侯炳穎

（蘭州石化檢維修中心，甘肅蘭州 730060）

1 設(shè)備概況

某延遲焦化裝置的原料泵，系嘉利特荏原泵業(yè)有限公司生產(chǎn)的單級單吸懸臂式離心泵，輸送的介質(zhì)為減壓渣油、油漿及乙烯焦油。例如，輸送介質(zhì)為125 ℃的原料油時(shí)，其入口壓力、出口壓力分別為0.12 MPa 和0.80 MPa，轉(zhuǎn)速為2950 r/min。該泵平均運(yùn)行15 d 左右，機(jī)械密封會(huì)出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，嚴(yán)重影響裝置平穩(wěn)運(yùn)行。

2 故障原因分析

2.1 介質(zhì)原因

該泵輸送的介質(zhì)為減壓渣油、油漿及乙烯焦油，介質(zhì)黏度大、雜質(zhì)多，容易出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象。該泵原裝機(jī)封采用丹東克隆集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的單端面金屬波紋管機(jī)械密封，密封腔體無有效沖洗設(shè)施，在運(yùn)行過程中機(jī)封摩擦副面產(chǎn)生的高溫易使介質(zhì)結(jié)焦沉積在機(jī)封波紋管處，造成金屬波紋管失彈，機(jī)封補(bǔ)償機(jī)構(gòu)補(bǔ)償性能失效，造成機(jī)封泄漏。

2.2 機(jī)封設(shè)計(jì)原因

（1）測量原機(jī)封的各項(xiàng)尺寸，密封端面內(nèi)徑d1=99.4 mm，外徑d2=108.5 mm，平衡直徑db=85.7 mm；經(jīng)計(jì)算該型機(jī)封平衡系數(shù)，帶入數(shù)值，B內(nèi)=2.34。即該機(jī)封為非平衡型單端面金屬波紋管機(jī)封。

（2）端面比壓Pc的計(jì)算公式為Pc=Ps+P1（B內(nèi)-λ），其中λ 為介質(zhì)反壓系數(shù)，介質(zhì)黏度較大的液體λ=0.333。帶入數(shù)據(jù)，可得Pc=0.12+0.3（2.34-0.333）=0.72 MPa。

（4）油類潤滑介質(zhì)的機(jī)械密封，其許用[Pcv]值應(yīng)小于14.71 MPa·m/s，從計(jì)算結(jié)果來看可以滿足技術(shù)要求。

（5）從機(jī)封端面比壓來看，原機(jī)封符合設(shè)計(jì)要求。

（6）現(xiàn)場拆解發(fā)現(xiàn)，大部分機(jī)封泄漏均發(fā)現(xiàn)機(jī)封金屬波紋管處結(jié)垢、結(jié)焦嚴(yán)重，金屬波紋管失彈，機(jī)封波紋管補(bǔ)償性能失效。機(jī)封在運(yùn)行過程中因工藝不穩(wěn)定造成泵軸前后移動(dòng)時(shí)，因機(jī)封補(bǔ)償機(jī)構(gòu)補(bǔ)償性能失效，機(jī)封摩擦副端面脫開，造成機(jī)封泄漏。

由以上分析可知，泵輸送介質(zhì)黏度大，易結(jié)焦、結(jié)垢，根據(jù)泵輸送介質(zhì)的特性，原金屬波紋管機(jī)封無法滿足泵運(yùn)行工況。對于易結(jié)晶、易凝固和高黏度的介質(zhì)，應(yīng)采用大彈簧旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。因?yàn)樾椈杉安y管易被固體物堵塞，高黏度介質(zhì)會(huì)使小彈簧及波紋管軸向補(bǔ)償移動(dòng)受阻，因此該泵機(jī)封頻繁泄漏的原因是機(jī)封結(jié)構(gòu)不符合現(xiàn)場運(yùn)行狀況。

