摘 要：該文根據煉油廠常減壓裝置減壓塔塔底渣油離心泵機械密封使用情況，分析了機械密封頻繁失效的原因，結合實際使用情況，提出了機械密封結構的設計改進方案。通過對機械密封進行技術改進，各項重要參數均得到改善且滿足設計要求，投入使用后表明能有效的提高密封效果和泵的使用壽命， 保證了泵軸密封運行的可靠性， 大大節省了生產成本。
關鍵詞：渣油離心泵;機械密封;失效;技術設計改進
0、前言
煉油裝置輕烴、輕質油以及熱油泵一直是機械密封的消耗大戶，尤其是常減壓裝置減壓塔塔底渣油泵，由于塔底的沉積物及渣油中的固體顆粒和高溫介質的存在，使機械密封的工作環境惡劣，造成機械密封失效頻繁，連續運行時間基本上不超過3個月，嚴重影響裝
置正常生產。
1、常減壓塔底泵性能及操作參數
減壓塔底泵輸送介質為含催化劑顆粒的渣油， 壓力≥1.8MPa、 溫度 380℃， 煉油廠減壓裝置普遍采用200AYⅢ-150×2型泵， 屬 2級單吸雙支承離心油泵， 該泵主要性能及操作參數見表1。
2、常減壓塔底離心泵密封失效原因分析
影響機械密封使用壽命的原因很多，機械密封在使用中對介質的性能、溫度，介質流量的穩定性，密封腔壓力和冷卻水的質量等因素都有一定的要求 同樣，這些因素也影響機械密封的使用壽命。在煉油裝置中，影響常減壓塔底渣油離心泵機械密封使用壽命的主要原因
有被輸送介質性能、流量的穩定性和冷卻水的質量。
表1 主要性能及操作參數
2.1 介質性能的影響分析
按照族組成和結構族組成的研究方法，原油主要由4部分組成，按重量組成大小依次為膠質、芳香分、飽和分和瀝青質，經減壓塔精餾后，原油中的膠狀瀝青物質絕大部分存在于石油的減壓渣油中，且富含S、O、N以及一些金屬元素等雜質，這些雜質對金屬物質的腐
蝕性極強，尤其是在高溫狀態。如果泵密封腔前底套材質選擇不當，則會因為底套的迅速腐蝕磨損而造成很難保證長時間的密封間隙要求，泵高壓端介質會克服封油壓力大量涌進密封腔，壓力急劇上升，同時引起摩擦副的腐蝕磨損，促使密封很快失效。
2.2 輸送介質穩定性的影響分析
離心泵在運行中，因工藝條件的影響，使介質流量忽大忽小或介質中斷，溫度高時在流量小的情況下容易產生氣阻，造成泵體內產生較大負壓而形成抽空現象。泵在抽空時，高度真空使機械密封動靜環在大氣壓作用下，引起軸向位移，使摩擦副表面脫開。同時，抽空狀態下，由于狀態的不穩定，維持摩擦副正常運行的液膜被破壞，動靜環之間出現干摩擦或半干摩擦的不正常磨損，兩環端面處在氣流的劇烈沖擊下會出現麻點、缺口甚至開裂，使機械密封完全失效。
2.3 冷卻水質量的影響分析
對于常用未經處理的冷卻水，因為含鈣質較多而容易結垢，冷卻效果差。特別是熱油泵， 機械密封軸套受高溫介質的熱傳導，表面溫度較高，造成密封軸套端部、動環與靜環內孔以及波紋管膜片內部處結垢。離心泵在運行中，由于垢質的逐漸加厚，一方面堵塞冷卻水通道， 另一方面造成旋轉軸套與靜環、波紋管膜片發生短路，使得波紋管失去彈性，靜環不能做軸向的補償位移，并加速靜環的磨損和波紋管破壞，引起介質從密封端面甚至因波紋管發生破裂泄漏。另外，由于冷卻效果差，摩擦副溫度上升，使機械密封端面產生液膜汽化，導致機械密封端面開啟，造成機械密封泄漏。
3 渣油離心泵機械密封的設計改造分析
3.1 設計改造后的密封結構分析
針對該泵機械密封使用壽命短，不能滿足生產安全長周期穩定運行的現狀，通過對該離心泵原密封尺寸及工藝分析，在不改變原設備結構的情況下，設計改進了新的機械密封結構。
改進后的泵軸密封,如圖1所示，加裝了三角形迷宮螺旋密封結構。將高壓端喉部襯套內孔車成三角形螺旋密封槽，在密封軸套上相應位置開出旋向相反(左旋)的同形狀螺旋槽， 襯套緊配在泵蓋上并點焊，同時增大泵蓋底套部位軸向尺寸，保證迷宮螺旋密封的密封能力， 有效控制其內漏量，將密封腔壓力控制在較小值，從而為后面的機械密封的運行創造有利條件。
1-螺旋密封套 2-泵蓋 3-密封軸套 4-柔性石墨墊 5-動環 6-靜環7-石棉墊 8-機封壓蓋 9-防塵蓋 10-鋁墊 11-軸套調整裝置
圖1 設計改造后的密封結構圖示意圖
1) 迷宮螺旋密封的工作原理
