機械密封在運行中產(chǎn)生的摩擦熱使密封端面的溫度升高,如不采用相應(yīng)的措施,會產(chǎn)生以下結(jié)果:①密封端面間液膜汽化、磨損加劇。②動、靜環(huán)產(chǎn)生熱變形,致使磨損加劇、泄漏增大。③介質(zhì)對機械密封的腐蝕速率加快。④輔助密封圈老化、變質(zhì)而失效。

       目前,一般采用水冷方式對機械密封處溫度進行控制,然而采用這種方式普遍存在結(jié)垢問題,在軸(套) 上形成的水垢容易破壞密封。較為理想的解決方案就是選用軟化水進行冷卻,但是此項改造成本太大,可行性不高。到目前為止,國內(nèi)尚無機械密封生產(chǎn)廠家生產(chǎn)能有效防止水垢生成的機械密封。文中對冷卻水水質(zhì)較差引起的機械密封失效進行了簡單闡述。

高溫油泵工況簡介

        石大科技集團有限公司常減壓裝置初餾塔底泵型號為150AYⅡ150×2B,介質(zhì)溫度為280℃;常壓塔底泵為100AYⅢ120×2B,介質(zhì)溫度為365℃;減壓塔底泵型號為100AYⅢ120×2B,介質(zhì)溫度為380℃,均為雙級AY型油泵,都采用波紋管機械密封。其他常壓流程用泵、減壓流程用泵也大多使用波紋管密封,其介質(zhì)溫度在200～400℃,操作壓力為0.75～1.75 MPa。每臺泵的平均水垢故障周期在7～20d。

高溫油泵機械密封發(fā)生泄漏原因分析

高溫油泵的水垢分析

       從機泵密封腔中取出結(jié)垢樣本進行了鹽酸滴定試驗。在滴定的過程中,發(fā)現(xiàn)水垢并沒有像預(yù)期的那樣逐漸大部分被溶解,相反只有很少一部分水垢被鹽酸溶解。按照最初的推測,水垢的主要成分應(yīng)該是碳酸鹽類和硫酸鹽類,在鹽酸的滴定試驗中大部分是會溶解的,但是滴定試驗的結(jié)果與推測不相符。因此,對水垢垢樣進行了水質(zhì)硬度分析,其結(jié)果見表1 。

       從表中可以發(fā)現(xiàn),懸浮物的質(zhì)量濃度約是控制指標的5 倍,而COD 的質(zhì)量濃度則高達控制指標的20 多倍,由此可以斷定COD 和懸浮物質(zhì)量濃度的異常是導(dǎo)致冷卻水結(jié)垢的主要原因。

表1 　水質(zhì)硬度分析試驗數(shù)據(jù)表

　   COD 是利用化學(xué)氧化劑(如高錳酸鉀) 將水中可氧化物質(zhì)(如有機物、亞硝酸鹽、亞鐵鹽、硫化物等) 氧化分解,然后根據(jù)殘留氮化劑的量計算出氧的消耗量,是表示水質(zhì)污染度的重要指標。其值越小,說明水質(zhì)污染程度越輕。COD量濃度的超標為各種細菌的滋生提供了溫床,從而產(chǎn)生了生物粘泥。隨著生物粘泥的增多導(dǎo)致了冷卻水管線的堵塞,生物粘泥在高溫下硬結(jié),而生物粘泥用鹽酸來溶解是很困難的,這與維修現(xiàn)場用鹽酸疏通冷卻系統(tǒng)困難的現(xiàn)象相吻合。

機械密封處結(jié)構(gòu)分析

波紋管機械密封的結(jié)構(gòu)簡圖見圖1 。

圖1 　波紋管機械密封結(jié)構(gòu)示圖

　　由圖1 可知,冷卻水進入冷卻腔后會直接流入以下3處: ①動環(huán)與軸套處間隙處。②軸套外圓與水套內(nèi)圓間隙處。③水套外圓與靜環(huán)波紋管內(nèi)圓間隙處。

      流入間隙1處的冷卻水不能流動,稱為死水,冷卻效果不佳。一般水垢的生成溫度在80℃左右,而間隙1～3處的溫度均高于此溫度,鈣鎂鹽類以及微生物粘泥的結(jié)晶首先在這3處結(jié)晶析出,生成水垢。無論是鈣鎂鹽類水垢,還是生物粘泥水垢,生成速度都很快,特別是溫度最高的間隙1 處,高溫將引起動環(huán)變形,造成密封磨損產(chǎn)生泄漏。同時由于間隙1～3處水垢的生成,降低了軸套及動、靜環(huán)密封面的表面粗糙度,也會促進密封面的磨損,造成機械密封出現(xiàn)泄漏。水垢的進一步增加使間隙2～3處更加減小,使冷卻水傳熱效率進一步下降。

       當(dāng)水垢在靜環(huán)波紋管內(nèi)圓和水套外圓處堆集并堵死靜環(huán)環(huán)座與水套的徑向間隙時,將產(chǎn)生以下兩個結(jié)果: ①石墨靜環(huán)的密封面磨損后,波紋管的彈力與部分不平衡力之和克服不了水垢對靜環(huán)座的摩擦阻力,靜環(huán)不能向密封面補償,必將出現(xiàn)比較嚴重的泄漏。②一旦密封冷卻水因結(jié)垢而變小甚至斷流,密封腔內(nèi)的冷卻條件將急劇惡化,積存于密封腔內(nèi)的水會在高溫下變?yōu)檎羝?使密封腔內(nèi)的壓力急劇升高,一旦高于波紋管的彈力時將會推開密封端面,產(chǎn)生極為嚴重的噴射式泄漏,引發(fā)災(zāi)難性的后果。

      對比了北常壓熱油泵機械密封噴油事故的現(xiàn)場情況,與上面的分析基本吻合。

冷卻水管線分析

       目前高溫油泵的冷卻水管線都是采用塑料軟管,其耐高溫的性能比較差,冷卻水管線高溫軟化變形后,輕則使冷卻水的流速變慢,使泵內(nèi)冷卻水結(jié)垢的速度加快,重則脫落造成機械密封泄漏或燒毀。通過對日常維修紀錄的整理總結(jié)發(fā)現(xiàn),由于塑料軟管原因?qū)е碌臋C械密封泄漏故障能占到機械密封故障的1/3。

     綜上所述,上述3 種原因共同作用的結(jié)果導(dǎo)致了機械密封發(fā)生了泄漏。