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摘要：本文主要叙述了我公司为广东某炼油厂解决催化裂化装置用油浆泵机械密封泄露的问题。
关键词：机械密封结构 波纹管 失效 悬浮物
由于泵送介质（油浆）温度高（360℃左右），密度大，且含有催化剂等固体颗粒，颗粒坚硬且易聚集，其中催化剂颗粒含量大于11g/l，密封端面磨损严重，甚至产生热裂现象;国内某公司生产的DBM95型机械密封波纹管处杂质（催化剂颗粒，主要成分为Al2O3和SiO2）沉积严重，出现弹性失效现象。平均使用周期仅为20天左右，成为装置安全生产的隐患。本文着重从密封工况对机械密封的影响，探讨解决该设备隐患的方法。
一、原密封系统结构剖析
1结构形式及材料
原机械密封形式为波纹管集装式机械密封。该机封静环材质为碳化硅（SiC），动环材质为石墨，动环辅助密封圈材质为柔性石墨，其余各材料为不锈钢。
2原机械密封的辅助系统
该泵的机械密封采用了外冲洗结构。冲洗液（30℃腊油，冲洗液压力为0.6Mpa）经机封压盖进入密封腔，对密封端面进行冲洗，带走摩擦热，隔断油浆进入密封腔，改善端面摩擦状态。
二、原机械密封主要失效原因分析
通过数次检修及对原机械密封的解剖分析，发现引起机械密封热裂失效泄漏的原因主要有以下几个方面：
原因一：泵送介质，即油浆中悬浮物主要为催化剂颗粒、重质产物以及盐类聚集物。催化剂颗粒主要为Al2O3及SiO2，硬度大且易粘附在机封表面上。工艺人员虽采取了多方调整包括从分馏塔中注入油浆阻垢剂，仍不能阻止催化剂颗粒混入油浆中。拆检时发现机泵入口过滤器堵塞现象严重，对已损坏的机封统计分析，静环密封面均较好，而所有动环密封面整体均有不同程度损伤，且多数产生端面裂纹现象。这是主要因为油浆中悬浮物进入了密封端面，划伤了动环密封面，并破坏了液膜的连续性，从而引起泄漏。正常密封时，密封面处于边界润滑或半液体润滑状态，两表面被一层具有分层结构和润滑性能的边界膜分开，当密封面间混有催化剂颗粒或动环密封面上有磨损时，两密封面间液膜厚度明显增厚。
原因二：由于波纹管与轴套间隙较小，悬浮物易在波纹管表面上聚集粘附，使波纹管不能进行轴向拉伸压缩，失去弹性。这样，波纹管就无法提供随介质压力变化的轴向作用力，起不到补偿作用，使端面液膜压力减小，造成液膜反压系数下降，以致于端面比压下降，引起密封失效。
原因三：动环辅助密封圈采用柔性石墨，靠紧固套压缩密封。柔性石墨易受高温老化、介质聚合粘结，与轴套之间磨损和腐蚀等因素影响，降低密封性能;同时轴套、固定环及动环基座三者的加工尺寸偏差也影响柔性石墨的密封性能。维修中动环不易安装，且动环水平度难以保证，影响动静环密封面间的贴合程度，延长机械密封磨合期。检修完毕后，机泵预热投备用时，经常发现轴套外侧介质滴漏，维修人员无法判断介质泄漏途径是从摩擦副间泄漏或从波纹管尾座与轴套间配合处泄漏或者两者兼而有之。
原因四：机械密封压盖中的冲洗孔孔径偏小，易被催化剂颗粒堵死，造成冲洗量受到限制。入口压力波动时，封液可能无法进入密封腔，使密封腔内充满油浆。摩擦副运行工况变得极为恶劣，缩短了机械密封的使用寿命。
