雙端面機械密封失效分析及應用

張云鵬(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

雙端面機械密封適用工況較為廣泛，包括且不限于腐蝕性強、具有懸浮顆粒、真空度較高、易燃易爆的工況等。雙端面機械密封通過控制密封端面壓差、注入密封隔離液等方式，增強密封效果。雙端面機械密封以其特殊結構和優秀性能廣泛應用于石油化工行業，一旦機械密封發生泄漏，會對化工機械設備正常運行造成嚴重影響。因此，文章對雙端面機械密封應用原理進行研究分析，探究密封失效原因和解決對策。

1 雙端面機械密封失效原因分析

1.1 操作問題

機械密封裝置操作問題主要在表現兩個方面：一是裝置裝配、運輸存在隱患。機械密封裝置檢修維護后仍然多次發生泄漏問題，將裝置拆卸解體觀察發現靜環密封面邊緣處出現缺口，判斷故障原因為機械密封裝置裝配時敲擊力度過大或組件運輸過程中發生嚴重碰撞。裝置裝配不嚴謹還會導致反應釜攪拌同軸度偏差大，反應釜軸的擺動量明顯超出該型號機械密封技術要求，影響雙端面機械密封裝置密封面貼合效果，致使攪拌軸擺動過程中介質泄漏量增加，密封面磨損程度加深。二是使用操作不規范。機械密封裝置投入使用前未檢查輔助系統是否正常工作，如系統密封隔離液是否不足，反應釜內壓力是否明顯高于密封液壓力等。在使用過程中，未及時打開冷卻水開關，密封面溫度過高會損害密封元件，致使密封失效。

1.2 機械密封元件損壞

雙端面機械密封裝置內部元件損壞包括兩種情況：一是使用過程出現自然磨損，動靜環密封面粗糙，難以發揮密封作用。機械密封裝置動環需要隨軸高速運轉，在轉動過程中動環靜環不斷摩擦，自然磨損量增加，磨損量達到一定值時，裝置無法利用彈簧力消除動靜環密封面間隙，密封介質從縫隙中泄漏出去，從而導致雙端面機械密封失效，此種屬于正常損耗。檢修人員僅需及時替換新雙端面機械密封裝置。二是機械密封彈簧無法正?；貜?。

拆解機械密封裝置發現彈簧本身未出現斷裂、變形情況，軸套上則覆蓋難以清理的橡膠泥，致使軸套與動環密封圈緊密黏合，動靜環密封面之間出現縫隙，密封介質外漏。由此判斷，橡膠泥來源為動環、靜環O型密封圈磨損殘渣。

1.3 密封元件選用不合理

機械密封裝置的密封元件選擇問題表現在O型密封圈材質不合適。該裝置中密封圈材料為聚四氟乙烯包覆硅橡膠和丁腈橡膠，其中聚四氟乙烯包覆硅橡膠材料雖然抗腐蝕性優越，但在壓力作用下回彈效果較差，容易發生變形。丁腈橡膠材料會與反應釜內物質發生反應，致使元件溶脹變形，在與其他組件配合作用時出現間隙致使密封失效。

1.4 機械密封端面問題

機械密封端面問題表現在兩個方面：一是端面潤滑液不足。機器設備日常巡檢工作粗糙，難以及時根據摩擦副冷卻狀態和密封隔離液液面位置采取措施，導致機械密封裝置潤滑液不足，還會因溫度過高引發密封圈老化，影響機械密封使用壽命。二是端面變形。機械密封裝置泄漏問題并未因更換動靜環組件而得到改善，將裝置拆卸排查發現密封端面發生變形。該裝置工作轉速較低，冷卻水使用正常，基本可以排除溫度因素對密封面的影響。對裝置運行全過程觀察分析得知，裝置密封面在應力作用下發生變形，動靜環之間的密封面無法緊密貼合，不能形成液膜達到密封目的，致使密封失效。

2 雙端面機械密封失效解決對策

2.1 規范操作流程

延長雙端面機械密封運行周期，改善密封失效需要規范操作流程，加強機械密封檢修全過程質量控制。規范操作流程包括兩方面內容：一是加強維修復位質量控制。雙端面機械密封失效的主要原因是操作問題，技術人員對設備技術掌握不充分，對構造精細的密封組件了解不足，致使出現瞬時密封失效問題時很難及時應對。因此，企業要加強檢修人員專業技術培訓，提升機械密封安裝檢修工作質量，促使機械密封裝置長期穩定工作。二是加強設備運行操作管理。石油化工企業車間運行階段，常因客觀環境干擾出現停車、啟動和運行變化，使得各種雜質顆粒進入到機械密封摩擦端面縫隙，顆粒與端面相互摩擦，加速密封端面磨損速率，從而影響密封效果。因此，企業要加強操作人員培訓，將開停車次數與裝置運行環境維持在固定范圍內，延長機械密封裝置連續運行時間。

