中國(guó)神華煤制油化工有限公司包頭煤化工分公司甲醇中心凈化裝置配置3臺(tái)高壓冷凝液泵(200×150R2DM44型，位號(hào)為146-P001A/B/C，2開(kāi)1備)。自2009年8月裝置一次開(kāi)車(chē)成功后，由于該泵機(jī)械密封泄漏曾引起多次非正常檢修，因此，為保證全套裝置穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行，必須解決該泵機(jī)械密封運(yùn)行周期過(guò)短的問(wèn)題。

1、高壓冷凝液泵運(yùn)行條件

　　高壓冷凝液泵設(shè)計(jì)吸入介質(zhì)溫度196℃，吸入壓力(絕壓，下同)5.845MPa，最大進(jìn)口壓力6.600MPa，排出壓力8.200MPa；配用集裝式機(jī)械密封(CM291B-095FT-K080型)，機(jī)械密封設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為0～10MPa；設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度-20～180℃，介質(zhì)成分(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))：H2O99.7%，H2S0.004%，NH30.05%，CO20.1%，CO0.03%，H20.08%，CH40.07%；密封系統(tǒng)沖洗方案為APIPLAN23，即由高壓機(jī)械密封自帶的泵輸送結(jié)構(gòu)，泵軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，泵送結(jié)構(gòu)隨軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)流體在沖洗水輸入口(FI)和輸出口(FO)腔體內(nèi)產(chǎn)生差壓，流體由形成的差壓經(jīng)換熱器冷卻后與熱虹吸效應(yīng)一起作用，經(jīng)FO流向換熱器盤(pán)管，換熱冷卻后經(jīng)FI進(jìn)入密封腔體，冷卻機(jī)械密封端面；冷卻水來(lái)自冷卻塔，進(jìn)口溫度和最高返回溫度分別為30℃和40℃，進(jìn)口壓力和最低返回壓力分別為0.5MPa和0.3MPa。

2、機(jī)械密封失效現(xiàn)象

　　該泵運(yùn)行1～2個(gè)月之后，即發(fā)生集裝式機(jī)械密封軸套和壓蓋件外漏冷凝液，并逐漸增大成線狀泄漏。拆卸下機(jī)械密封檢查后發(fā)現(xiàn)：機(jī)械密封腔體內(nèi)部聚集了大量的炭粉狀物質(zhì)，機(jī)械密封端面磨損嚴(yán)重，密封圈老化變形，換熱器盤(pán)管內(nèi)已有炭粉狀物質(zhì)積累。

3、機(jī)械密封失效原因分析

　　結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)拆卸機(jī)械密封情況分析，機(jī)械密封失效原因?yàn)椋簩?shí)際工況條件下，介質(zhì)中含有懸浮炭粉狀物質(zhì)，在對(duì)機(jī)械密封端面進(jìn)行換熱冷卻的沖洗回路中，炭粉狀物黏附在換熱器環(huán)管內(nèi)壁，造成換熱器效率下降，引起機(jī)械密封腔體溫度升高，機(jī)械密封端面摩擦發(fā)熱以及高溫的介質(zhì)流體造成機(jī)械密封端面過(guò)熱，從而引起機(jī)械密封多種形式失效。包括：①機(jī)械密封端面液膜汽化磨損加�。虎诙嗣鏌嶙冃渭哟笮孤┖湍�損；③介質(zhì)腐蝕性能加�。虎芙橘|(zhì)過(guò)熱引起輔助密封圈老化變質(zhì)；⑤石墨浸漬物碳化或熔化而產(chǎn)生泄漏。

4、機(jī)械密封設(shè)計(jì)改造方案

　　由于泵送流體介質(zhì)中含有顆粒雜質(zhì)，運(yùn)行中易堵塞換熱器盤(pán)管，造成PLAN23換熱冷卻效果不明顯，換熱后溫度滿足不了機(jī)械密封的正常運(yùn)行要求。密封制造企業(yè)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行條件，經(jīng)雙方討論后，擬定采用APIPLAN32+21方案，即：引入高壓的外沖洗冷卻水，沖洗冷卻機(jī)械密封腔體，同時(shí)對(duì)原集裝式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，取消泵效環(huán)，防止泵效環(huán)攪動(dòng)介質(zhì)而不利于沖洗液的暢通、產(chǎn)生多余的熱量。