综上所述，由于原机械密封冲洗系统的局限性，部分介质油浆进入密封腔中，催化剂颗粒粘结在冲洗口的周围，使冲洗液流量减少，造成油浆更多的进入密封腔内，形成恶性循环。最终导致冲洗孔堵塞，冲洗液中断，摩擦副温度升高，动环因此产生热应力裂纹。密封腔内油浆中催化剂颗粒结焦，造成波纹管弹力减少，动环失去轴向补偿作用。另一方面，催化剂颗粒进入摩擦副密封表面之间。因动环材质为石墨材料，其硬度低于催化剂颗粒硬度。动环面造成划伤，进一步增大密封间隙，导致机械密封失效。
三、改造对策及措施
1 该机泵机械密封失效的主要原因为磨料（主要为催化剂颗粒）磨损。磨料颗粒尺寸为 0.3～3μm时，磨损最为严重。针对磨料磨损，防止外来磨料进入密封和从密封流体中分离出固体磨粒是非常重要的措施。此外，正确选用耐磨材料和采用硬-硬材料组合也是很有效的措施。因此，简单经济地改变机封辅助备件结构形式，减少进入密封腔的油浆量，改善运行工况;并选用DBM95A型波纹管机械密封替代原DBM95型波纹管机械密封，以期解决该设备的隐患。
2 本文认为，在保证波纹管压缩量的情况下，将波纹管的尾座与轴套制成一体，确保密封面的垂直度，即轴套增设一法兰凸台，，使得动环背部轴向密封强行变成径向密封，减少密封泄漏途径，避免波纹管组件重复调整和密封圈的损坏，确保机封密封性能的可靠性和一次组装成功率，降低安装难度和强度。
3 冲洗系统
3.1冲洗通道
在外界冲洗系统不变的情况下，将冲洗通道孔径由原Φ5扩大至Φ8。一方面冲洗液不致于流速过大，使磨擦副受到侵蚀磨损;另一方面可使冲洗液流动更畅通，避免催化剂颗粒粘结堵塞通道，及时带走摩擦热，防止端面过热，保证机封长寿命运行。
可见，增设底套后，进入密封腔的油浆量大为减少。
3.2 提高冲洗液压差
因冷却水压力基本不变（0.39-0.44Mpa），要改变并不现实。故此只有改变封油压力，将冲洗液压力提高至0.7Mpa，使冲洗液与油浆压差维持在0.25-0.3Mpa。这样冲洗液在入口压力波动情况下依然能进入密封腔中，隔断油浆进入密封腔，冷却摩擦副，改善运行工况。
3.3 机封组件
3.3.1端面材质改型
摩擦副中动环材质选用表面喷涂氧化铬（Cr2O3），静环材质选用YG6，该配合属于“硬质合金—硬质合金”形式。由于二者硬度不同，可防止动静环密封面同时损伤，也避免了产生热裂现象。这样，即使少量催化剂颗粒混入摩擦副之间，也因摩擦副的耐磨性，摩擦副也不易产生划伤，从而保证了密封效果。
3.4效果
改造前该机泵有效运行时间仅为20天左右。最长运行一个月，最短仅为一个星期的时间。2006年10月改造后，连续运行最长累积可达6000小时。其间经过长周期高负荷运行和频繁的切换运行而无泄漏故障，可见，这次改造措施是相当成功的。
四、結论
面对该油浆泵频繁的故障检修，本文针对影响机封寿命的不良因素，采取有效的改造措施，确保了油浆泵的安稳运行：
1 在冲洗系统结构不变的情况下，将机封压盖上的冲洗孔孔径适当加大，使得催化剂颗粒不易粘结堵塞冲洗通道。
2 摒弃动环辅助密封圈。将轴套与固定环制成一体，使轴向密封与径向密封合二为一，轴向密封强行变为径向密封。从而减少了泄漏途径，降低了检修难度和强度。
3 轴套尾部增设底套。底套与轴套相配合，形成迷宫间隙。从而阻止油浆中的催化剂颗粒进入密封腔，改善机械密封的运行工况，防止摩擦副因杂质磨料磨损。
4 将摩擦副材质改为硬质合金，即“硬质合金—硬质合金”的形式。增加了摩擦副的耐磨性，避免摩擦副间混入少量杂质而受到划伤损坏;动静环硬度不同，避免两者同时损坏，达到延长机械密封使用周期的目的。
