任小兵 (中國天辰工程有限公司，北京 100081)

0 引言

動設備開車前設備試/開車過程中，某項目遇到了部分動設備機械密封溫度>100℃的情況。由于機械密封正常溫度運行會對動設備運轉起到關鍵性的作用，特別是對于輸送烯烴等易燃易爆介質的機泵，一旦出現(xiàn)機封溫度短時間(約10 min)內持續(xù)升高至(100 ℃)的情況，安全性、可靠性會直接影響項目試車/生產運行工作的正常進行，造成不可預估經濟成本急劇上升。該問題的分析與解決對于項目試車/生產運行的順利推進將起到重要作用。因此，如何通過理論分析和現(xiàn)場實踐進行結合就成為了解決該問題的關鍵所在[1-3]。

文章力求通過理論說明和實踐的結合加以說明清楚，該篇幅中的內容涉及機械原理和材料、熱力學等相關知識，受筆者水平有限，可能分析文案的不是非常貼切，文中如有錯誤亟盼專業(yè)同仁前輩加以批評和指正。

1 機封原理/常見材料/溫變后果

1.1 機械密封工作原理

通過與軸垂直做相對滑動的端面(動環(huán)和靜環(huán))在密封腔介質壓力和補償彈簧共同作用下，使密封端面間緊密貼合，當有壓介質通過此間隙時形成液膜，并配和輔助密封進而達到阻值介質向外泄漏的軸封裝置。

1.2 機械密封零部件常用材質

1.2.1 端面密封摩擦副的材料

摩擦副材料有硬質合金、陶瓷、石墨、剛結硬質合金、SiC、聚四氟乙烯、碳化鎢合金等。

(1)硬質合金。具有高硬度、高強度、大彈性模量，以及耐磨損、耐高溫(>600 ℃)和膨脹系數(shù)小等特點，特別適合高溫和工作條件苛刻的場合，缺點：脆性大、加工困難、棱角易碎。

(2)陶瓷。陶瓷通常為金屬氧化物，在大多數(shù)介質中具有良好的化學穩(wěn)定性(除氟硅酸、氫氟酸、強堿之外)，高的硬度和耐磨性能。缺點：導熱系數(shù)小，沖擊韌性低、易熱裂。

(3)石墨。耐腐蝕和自潤滑性好，摩擦系數(shù)小，耐熱沖擊性好且加工容易。不足之處：機械強度低，材質有孔隙。但是這兩個缺點可以通過浸漬和滲碳等方法來堵塞孔隙以提高其機械性能。

1.2.2 輔助密封圈的材料

常用的輔助密封圈材料是聚四氟乙烯和橡膠等。

(1)聚四氟乙烯：①優(yōu)良的耐化學侵蝕、耐老化；②適用溫度廣泛，-180～260 ℃；③低摩擦系數(shù)和不粘性；④填充改性后耐磨性大幅度提高；⑤機械性能受溫度與符合的影響較顯著，線脹系數(shù)大，導熱系數(shù)小，奇特的冷流性，在20 ℃左右時，體積變化明顯(圖1)。

圖1 聚四氟乙烯的線膨脹系數(shù)與溫度關系

(2)橡膠O型圈：①結構簡單、拆裝方便、表面粗糙度自適應性，因此具有自封作用；②摩擦阻力較小、溫度適應范圍廣、耐壓性能好。

1.2.3 彈簧及其他零件材料

彈簧：彈性好、耐介質腐蝕，彈性強度大。

波紋管：焊接性能良好，彈性較大，耐腐蝕性較好。通常見到的波紋管材料有鎳基合金、銅基和鐵基以及鈦材料等。

1.3 機械密封溫度變化引起的后果

(1)液膜破壞；(2)磨損加快；(3)端面燒灼變形；(4)液體汽化，結晶析出或凝固物產生；(5)化學侵蝕機具；(6)蠟化；(7)材料損壞或脆化；(8)嚴重泄漏發(fā)生。

2 機封溫度高現(xiàn)象及理論分析

2.1 問題背景

2022年4月12日B項目PP裝置PP-1102A機泵(OH2型)帶介質丙烯試/開車期間，短時間(約10 min)出現(xiàn)機封溫度升高至100 ℃的情況(圖2)。