3 機(jī)封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

為保證機(jī)械密封的穩(wěn)定、長周期運(yùn)行，除了在選擇機(jī)封結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料上面符合要求外，機(jī)封密封系統(tǒng)引入沖洗油更是機(jī)封長周期運(yùn)行的關(guān)鍵。因該泵輸送介質(zhì)黏度大、含雜質(zhì)多，不能用自身介質(zhì)作為沖洗液，需要引入潔凈且對介質(zhì)及后續(xù)加工無影響的沖洗液，結(jié)合現(xiàn)場條件，決定引入蠟油作為密封的沖洗液。

3.1 密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)該泵輸送介質(zhì)的特性，將機(jī)封由波紋管結(jié)構(gòu)改為大彈簧，機(jī)封的沖洗方案采用PLAN32。

3.1.1 彈簧材料選擇

選擇彈簧材料為熱軋彈簧鋼絲，牌號(hào)60Si2CrA，由于機(jī)械密封彈簧一般作用次數(shù)在1000～100 000 且受沖擊載荷，查表可知該彈簧材料的許用剪應(yīng)力[τ]=72 kg f/mm2。

3.1.2 在推薦尺寸系列中選擇彈簧相關(guān)尺寸

彈簧材料截面直徑d0=7 mm，有效圈數(shù)n=2.5，彈簧中徑D2=105 mm。

3.1.3 彈簧尺寸的校核

（2）選定彈簧比壓。彈性元件施加到密封端面單位面積上的力成為彈簧比壓，用Ps表示。彈簧比壓的作用是但介質(zhì)壓力很小或者波動(dòng)時(shí)仍能維持一定的端面比壓，使密封端面貼緊，保持密封性能。選擇的新型104 型機(jī)封，按照泵用機(jī)械密封彈簧比壓推薦值0.11～0.13 MPa，對于采用聚四氟乙烯輔助密封材料的取高值，選擇Ps=0.13 MPa。

（3）計(jì)算彈簧最大工作負(fù)荷F2。F2=PsA169.33 N，其中A 為密封端面面積（圖1）。

圖1 彈簧負(fù)荷變形

（6）校核彈簧工作極限負(fù)荷F3=。F3必須滿足不小于1.25F2的要求。按照該彈簧鋼材料，τj≤1.25[τ]，將已知條件帶入公式可得F3=230.29 N＞1.25F2（即211.66 N），滿足工作極限負(fù)荷要求。

（7）計(jì)算彈簧最大工作負(fù)荷下的變形量f2，f2=74.69 mm，其中G 為剪切模量，查表可得G=8000 kg f/mm2。

（8）計(jì)算彈簧極限工作負(fù)荷下的變形量f3。f3=101.58 mm。

（10）選擇彈簧余隙δ。彈簧余隙δ 只在最大工作負(fù)荷F2的作用下，為了使彈簧各圈不接觸應(yīng)保留的間隙，一般取δ≥0.1d0，即δ≥0.9 mm，此處取δ=1.0 mm。

（11）計(jì)算彈簧節(jié)距t 及螺旋角α。以彈簧幾何中心線形成的螺旋線的升角α 成為彈簧的螺旋角，螺旋角一般為5°～10°。螺旋線之間的距離為節(jié)距t，一般壓縮彈簧t=（0.28-0.5）D2，即t=29.4-52.5 mm。另外節(jié)距應(yīng)同時(shí)滿足：t=δ+d0+=52 mm；α=arctan0.158=9°。

（12）確定彈簧支撐圈數(shù)n2和總?cè)?shù)n1。普通彈簧（兩端磨平）n2=1.5，總?cè)?shù)n1=n+n2=4。

（13）確定彈簧尺寸，對機(jī)封彈簧座進(jìn)行相應(yīng)改造。彈簧在彈簧座內(nèi)的防轉(zhuǎn)定位依靠彈簧兩側(cè)沿彈簧徑向方向的折邊與彈簧座上的凹槽來完成。當(dāng)n2=1.5 時(shí)，彈簧自由高度H0=nt+d0=139 mm，彈簧工作高度H=H0-f2=15.31 mm。