改造后该机泵能够长周期安稳运行，说明这次改造是成功的。
关键词：机械密封结构 波纹管 失效 悬浮物
由于泵送介质（油浆）温度高（360℃左右），密度大，且含有催化剂等固体颗粒，颗粒坚硬且易聚集，其中催化剂颗粒含量大于11g/l，密封端面磨损严重，甚至产生热裂现象;国内某公司生产的DBM95型机械密封波纹管处杂质（催化剂颗粒，主要成分为Al2O3和SiO2）沉积严重，出现弹性失效现象。平均使用周期仅为20天左右，成为装置安全生产的隐患。本文着重从密封工况对机械密封的影响，探讨解决该设备隐患的方法。
一、原密封系统结构剖析
1结构形式及材料
原机械密封形式为波纹管集装式机械密封。该机封静环材质为碳化硅（SiC），动环材质为石墨，动环辅助密封圈材质为柔性石墨，其余各材料为不锈钢。
2原机械密封的辅助系统
该泵的机械密封采用了外冲洗结构。冲洗液（30℃腊油，冲洗液压力为0.6Mpa）经机封压盖进入密封腔，对密封端面进行冲洗，带走摩擦热，隔断油浆进入密封腔，改善端面摩擦状态。
二、原机械密封主要失效原因分析
通过数次检修及对原机械密封的解剖分析，发现引起机械密封热裂失效泄漏的原因主要有以下几个方面：
原因一：泵送介质，即油浆中悬浮物主要为催化剂颗粒、重质产物以及盐类聚集物。催化剂颗粒主要为Al2O3及SiO2，硬度大且易粘附在机封表面上。工艺人员虽采取了多方调整包括从分馏塔中注入油浆阻垢剂，仍不能阻止催化剂颗粒混入油浆中。拆检时发现机泵入口过滤器堵塞现象严重，对已损坏的机封统计分析，静环密封面均较好，而所有动环密封面整体均有不同程度损伤，且多数产生端面裂纹现象。这是主要因为油浆中悬浮物进入了密封端面，划伤了动环密封面，并破坏了液膜的连续性，从而引起泄漏。正常密封时，密封面处于边界润滑或半液体润滑状态，两表面被一层具有分层结构和润滑性能的边界膜分开，当密封面间混有催化剂颗粒或动环密封面上有磨损时，两密封面间液膜厚度明显增厚。
原因二：由于波纹管与轴套间隙较小，悬浮物易在波纹管表面上聚集粘附，使波纹管不能进行轴向拉伸压缩，失去弹性。这样，波纹管就无法提供随介质压力变化的轴向作用力，起不到补偿作用，使端面液膜压力减小，造成液膜反压系数下降，以致于端面比压下降，引起密封失效。
原因三：动环辅助密封圈采用柔性石墨，靠紧固套压缩密封。柔性石墨易受高温老化、介质聚合粘结，与轴套之间磨损和腐蚀等因素影响，降低密封性能;同时轴套、固定环及动环基座三者的加工尺寸偏差也影响柔性石墨的密封性能。维修中动环不易安装，且动环水平度难以保证，影响动静环密封面间的贴合程度，延长机械密封磨合期。检修完毕后，机泵预热投备用时，经常发现轴套外侧介质滴漏，维修人员无法判断介质泄漏途径是从摩擦副间泄漏或从波纹管尾座与轴套间配合处泄漏或者两者兼而有之。
原因四：机械密封压盖中的冲洗孔孔径偏小，易被催化剂颗粒堵死，造成冲洗量受到限制。入口压力波动时，封液可能无法进入密封腔，使密封腔内充满油浆。摩擦副运行工况变得极为恶劣，缩短了机械密封的使用寿命。
综上所述，由于原机械密封冲洗系统的局限性，部分介质油浆进入密封腔中，催化剂颗粒粘结在冲洗口的周围，使冲洗液流量减少，造成油浆更多的进入密封腔内，形成恶性循环。最终导致冲洗孔堵塞，冲洗液中断，摩擦副温度升高，动环因此产生热应力裂纹。密封腔内油浆中催化剂颗粒结焦，造成波纹管弹力减少，动环失去轴向补偿作用。另一方面，催化剂颗粒进入摩擦副密封表面之间。因动环材质为石墨材料，其硬度低于催化剂颗粒硬度。动环面造成划伤，进一步增大密封间隙，导致机械密封失效。