2.2 加強日常運行維護

日常運行維護工作為雙端面機械密封裝置運行提供合理工況，使機械密封裝置正常運轉。機械密封裝置日常運行維護工作重點包括以下三點：一是做好輔助裝置檢查工作。雙端面機械密封裝置檢修與運行前，工作人員要檢查輔助裝置狀況，觀察密封液面位置和密封系統壓力是否在操作規定范圍內，密封液、壓力不足時要及時補充。工作人員應檢查外供密封隔離液系統冷卻管、沖洗管管線內部是否存在雜質，避免沖洗液中斷，影響密封腔冷卻、潤滑效果，導致機械密封失效。二是加強異常監控。檢修人員對機械密封裝置應用設備的異常情況應及時檢查上報，如機器發出異常聲響或振動，檢修人員需要對機器內部進行檢查。機器異常振動可能導致雙端面機械密封裝置防轉銷脫出，破壞裝置穩定性。檢修人員還要對機器發熱情況進行診斷，出現異常發熱可能對大氣側動環等備件造成損壞，影響裝置密封效果[1]。三是加強故障排查。工作人員對雙機械密封裝置故障分析時，要對機器拆卸前泄漏狀態、拆卸檢查全過程、密封元件結構檢測等環節深入研究分析，判斷故障發生點和密封失效真實原因，做好工作記錄并采取針對性改進措施，減少人為原因導致的機械密封失效次數。

2.3 優化機械密封設計

企業還能通過優化機械密封設計實現雙端面機械密封效果提升。例如：某企業拆檢設備發現零部件存在剛性摩擦磨損現象，包括且不限于機械密封與軸配合存在刮痕、機械密封裝置動環鎖緊螺母在運轉時與軸承產生較大摩擦等等。工作人員通過對比機械密封裝入密封腔室長度與機械密封裝置內壓蓋端面至末端長度，削減機封內卡環長度和加增墊片方式解決裝配不嚴引發的密封偏斜問題，增強機封與設備配合效率。改造、優化密封水系統也能延長機械密封使用周期。企業根據不同工況需求對密封結構進行優化，如可在密封水系統液體進出口處加設節流孔板進行液體流量控制，按照實際需要調節密封水壓力。

3 雙端面機械密封應用研究

3.1 應用原理

雙端面機械密封工作時在介質壓力、元件彈力等合力作用下使動環端面與靜環端面緊密貼合，使端面間隙中形成液膜，從而實現密封。雙端面機械密封需要外供密封隔離液系統提供運行支撐，外供密封液系統中隔離液能夠循環使用，對密封腔進行潤滑冷卻，為機械密封提供良好工作環境[2]。雙端面機械密封根據工作原理可被分為三部分：一是主密封，即動環靜環相互作用形成的動密封面；二是輔助密封，主要包括O型密封圈等密封原件；三是密封循環保護系統，包括溫控元件、雜質過濾元件、壓力檢測元件等，各元件配合作用保證雙端面機械密封裝置可用。

3.2 雙端面機械密封裝置安裝

以旋轉軸用雙端面機械密封裝置安裝說明為例，探究機械密封裝置安裝前的準備過程、安裝注意事項以及安裝流程。某公司安裝臥式離心泵用機械密封裝置，裝置為雙端面接觸式，密封工作溫度范圍為-50～140 ℃，端面速度低于16 m/s，適用于有顆粒的介質工況。

雙端面機械密封裝置安裝前準備工作包括五部分：一是提供良好安裝環境。安裝前檢查設備系統是否處于非工作狀態，環境溫度、壓力是否達到安裝要求。二是檢查機械密封裝置與離心泵是否匹配，檢查各連接點尺寸是否正確，檢查雙端面機械密封裝置是否存在變形損壞問題。三是要對非金屬元件如O型密封圈滑過部分進行加工，控制與非金屬元件接觸金屬表面粗糙度，改善非金屬元件磨蝕損傷情況。四是檢查離心泵軸、密封腔安裝尺寸、密封端蓋能否滿足機械密封裝置安裝要求。五是檢查雙端面機械密封裝置安裝部位是否存在雜質。

雙端面機械密封安裝注意事項包括三點：一是應用阻封水改善裝置使用環境，并在密封腔處設置阻封水接口；二是阻封水系統中壓力表和調節閥應設置系統出水口處，幫助工作人員觀察調節系統壓力；三是保證阻封水系統壓力高于泵腔壓力。