3.1.4 機(jī)封端面比壓的校核

（1）按照內(nèi)裝式非平衡性機(jī)械密封端面比壓的計(jì)算公式Pc=Ps+P1（B內(nèi)-λ）。其中，彈簧比壓ps、介質(zhì)壓力p1、平衡系數(shù)B=1.279，λ 為介質(zhì)反壓系數(shù)。按照該泵介質(zhì)特性，選取λ=0.333，計(jì)算可得pc=0.13+0.13×（1.279-0.333）=0.414 MPa。

（2）計(jì)算該機(jī)封密封端面平均線速度。該機(jī)封密封面平均直徑為dm==92.18 mm，端面平均線速度v==14.23 m/s，則Pcv=0.414×14.23=5.89 MPa·m/s。

對于油類潤滑介質(zhì)的機(jī)械密封，其許用[pcv]值應(yīng)小于14.71 MPa·m/s。從上述計(jì)算結(jié)果來看，機(jī)封端面比壓滿足技術(shù)要求。

3.2 機(jī)封密封沖洗量的計(jì)算

機(jī)械密封摩擦副及輔助密封元件在工作條件下不能超過其耐熱極限。為了保證機(jī)封的正常運(yùn)行，除了選用耐高溫、導(dǎo)熱性能良好的摩擦副材料和合理的結(jié)構(gòu)外，采用必要的沖洗能夠延長機(jī)封的使用壽命。一般來說，當(dāng)Pcv 大于7.0 MPa 時(shí)必須采取沖洗措施。

在確定機(jī)封沖洗量時(shí)，需要考慮密封端面摩擦和介質(zhì)剪切而產(chǎn)生的熱量；由旋轉(zhuǎn)的密封元件引起的紊流而產(chǎn)生的熱量；由泵經(jīng)密封腔和軸傳導(dǎo)的熱量。

3.2.1 密封面上產(chǎn)生的熱量

3.2.2 傳導(dǎo)熱

傳導(dǎo)熱是熱量從泵和泵送流體傳到密封腔流體的熱量，泵和泵送流體傳入或者傳出熱量的大小取決于工況條件和泵的設(shè)計(jì)。

采用API 682—2014《離心泵和轉(zhuǎn)子泵用軸封系統(tǒng)》中的LPAN32 沖洗方案時(shí)，注入密封腔的沖洗液溫度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于泵的溫度，這樣會(huì)有很多的熱量從泵傳到密封腔中。計(jì)算傳導(dǎo)熱是相當(dāng)繁瑣的，如果要求對傳導(dǎo)熱進(jìn)行估計(jì)，可以采用以下經(jīng)驗(yàn)公式Qhs=UADbΔT。

其中，U 是材料的特性系數(shù)，A 是傳熱面積，Db是密封的平衡直徑，ΔT 是泵內(nèi)和密封腔溫度差。不銹鋼材料的軸套和密封壓蓋以及鋼材料的泵，計(jì)算時(shí)一般U×A 取值為0.000 25。

在Db=92 mm，泵溫125 ℃，密封腔溫度75 ℃（即ΔT=125-75=50 ℃）的條件下，可得Qhs=1.15 kW。

3.2.3 密封沖洗速率

對于API 682—2014 中的PLAN32 沖洗方案，沖洗量

式中 Q——密封端面產(chǎn)生的熱，kW

Qhs——傳向密封腔的熱量，kW

qinj——沖洗液流量，L/min

ρ——泵溫下的沖洗液的相對密度，kg/L

Cp——泵溫下的沖洗液的比熱容，J/（kg·℃）

已知該泵密封沖洗液為蠟油，密度為0.92 kg/L，溫度為75 ℃，蠟油的比熱容Cp=2350 J/（kg·K），則qinj=60 000×5.26 L/min。

上述計(jì)算中的溫升為密封腔的溫升。密封端面的溫升比密封腔的溫升要高很多。如果以密封腔溫度為基準(zhǔn)來計(jì)算最小沖洗液流量，則密封面會(huì)過熱而導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)不良，因此沖洗液流量至少要采用兩倍的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，即該泵沖洗液的流量為10.52 L/min。

4 實(shí)際運(yùn)行情況

2019 年6 月25 日，該泵安裝了新型機(jī)封，并一次開車成功，截至目前已連續(xù)運(yùn)行10 個(gè)月，運(yùn)行效果良好。