三、改造对策及措施
1 该机泵机械密封失效的主要原因为磨料（主要为催化剂颗粒）磨损。磨料颗粒尺寸为 0.3～3μm时，磨损最为严重。针对磨料磨损，防止外来磨料进入密封和从密封流体中分离出固体磨粒是非常重要的措施。此外，正确选用耐磨材料和采用硬-硬材料组合也是很有效的措施。因此，简单经济地改变机封辅助备件结构形式，减少进入密封腔的油浆量，改善运行工况;并选用DBM95A型波纹管机械密封替代原DBM95型波纹管机械密封，以期解决该设备的隐患。
2 本文认为，在保证波纹管压缩量的情况下，将波纹管的尾座与轴套制成一体，确保密封面的垂直度，即轴套增设一法兰凸台，，使得动环背部轴向密封强行变成径向密封，减少密封泄漏途径，避免波纹管组件重复调整和密封圈的损坏，确保机封密封性能的可靠性和一次组装成功率，降低安装难度和强度。
3 冲洗系统
3.1冲洗通道
在外界冲洗系统不变的情况下，将冲洗通道孔径由原Φ5扩大至Φ8。一方面冲洗液不致于流速过大，使磨擦副受到侵蚀磨损;另一方面可使冲洗液流动更畅通，避免催化剂颗粒粘结堵塞通道，及时带走摩擦热，防止端面过热，保证机封长寿命运行。
可见，增设底套后，进入密封腔的油浆量大为减少。
3.2 提高冲洗液压差
因冷却水压力基本不变（0.39-0.44Mpa），要改变并不现实。故此只有改变封油压力，将冲洗液压力提高至0.7Mpa，使冲洗液与油浆压差维持在0.25-0.3Mpa。这样冲洗液在入口压力波动情况下依然能进入密封腔中，隔断油浆进入密封腔，冷却摩擦副，改善运行工况。
3.3 机封组件
3.3.1端面材质改型
摩擦副中动环材质选用表面喷涂氧化铬（Cr2O3），静环材质选用YG6，该配合属于“硬质合金—硬质合金”形式。由于二者硬度不同，可防止动静环密封面同时损伤，也避免了产生热裂现象。这样，即使少量催化剂颗粒混入摩擦副之间，也因摩擦副的耐磨性，摩擦副也不易产生划伤，从而保证了密封效果。
3.4效果
改造前该机泵有效运行时间仅为20天左右。最长运行一个月，最短仅为一个星期的时间。2006年10月改造后，连续运行最长累积可达6000小时。其间经过长周期高负荷运行和频繁的切换运行而无泄漏故障，可见，这次改造措施是相当成功的。
四、結论
面对该油浆泵频繁的故障检修，本文针对影响机封寿命的不良因素，采取有效的改造措施，确保了油浆泵的安稳运行：
1 在冲洗系统结构不变的情况下，将机封压盖上的冲洗孔孔径适当加大，使得催化剂颗粒不易粘结堵塞冲洗通道。
2 摒弃动环辅助密封圈。将轴套与固定环制成一体，使轴向密封与径向密封合二为一，轴向密封强行变为径向密封。从而减少了泄漏途径，降低了检修难度和强度。
3 轴套尾部增设底套。底套与轴套相配合，形成迷宫间隙。从而阻止油浆中的催化剂颗粒进入密封腔，改善机械密封的运行工况，防止摩擦副因杂质磨料磨损。
4 将摩擦副材质改为硬质合金，即“硬质合金—硬质合金”的形式。增加了摩擦副的耐磨性，避免摩擦副间混入少量杂质而受到划伤损坏;动静环硬度不同，避免两者同时损坏，达到延长机械密封使用周期的目的。
改造后该机泵能够长周期安稳运行，说明这次改造是成功的。