雙端面機械密封裝置安裝操作內容如下：一是清潔裝置離心泵旋轉軸和密封腔體；二是在機械密封裝置非金屬元件如O型密封圈處涂抹潤滑物質，減輕安裝阻力；三是保證機械密封裝置表面清潔，避免雜質灰塵對密封面造成不良影響；四是安裝中摩擦副表面無需涂抹潤滑物質，不應大力碰撞敲擊安裝元件；五是區分裝置動環靜環，確認軸套安裝方向，嚴格按照系統示意圖要求進行對應安裝；六是安裝完畢后對各元件之間摩擦情況進行測試，若離心泵旋轉軸轉動用力不均衡則應檢查裝置安裝問題，必要時將裝置拆卸，排查完安裝問題后重裝。

3.3 雙端面機械密封裝置的使用

使用雙端面機械密封裝置前，工作人員需要確認輔助系統是否能夠正常工作，監測設備運行全過程并及時處理設備異常。雙端面機械密封需要輔助系統維持裝置運行所需要的隔離壓力，借助循環管線帶走機械密封工作過程中產生的熱量，并對密封泄漏進行補償。雙端面機械密封運行期間要避免密封介質壓力出現較大范圍波動，規避泵抽空現象。雙端面機械密封輔助系統使用維護工作包括五部分：一是輔助系統安裝配管完畢后對系統進行試壓和清洗。工作人員應在焊縫接頭處進行氣密性測試，測試結果確認無誤后用氮氣進行吹掃，保證系統液體進出口無雜質。二是系統內注液測試。在試壓清洗工作結束后，工作人員應向系統注入緩沖液檢查系統各接口密封性，一旦出現液體泄漏需要檢查系統連接處連接情況，擰緊連接處螺母后再次進行注液測試。三是試車前調試。工作人員要注意多用接口、緩沖液進出口、冷卻水進出口、補液口開關狀態是否滿足測試要求。四是試運行。當系統管線和系統內液位確認無誤后，觀察儲液罐上液面位置變化和系統內壓力變化，系統正常運行時內部溫度會先升高后穩定在固定值，若系統內溫度超過固定值，工作人員要利用冷卻水進行密封腔溫度控制。緩沖液進口溫度、溫升以及壓力值均保持在正常值時，試運行結束，機械密封裝置與輔助系統進入連續工作狀態。五是維護保養工作。輔助系統中儲液罐要定期進行液體更換，清理罐內沉積雜質并根據罐內液體實際情況進行補充。工作人員要定期巡視儲罐運行狀態，如管線是否阻塞泄漏，溫度壓力值是否在規定范圍內等。

3.4 故障排查

以某石化公司球罐區機械密封年度檢修統計情況為例，探究雙端面機械密封應用故障排查注意事項。該公司乙烯泵與丙烯泵的雙面機械密封型號為0500/RRTP/SB3844，乙烯泵檢修周期為3個月，全年檢修次數為4次。第一次乙烯泵故障表現為軸承發出異響，磨損嚴重和間隙過大。第二次到第四次的故障均表現為密封失效隔離液泄漏，大氣側補償環、非補償環不同程度的崩邊偏磨。丙烯泵全年檢修6次，第一、三、四、五次丙烯泵故障為密封失效隔離液泄漏，大氣側補償環、非補償環崩邊偏磨。第二次丙烯泵故障還造成傳動套固定石墨襯套嚴重破損，第六次丙烯泵故障是上油封破損導致軸承箱潤滑油泄漏。對該公司乙烯泵、丙烯泵頻繁故障檢修統計情況分析可得，故障多表現為密封失效隔離液泄漏損壞機器備件，故障原因主要有兩點：一是隔離液循環通路阻塞。對乙烯泵丙烯泵的密封隔離液儲罐進出口管線調查發現，管線因機封多次損壞殘留物累積形成雜質，阻塞密封隔離液循環管線，致使大氣側密封內隔離液數量不足，機械密封失效。二是備件磨損。大氣側補償環、非補償環、大氣側傳動套口出現磨損、崩邊、皰疤現象，致使密封隔離液泄漏。該公司根據故障原因分析進行針對性改進：一是定期對密封隔離液儲罐管線溫度進行測量，檢查管線堵塞情況，定期清洗隔離液密封循環管道并及時更換隔離液，保證Plan52系統正常運行。二是根據離心泵運行周期重新設計機械密封檢修周期，加強對機械密封相關備件的精細化管理，如工作人員一旦在阻封水中發現不明雜質，立刻進行異常上報，指派檢修人員對機械密封進行檢修，降低機械密封失效造成的不良影響。

4 結語

雙端面機械密封構造精細，對于密封零部件加工裝配要求較高，一旦出現密封失效隔離液泄漏情況，故障排查判斷難度大。為降低機械密封裝置檢修成本，促使機械密封裝置長期穩定運行，需要加強雙端面機械密封裝置失效原因的分析和應用研究，提高石油化工企業綜合經濟效益。