5、機(jī)械密封改造設(shè)計(jì)計(jì)算

　　5.1、機(jī)械密封材料設(shè)計(jì)選用要求

　　(1)摩擦副密封環(huán)。摩擦副密封環(huán)是機(jī)械密封的主要元件，在很大程度上決定了機(jī)械密封的性能和壽命。對(duì)摩擦副密封環(huán)的要求：①足夠的強(qiáng)度和剛度，保證在工作條件(如壓力、溫度、滑動(dòng)速度等)下不損壞、變形小，工作條件波動(dòng)時(shí)影響��；②端面有足夠的硬度、耐腐蝕性能，確保使用壽命；③耐熱沖擊力，導(dǎo)熱系數(shù)高，膨脹系數(shù)低；④較小的摩擦系數(shù)，良好的自潤(rùn)滑性，材料與介質(zhì)有很好的浸潤(rùn)性。

　　(2)摩擦副端面寬度。從受力角度出發(fā)，窄的端面整體強(qiáng)度和剛度差，易損壞或變形。普通機(jī)械密封端面寬度推薦值見(jiàn)表1。壓力高的機(jī)械密封宜選用中、寬系列機(jī)械密封。

表1 普通機(jī)械密封端面寬度推薦值mm

　　(3)摩擦副端面組對(duì)PV值。密封端面的摩擦熱QF同時(shí)取決于P端面比壓(MPa)和V密封端面平均線速度(m/s)，V=π(d1+d2)n/120×10-3(d1和d2分別為密封端面內(nèi)、外徑，mm；n為泵轉(zhuǎn)數(shù)，r/min)，密封端面的性質(zhì)應(yīng)考慮PV值。PV值過(guò)大時(shí)，引起液膜汽化、密封失效、端面嚴(yán)重磨損，因此，對(duì)一定摩擦系數(shù)的端面材料進(jìn)行匹配時(shí)，對(duì)應(yīng)某種介質(zhì)有一許用PV值，要求PV值<許用PV值。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)高溫、高壓的運(yùn)行工況及摩擦副端面寬度選用因素，對(duì)該高壓機(jī)械密封選用高強(qiáng)度的進(jìn)口石墨與碳化硅組對(duì)，滿足高溫、高壓條件下機(jī)械密封摩擦副材料的高強(qiáng)度和高PV值的運(yùn)行要求。

　　5.2、機(jī)械密封輔助系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)

　　為改善密封工作環(huán)境，采用許多元件和設(shè)施組成一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)沖洗、冷卻、過(guò)濾、分離和保溫的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)密封的潤(rùn)滑、冷卻或調(diào)溫、沖洗、凈化、稀釋泄漏介質(zhì)，改善密封的工作環(huán)境。

　　5.2.1、沖洗方式的選擇

　　(1)自沖洗(或介質(zhì)沖洗)。依靠泵本身產(chǎn)生的壓差(或密封腔內(nèi)的泵送裝置產(chǎn)生的壓差)使密封介質(zhì)通過(guò)密封腔形成閉合回路，介質(zhì)在其中循環(huán)實(shí)現(xiàn)沖洗。

　　(2)循環(huán)沖洗。沖洗流體用外加流體(隔離流體)，通過(guò)泵送裝置使外加的密封流體進(jìn)行循環(huán)，該泵送裝置既是外加的油站，也是密封腔中的泵效環(huán)或利用熱虹吸原理。適用于雙端面或串聯(lián)式機(jī)械密封上。

　　(3)注入式?jīng)_洗。對(duì)于內(nèi)裝單端面機(jī)械密封，當(dāng)被密封介質(zhì)不宜作沖洗液時(shí)(含固體顆粒，例如煉油廠催化裂化裝置中的油漿泵)或溫度高、黏度大(如煉油廠常減壓裝置中的塔底泵)，需從外部引入密封流體注入到密封腔中，改善密封工作環(huán)境。適用于單端面密封的高溫泵，輸送易結(jié)晶、含固體顆�；蚋�蝕性介質(zhì)泵。

　　5.2.2、沖洗量的確定

　　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(guò)其耐熱極限。為了保證機(jī)械密封的正常運(yùn)行，不僅應(yīng)選用耐高溫、導(dǎo)熱性能好的摩擦副材料和合理的結(jié)構(gòu)，還要采取沖洗措施來(lái)改善工作環(huán)境，以延長(zhǎng)密封的使用壽命。

　　在確定機(jī)械密封的沖洗量時(shí)，需要考慮密封端面摩擦熱和旋轉(zhuǎn)元件的攪拌熱，設(shè)定一定的溫差將這些熱量帶走，以保證端面溫度處于允許范圍內(nèi)。但是在實(shí)際運(yùn)用中，由于攪拌熱不易確定，通常按端面摩擦熱考慮合適的摩擦系數(shù)來(lái)確定，即摩擦熱為：