圖2 機泵

初步排除可能影響的因素后，按照試車節(jié)點和工藝條件要求進行了其他機泵(VS6型號/BB5型號)帶介質丙烯試/開車，均出現(xiàn)了同樣的問題—短時間內機封溫度升至100 ℃的情況，處于安全考慮不得不做出暫且停機的處理決定。由于該類關鍵動力設備整體出現(xiàn)的以上問題直接影響該項目按期投料開車，經濟效益(日產約720 t聚丙烯)角度出發(fā)該問題亟待解決。

2.2 機械密封運行溫度升高及降低溫度原理

動設備運轉時，在動、靜環(huán)接觸端面間由于摩擦的原因會在密封腔內產生大量的熱，為了防止介質受熱發(fā)生汽化，必須將端面間產生的熱量及時移除。通常采取安裝冷卻裝置或者沖洗的方式來降低密封腔內的溫度以達到設備安全穩(wěn)定運行的目的。

2.3 機械密封運行溫度高原因分析

2.3.1 工藝方面

通過現(xiàn)場實地查看，試車流程有一個共同點—封閉系統(tǒng)，即：儲液罐→管道1→機泵→管道2→儲液罐。系統(tǒng)存在內部循環(huán)做功的情況，可能會造成系統(tǒng)內能增加溫度升高的情況。

2.3.2 機封密封液冷卻水

冷卻水路流量和壓力不足問題。

2.3.3 電機運轉熱量傳導

機封靠近電機驅動端側溫度高于非驅動端，由此分析可能是電機運轉溫度導致熱量傳導引起機泵機械密封溫度較高。

2.3.4 密封沖洗液管路不暢

有堵塞或安裝盲板，造成管理不暢。

2.3.5 密封液蓄能器充壓不符合技術參數(shù)要求

蓄能器的作用在于補充密封液壓力(維持密封腔出于一定壓力)，合理的充壓數(shù)值有利于系統(tǒng)的正常運轉。

2.3.6 端面比壓

端面比壓的合適選擇對于機械密封長周期安全運行具有重要意義。比壓如果選取過大，端面間會產生大量的熱，不僅造成端面磨損加劇、破壞密封間液膜的情況發(fā)生，同時設備能耗增大，經濟性能降低。

2.3.7 密封沖洗液量

沖洗液量一般根據(jù)密封系統(tǒng)的熱平衡原理確定。機封熱量主要由以下產生：泵內介質流體傳導至密封端面處的熱量、旋轉密封導致的攪拌熱、動靜摩擦副間的摩擦熱。熱量散失的方式主要有：密封腔夾套冷卻、自然冷卻和壓蓋急冷。機封處產生的熱量與散失的熱量的差值即為沖洗液該攜帶移除的熱量。根據(jù)以往經驗，沖洗量通?？刂圃?～30 L/min較為合適。

特別需要注意得是，對易于揮發(fā)性介質或溫度較高的介質，沖洗液流量需適當加大。

2.3.8 沖洗壓力的影響

沖洗壓力適當為最好，沖洗壓力如果太大，注入的沖洗量會過大，能耗增大不經濟。沖洗壓力如果太小，沖洗液又不足以進入密封腔內。一般認為：沖洗壓力的確定與沖洗方式、流體介質壓力及流體壓力變化等情況有關。泵用機械密封工作壓力在2 MPa以下，壓力變化不大時沖洗壓力比密封腔內的大壓力大0.05～0.20 MPa，壓力變化較大時其差值可取0.1～0.2 MPa。

2.3.9 沖洗密封流體的要求

(1)清潔、對泵內介質質量無影響；(2)不影響泵的運轉性能，例如，不引起汽蝕或抽空的發(fā)生；(3)熱導性能好，成本低廉；(4)阻塞液壓力高于1.0 MPa的情況，選用低黏度流體更有利于沖洗；(5)對于烴類介質選擇合成油(白油：ISO VG 65 或者ISO VG 15)或蠟油比較合理。

2.3.10 機封冷卻方式

機封冷卻方式可分為直接冷卻和間接冷卻兩種方式。直接冷卻就是沖洗流體直接接觸密封端面帶走熱量。間接冷卻就是沖洗流體和密封摩擦副端面接觸，通過水冷器/冷卻水套的裝置移除沖洗液攜帶的熱量，以達到降低摩擦副端面的目的。

