姬岛州，宁 静

（中海石油化学有限公司，海南东方 572600）

1 概述

中海石油化学股份有限公司二期合成装置氨输送泵（2101J），结构为立式9级叶轮泵，A/B泵配置，由电机驱动；泵的轴总长约6m，叶轮在泵的下端，形成悬臂梁的不稳定结构，泵的轴端密封采用国内某公司制造的机械密封，为弹簧式两级串联结构，一级密封在内侧，采用输送介质回流冷却密封；二级密封在外侧，采用甲醇冷却密封，甲醇来自外置高位贮槽。氨输送泵的主要作用是把来自氨罐（2201A/B）的常压液氨（-33℃）经氨输送泵提压至2.78MPa，输送至氨预热器。该泵的详细参数如表1所示。

表1 氨输送泵详细参数

2 氨输送泵运行及检修情况

该泵自原装机械密封国产化以来，一直运行不稳，机械密封泄漏故障较为频繁，检修频率较高，近两年尤为严重。据统计，该泵在2017年5月至2018年5月总共检修7次，均为机械密封泄漏故障。由于氨输送泵并非常开设备，在需要降低氨罐液位或提高尿素装置负荷情况下才运行该泵，平均每月开停车两次，运行总时长约200h，平均每套机封运行不足400h就发生泄漏，因此如何解决氨输送泵的频繁泄漏，成为生产中亟待解决的问题。

3 机械密封泄漏原因分析

3.1 静环密封圈结构及材质选用不当

经过多次对机械密封的故障拆检，发现静环密封圈损坏严重，原密封圈为包覆型，包覆材料为聚四氟乙烯，内部O形圈为丁晴橡胶。由于密封圈包覆层太硬，弹性比较差，包覆层和内部的橡胶存在间隙，在安装时过压容易变形，且易压扁或安装不到位；在过压情况下容易损坏包覆层，导致密封失效；在低温情况下，受压的包覆材料更易老化破裂，破裂后内部丁晴橡胶密封圈将直接被腐蚀，最终引起泄漏。

3.2 静环强度差，不耐磨、易碎

原静环材质为石墨+硬质合金（钛材），镶装式结构，该材质有良好的润滑性能，摩擦系数较低，耐磨性好，但是强度低、弹性模量变量小，再加上镶装式结构，输送冷氨介质时温度较低，容易发生变形脆裂。

3.3 轴套轴向位移

氨输送泵停机运行时检查，发现机械密封轴套有向下位移，约1.5mm，轴套向下位移后，一级密封压缩量随之减小，二级密封压缩量增大，最终导致一级泄漏。

3.4 机械密封端面比压过大

氨输送泵在运行周期较短的情况下，动静摩擦副也出现不同程度磨损，动环表面产生轻微的沟槽，静环座内侧也附着许多从静环上磨损下来的粉末。

从机械密封拆解来看，密封端面磨损主要是由于干摩擦所造成。经分析，由于机械密封端面比压过大，在运行中，端面产生的热量较高，而液氨在常压下沸点较低，动静环在运行中端面所产生的液膜在高温下发生汽化，摩擦副由液膜摩擦转变为干摩擦，致使密封磨损而造成泄漏。

3.5 机械密封一级密封结构不合理

原机械密封一级密封为多弹簧式结构，辅助密封为动环内的密封圈，该密封圈不但要起到动环与轴的密封作用，还要求必须有较好的浮动性，而这两者间又存在矛盾共存关系，如果密封圈与轴套贴合太紧，动环浮动性就要降低，如果贴合不紧，则容易泄漏。此外密封圈在低温下又容易降低弹性，影响使用性能。

3.6 机械装配不良，氨输送泵操作运行不正确

氨输送泵机械密封为弹簧式两级串联结构，结构较为复杂，在安装过程中容易造成装配不良；各零部件容易受到损坏，摩擦副端面受到擦伤，辅助密封圈受到损伤等，这些装配问题最终会导致安装密封效果大大降低，失去密封作用。

由于氨输送泵温度较低，主轴及机械密封静环座裸漏在外侧，极易结冰冷冻，在运行该泵时需要对该泵进行解冻；另外，该泵一级密封采用外置甲醇密封，甲醇罐的压力及液位偏低时，一级密封也容易泄漏。

4 改进措施

1）将原静环密封材料整体改为乙丙橡胶，乙丙橡胶有良好的耐氨腐蚀性能，冲击弹性和低温性能也较好。

2）采用碳化硅硬质合金做机械密封静环端面材质，碳化硅属于工程陶瓷，化学稳定性很好，适用于强腐蚀介质，而且导热系数高、膨胀系数小、在低温下性能波动不大、耐磨性能好。经与机械密封厂家沟通，将氨输送泵一级机械密封静环材质由石墨改为碳化硅整体式结构，以增加静环端面耐磨性。

3）原轴套锁紧螺钉一共有6颗，其中3颗锁紧轴，3颗锁紧轴套，由于轴的锁紧力不足，导致轴套移位；将锁紧环上再增加3颗锁轴螺钉，增大锁紧力，改进后运行未发现轴向位移，效果良好。

4）为适应运行工况，结合该泵的具体条件，采取了2种措施来降低密封的端面比压。①降低弹簧比压，改变弹簧形式为波纹管式。②根据石油大学流体动密封研究室的实验，在密封面上开圆弧槽可显著提高液膜的承载能力，增加密封稳定性[1]。经与密封厂家沟通，仅在机械密封的石墨动环表面上加工了12个半圆形凹槽，增加凹槽后增强了端面液膜的承载能力，降低了端面比压，并使密封的润滑性能得到了改善，降低了摩擦副的摩擦因数，减少了端面的摩擦热及由温度升高引起的端面汽化现象，避免了干摩擦的出现。

5）将原机械密封一级密封改为焊接金属波纹管结构，该结构中将辅助密封圈的滑动结构改为静密封结构，不仅消除了一个动密封点，同时消除了动环辅助密封圈所产生的迟滞，为波纹管提供浮动性[2]。这样既保证了动环的追随性，又没有辅助密封圈限制，密封压力又更加均匀。

6）严把质量安装关；机械密封的使用寿命与安装质量密切相关，机械密封装配过程中，不仅需要肉眼观察，同时使用游标卡尺及深度尺对动静环的安装位置进行测量找正，要求偏差在0.1mm以内，对各零部件安装时擦拭吹扫干净，保证清洁度，对机械密封压缩量严格控制在总压缩量的60%，对安装步骤严格按照要求进行；同时还要定期对检修人员的技术培训，从技术上提供有效保证。

在操作运行该泵时，严格按照工艺操作规程，实施岗位责任制，按时巡检，精心操作，确保安全正常运行。

5 结束语

针对泵氨输送泵机械密封的泄漏故障，对氨输送泵机械密封一级密封进行多次改造工作，从材料、结构、设计等方面解决了一系列问题，最终彻底解决泄漏问题，改造至今，氨输送泵已经正常运行超过12个月，基本实现无泄漏，实践证明，氨输送泵使用波纹管机械密封是成功的。可以达到长周期运行，减少了故障停车造成的损失，降低了设备检修费用，最终达到运行要求。