QF=fPgVAf=Q1=QxρCΔtx

　　則沖洗量(L/min)為：

Qx=60fVAf/(ρCΔtx)

　　式中：f———摩擦系數(shù)，考慮安全因素，一般取較大數(shù)值，f=0.2～0.3；Pg———比載荷，N/cm2；Af———密封面面積，cm2；C———密封介質(zhì)或沖洗液的比熱，J/(kg·℃)；ρ———密封介質(zhì)或沖洗液的密度，kg/L；Δtx=t2-t1———密封腔體或軸封箱體沖洗液出、入口溫差，可根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)按照經(jīng)驗(yàn)值選取，經(jīng)驗(yàn)值最大Δtx=25℃。

　　已知：該泵密封沖洗液為軟化水，密度為ρ=1kg/L，溫度為50℃，泵轉(zhuǎn)數(shù)為n=2960r/min，壓力為Ps=5.9MPa，彈簧比壓為Psp=0.25MPa，面積比K=0.70，密封端面內(nèi)、外徑為d1=92mm及d2=100mm，軟化水的比熱C為4200J/(kg·℃)，比載荷Pg=Psp+kPs=0.25+0.7×5.9=4.38(MPa)。周速V=π(d1+d2)n/120=π(0.092+0.100)×2960/120=14.87(m/s)取f=0.3及Δtx=20℃，Af=π(d22-d21)/4=π(10.02-9.22)/4=12.06(cm2)則沖洗量Qx為17L/min。

　　5.2.3、密封腔體壓力的確定

　　要確定沖洗壓力，必須確定密封腔中壓力。密封腔中壓力與泵的支撐結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)于雙支撐泵，單級(jí)雙吸式葉輪，兩端密封腔壓力均等于泵入口壓力。對(duì)于用平衡盤(pán)(鼓)平衡軸向力的多級(jí)雙支撐泵：

　　入口端密封腔的壓力=泵入口壓力；出口端密封腔的壓力=泵入口壓力+(0.00～0.05)MPa[平衡盤(pán)(鼓)徑向間隙為0.40～0.50mm時(shí)]；

　　出口端密封腔的壓力=泵入口壓力+(0.10～0.20)MPa[平衡盤(pán)(鼓)徑向間隙為0.55～0.70mm時(shí)]；

　　出口端密封腔的壓力=泵入口壓力+(0.25～0.35)MPa[平衡盤(pán)(鼓)徑向間隙為0.75～0.90mm時(shí)]。

　　5.2.4、沖洗壓力的確定

　　沖洗壓力太小，沖洗液無(wú)法進(jìn)入密封腔；沖洗壓力太大，注入沖洗量過(guò)多，浪費(fèi)能量；尤其注入式?jīng)_洗，注入沖洗量過(guò)多，大量的密封液進(jìn)入泵內(nèi)，對(duì)生產(chǎn)不利。因此，沖洗壓力必須適當(dāng)。對(duì)于泵用機(jī)械密封，工作壓力在2.0MPa以下，壓力變化小且較為準(zhǔn)確的情況下，沖洗壓力比密封腔內(nèi)壓力高0.05～0.20MPa；壓力變化較大時(shí)，沖洗壓力比密封腔內(nèi)壓力高0.10～0.20MPa。對(duì)循環(huán)沖洗和注入式?jīng)_洗而言，可用手動(dòng)閥人工調(diào)節(jié)，如果采用調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制，效果更好。

6、改造結(jié)果

　　將原密封沖洗系統(tǒng)方案APIPLA、N23更改為APIPLAN32+21方案(接入高壓、潔凈、高溫的軟化水，由原沖洗系統(tǒng)方案換熱器換熱冷卻到40～60℃后，接入機(jī)械密封腔體，沖洗、冷卻機(jī)械密封)，按照高壓機(jī)械密封設(shè)計(jì)，機(jī)械密封摩擦副材料改進(jìn)為高強(qiáng)度的進(jìn)口石墨與碳化硅組對(duì)，利用原有APIPLAN23密封沖洗系統(tǒng)換熱器，將100℃的外沖洗軟化水冷卻換熱到約50℃，沖洗冷卻機(jī)械密封，同時(shí)將原結(jié)構(gòu)機(jī)械密封的機(jī)械效密封泵送環(huán)拆除，使外沖洗流體沖洗流量到達(dá)最低要求。在2011年10月實(shí)施改造并投用后，機(jī)械密封壽命顯著延長(zhǎng)。