是加熱手段，預防結晶將端面劃傷，使密封性能下降。

7）各種循環(huán)保護系統(tǒng)以及設備狀態(tài)是否可靠。必須觀察是否因停水導致冷卻失效問題，從而引起密封性能下降，或者是否存在冷卻管堵塞現(xiàn)象。

8）防止泵運行中的抽空或者氣蝕發(fā)生。抽空是泵啟動前沒灌泵、進空氣、液體不滿或介質大量汽化，這種情況下，泵出口壓力近于零或接近泵入口壓力，泵內壓力降低，這叫抽空。抽空會讓泵內接觸零件和機械摩擦副發(fā)生干摩擦或半干摩擦，加劇磨損或零件移位而損壞泵及密封。在運轉中的泵，由于泵內各點壓力及溫度的差異，介質中溶解的氣體溢出或介質組分的局部汽化，同時在另外某些處又不斷溶解和凝聚，導致泵內產生高速、高壓、高頻的水力沖擊，這叫汽蝕。汽蝕使泵發(fā)出噪音，泵體振動，出口壓力大幅波動，嚴重時損壞泵的某些零件：如葉片出現(xiàn)麻點或蜂窩狀，葉輪耐磨環(huán)磨損或脫落，葉輪鎖緊螺母松動，甚至斷軸，抱軸等，機封發(fā)生失效及至損壞。

9）試運轉中，應注意設備的振動和聲音的變化。由于軸和機殼的熱膨脹差異，機器可能出現(xiàn)振動超標，在這種情況下，會誘發(fā)密封故障。這時應停機并對管線、聯(lián)軸器、地腳螺栓等部分再次加以調節(jié)和緊固。

10）機械密封輔助系統(tǒng)是保證機械密封正常工作的必要組件，有壓力、溫度、耐蝕性等要求。通過沖洗、冷卻、過濾、分離等方式進行冷卻和潤滑，從而改善密封的工作環(huán)境，減少密封的泄漏量，延長使用壽命。輔助系統(tǒng)可以減小溫升保持端面良好潤滑，在易汽化介質中保持密封腔壓力高于飽和蒸氣壓使之不汽化，在低溫泵中保溫和供熱，對于有固體顆粒出現(xiàn)的結晶和強腐蝕介質的密封，能保持密封不受損壞。工作中應保持循環(huán)密封液的液面或總量的穩(wěn)定，定時觀察壓力罐的視鏡液面或增壓罐活塞桿位置，緩沖液缺少較多時應及時補給。同時注意緩沖液的清潔及管路暢通，整個密封系統(tǒng)的溫度壓力變化不超過允許范圍。通過手動補液泵補液時，先打開補液閥門，再搖動補液手柄，液面滿足使用要求或增壓罐的活塞桿達到下端后停止，關閉補液閥門。注意不可過量補給，以免造成系統(tǒng)壓力過度升高，損壞機械密封和其他系統(tǒng)部件。

11）泵停機后，停止密封輔助系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，及時將泵內的介質排放干凈。

5 結束語

機械密封是泵的一個薄弱部位，在泵安裝和試車過程中很容易發(fā)生問題，開車備件里一般都配有機械密封。通過觀察機械密封失效的外部癥狀，進行拆卸前和卸中的檢查，判斷機封失效的原因，及時采取相應整改措施，避免造成不必要的損失和浪費，確保試車工作順利進行。