間接冷卻分為換熱器冷卻和夾套冷卻。換熱器冷卻分為密封腔內/外置式換熱器、套管冷卻器、盤管冷卻器等。夾套冷卻分為壓蓋夾套冷卻、密封腔夾套冷卻等。空氣、水和蒸汽通常用作傳熱介質。一般來說，直接冷卻要要比間接冷卻效果好一些，但其對冷卻液的要求較高。

2.3.11 密封端面液膜閃蒸

液態(tài)烴(丙烯)作為易揮發(fā)介質，極易汽化產生相變。機封冷卻系統(tǒng)發(fā)生通路不暢工況時，摩擦副端面及介質流體的攪拌所產生的熱量會引起液態(tài)烴(丙烯)的飽和蒸汽壓上升，當其飽和蒸汽壓高于密封腔的工作壓力時，動靜端面間的液膜會產生閃蒸爆裂，潤滑作用失效，進而引起密封端面發(fā)生干摩擦，導致機械密封的溫度升高。

2.3.12 密封端面上汽化

(1)密封端面的摩擦熱同時取決于壓力和速度，PV值過高，如圖3所示(產生的摩擦熱，輕則汽化液膜，密封失效；嚴重磨損密封端面，產生瑕疵，更甚端面摩擦副出現(xiàn)裂紋，機封報廢)；

圖3 材料PV值-磨損率曲線

(2)密封輔助設施未能應用于溫度較高的泵；

(3)沖洗液回路不通暢或者中斷；

(4)冷卻設施結垢，冷卻能力下降；

(5)密封腔中的壓力隨著泵入口壓力的下降也下降；

(6)由于輕烴泵中輕組分含量的增加等因素可能會引起的密封端面更易汽化。

2.3.13 密封腔中有氣體或者沒有灌泵就啟動

密封干摩擦。

2.3.14 密封輔助系統(tǒng)

密封沖洗液未建立循環(huán)：(1)密封液內帶氣體；(2)泵校環(huán)反裝。

3.4 機械密封運行溫度高可能原因排除

3.4.1 工藝方面

(以PP-3101為例，BB5型)經過調取DCS系統(tǒng)運行曲線查閱，機泵運行期間系統(tǒng)溫度由29.2℃升至29.4 ℃。由此可見，工藝系統(tǒng)內循環(huán)造成機封溫度上升至100 ℃的情況可以排除。

3.4.2 機封密封液冷卻水流量壓力

冷卻水管路系統(tǒng)仔細排查，水流可構成循環(huán)回路，系統(tǒng)壓力正常，水量充足排除循環(huán)水路不暢問題。

3.4.3 電機運轉熱量傳導

經過實際溫度檢測，電機驅動端溫度符合國標低于85 ℃，這與機封實際檢測到的溫度大于100 ℃不相符，同時由于非驅動端由電機冷卻風扇的存在，可以解釋非驅動端溫度低于驅動端的情況。由此分析，可以排除該因素的影響。

3.4.4 密封沖洗液管路不暢(有堵塞或安裝盲板)

逐段拆檢沖洗液管路，未發(fā)現(xiàn)管路有堵塞或者暗裝盲板的情況存在，管路通暢。

3.4.5 密封液蓄能器充壓不符合技術參數(shù)要求

現(xiàn)場嚴格按照蓄能器銘牌要求進行充氣(氮氣，氣壓以預充壓力為準)，可以排除該潛在因素的影響。

3.4.6 端面比壓

經機封廠家專家討論認為每臺機封端面比壓均根據(jù)工藝條件計算得出，符合要求。

3.4.7 密封沖洗液量

在預充壓力基礎上加入量適當沖洗液至密封液循環(huán)管內壓力至工作壓力，可以認為沖洗液量符合要求。

3.4.8 沖洗壓力的影響

在預充壓力基礎上加入量適當沖洗液至密封液循環(huán)管內壓力至工作壓力，可以認為沖洗液壓力符合要求。

3.4.9 沖洗密封流體的要求

采用Shell ondina X415_TDS GtL 機械白油，該白油是基于殼牌氣液技術的碳氫化合物液體，具有高度飽和烷基結構，嚴格履行國際處方純凈度要求，技術成熟，應用廣泛。