迷宮螺旋密封由螺旋襯套1和螺桿2組成，如圖2所示， 在螺桿軸和襯套上分別開螺紋，襯套上的螺紋旋向與螺桿軸上螺紋方向相反。介質在襯套與螺桿兩齒面所圍成的若干蜂窩狀空間內，介質流過這些螺紋時形成旋渦方向與泄漏方向相反。由于螺桿繞流與襯套繞流介質的動量交換結果， 螺桿將能量傳遞給介質。螺桿和襯套與介質相互作用的結果，促使介質形成強烈的紊流，大大提高了介質流動的摩擦阻力，從而達到密封的效果。
1-螺旋襯套 2-螺桿
圖2 迷宮螺旋密封
2) 迷宮螺旋密封的作用效果
(1) 防抽空作用。由于軸密封位置處于負壓及高溫工況(介質溫度380℃)， 密封腔中易出現汽蝕現象，很容易造成抽空。在設計密封裝置時，螺旋密封軸與螺旋襯套之間留有0.3mm左右的間隙，可防止因振動或熱膨脹使相互旋轉的內外套咬死，當少量的高溫渣油通過螺旋槽流入密封腔時，因受冷卻水冷卻，介質溫度降低，粘度增大而停留在密封腔內， 當泵抽空時，停留在密封腔內的介質以緩慢的速度流動，減少了密封腔內的負壓。與機械密封合用時，在上述情況下，機械密封動環和靜環只產生微量位移，或不產生位移，減少了各密封件的損壞。
(2) 防結垢作用。減底渣油泵使用機械密封時，軸套因為受到密封腔內的介質溫度的影響及熱傳導的作用，溫度很高，加之冷卻水含鈣質較多，在這樣的溫度下，軸套的密封端與表面、動環與靜環內徑處以及波紋管各膜片之間很容易結垢。在螺旋槽與機械密封合裝后， 被輸送的介質不能大量進入泵密封腔內，更不容易置換，加之潔凈封油的沖洗，因此，密封腔內介質容易被冷卻，粘度變大，溫度不會很高，所以，上述各部位的溫度都低于水結垢的溫度。所以，螺旋槽與機械密封合裝使用，可以有效起到防止冷卻水遇熱結垢的作用。
3.2 減底離心泵改進密封后的使用效果分析
1)設計改進前后密封運行參數對照參數對照如表2所示。
表2 設計改進前后密封運行參數對照
2)機械密封端面比壓核算
如圖3所示為波紋管機械密封計算簡圖。
圖3 DBM95B1波紋管機械密封計算簡圖
(1) 計算波紋管載荷中徑d：
(2) 計算載荷系數k:：
(3) 計算密封面接觸面積A：
(4) 計算彈簧比壓p彈：
①波紋管剛度：
式中 E——不銹鋼的彈性模量，對不銹鋼， E=2.1×106N/mm2;
t——片厚， 取t=0.8mm;
n——波紋管波數， 取11個。
②波紋管壓縮量δ：
取工作時波紋管壓縮量δ為4mm。
③彈簧比壓p彈：p = T/A = Kδ/A≈0.43MPa
(5) 端面液膜反壓系數。取端面液膜反壓系數λ=0.5
(6) 端面比壓 p比：
①改造前p 比= p彈 +(k - λ)p 介= 0.52Mpa
②改造后
p比= p彈 +(k - λ)p介 = 0.45Mpa
3) 設計改進前后密封參數分析
(1)改造后注入封油的壓力由 0.81MPa 減少至0.22MPa， 密封腔內介質對機械密封環的壓力減少了0.59MPa負荷， 在泵抽空狀態下， 由于前置迷宮螺旋密封的作用， 密封腔壓力不會瞬間下降，靜環就不會和動環脫離， 防止了密封件的損壞。
(2) 改造后機械密封壓蓋溫度大幅下降，由68℃下降至36℃， 而含鈣水在70℃左右最容易結垢。說明改造后的密封結構可以降低密封腔的工作溫度，改善了機械密封動靜環的工作條件，減少高溫下密封環的腐蝕磨損，延長了密封環的使用壽命。同時， 使含鈣水不容易在密封軸套密封表面、動環和靜環內孔處以及波紋管膜內部結垢，減少了沉積物對機封部件的磨損破壞。
(3)改造后機械密封摩擦副端面比壓等于0.45MPa，端面比壓下降了0.07MPa， 滿足了機封設計的磨耗性端面比壓不大于0.3～0.5MPa的要求，從而減少磨損，延長了機械密封的運行壽命。
4 結束語
(1) 迷宮螺旋密封因其較強的降壓性能，可廣泛應用于石油石化及化工裝置離心泵的前置密封。
(2) 形成螺紋的螺旋套與螺桿的材質必須要具備較高的耐磨和耐腐蝕性能，以保證密封間隙。
(3) 常減壓裝置減壓塔塔底渣油泵經密封改造后，徹底改觀了該泵的運行工況，該機械密封自2010 年8月投入運行之后，至今已使用了 14個月，未發現泄漏問題， 機泵實現了平穩、長周期運行，為裝置正常生產提供了保障。同時解決了制約煉油裝置系統正常運行的瓶頸問題，降低了備件消耗和人工費用，實現了較大的經濟效益。
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