3.4.10 機封冷卻方式

現(xiàn)場出現(xiàn)機封溫度高的泵均采用外置式冷卻器間接冷卻方式，是否可以判斷問題所在需要實踐檢驗。

3.4.11 密封端面液膜閃蒸

機泵試車期間壓力控制以設備參數(shù)為準，技術上避免了由密封腔的工作壓力低于液態(tài)烴的飽和蒸汽壓時，引起端面液膜產生閃蒸爆裂，潤滑失效，造成密封端面干摩擦的情況。

3.4.12 密封端面上汽化

(1)查閱機泵額定參數(shù)(以PP-3101為例[OH2型])：額定參數(shù)：V=1 480 r/min，端面比壓由該機封本身給定；查閱機泵額定參數(shù)(以PP-1102為例[BB5型])：額定參數(shù)：V=2 960 r/min，端面比壓由該機封本身給定故可以判定PV值固定；查閱機泵額定參數(shù)(以PP-6202 為例[VS6型])：額定參數(shù)：V=2 950 r/min，端面比壓由該機封本身給定。不同類型/轉速/比壓的機泵(機封)均出現(xiàn)溫度升高的情況，該情況大致可以判斷要么整體機封參數(shù)設計有有誤要么外在其他條件有缺陷。

(2)所有機封均采用PLAN-53B機封密封輔助系統(tǒng)。

(3)由D/G/H分析可知系統(tǒng)內本身沖洗液量和管路是滿足要求的，是否有回路不暢/沖洗中斷情況需進一步分析和實踐檢驗。

(4)冷卻設備為新設備，第一次通入冷卻水，發(fā)生結垢造成冷卻能力降低的可能性幾乎可以排除。

(5)同K的分析可知，該情況可以排除。

(6)同I的分析可知，該情況可以排除。

3.4.13 密封腔中有氣體或者沒有灌泵就啟動

嚴格按照操作規(guī)程進行，可以排除該情況。

3.4.14 密封輔助系統(tǒng)

密封沖洗液未建立循環(huán)：

(1)密封液內帶氣體。采取小量多次加密封液且機封油罐頂部排氣的操作工藝，基本可以排除帶氣的情況。

(2)泵校環(huán)反裝。拆檢一套新的備件雙軸封機封和PP-1102B雙軸封機封現(xiàn)場查驗，泵效環(huán)均正裝，故該情況也排除。

4 機封溫度高問題歸結和解決措施

經過以上理論分析和現(xiàn)場大量實踐，大致可以排除操作和工藝方面的問題，主要問題敘述如下。

4.1 機械密封參數(shù)設計不當

該問題機封廠家認為可能性不大。

4.2 熱力不平衡

拆檢沖洗液水冷器，內部盤管管徑較細，可能存在換熱不均，沖洗液所帶的熱量無法被移除，進而溫度持續(xù)升高，直至達到沖洗液汽化，沖洗液循環(huán)中斷的情況。

4.3 解決措施

2022年4月24日嘗試更換一臺較大型號的水冷器(盤管)，更換后現(xiàn)場試/開車效果良好(溫度≈60℃)，其余全部水冷器按照計劃依次更換完畢(歷時月余)。

4.4 試/開車成功意義

(1)直接影響經濟產值：試/開車的關鍵動力設備 PP-1101A(BB5型)、PP-3101A/B(OH2型)、PP-3201(OH2)、PP-6202A(VS6型)機封水冷器更換完成歷時約20天，聚丙烯價格當時約8 000元/t，產量約30 t/h。

(2)無形價值：積極解決問題的態(tài)度贏得B項目業(yè)主的高度認可，對于進一步向外界展示公司立德、擔當、創(chuàng)新、進取的企業(yè)形象起到了積極作用。

5 結語

動設備試車是一門跨多個專業(yè)學科的綜合學問。任何可能的因素都需要逐一加以分析和排除，做好該工作需要綜合的專業(yè)理論知識儲備和現(xiàn)場實際經驗的高度結合。