常减压北蒸馏装置高危泵机械密封系统分析

常减压北蒸馏装置高危泵机械密封系统分析

赵大明

中国石油锦西石化公司，辽宁 葫芦岛 125001

摘要：北蒸馏装置共有44台高危泵，采用双端面密封设计，配以11+52、32+53A、21+53A、21+52、21+53A+62冲洗方案。本文介绍了高温油泵采用的机械密封原理及冲洗方案，对机械密封失效形式进行了分析，通过有限元软件，对双端面密封的液膜润滑进行了数值模拟，获得了液膜压力分布的变化规律，降低泄漏发生的可能性，对高温油泵的机械密封进行改进，有效地降低了密封失效的可能性。

关键词：蒸馏装置；高危泵；机械密封

引言

高危泵是输送高温油类，轻烃类以及有毒、有害类介质的机泵。在石油化工行业中，采用高温油泵对高温介质进行输送时，由于高温油泵的机械密封泄漏问题，导致高温介质泄漏，造成一些失火事故，严重影响了企业的运营生产，甚至有时会产生安全事故。所以，高温油泵的机械密封问题，是企业减少安全事故发生的关键性问题[1]。

高温油泵在正常的运行过程中，其中的旋转部件，例如机械密封和轴承，随着运行时间不断的增加，其磨损程度也会逐渐升高，当其达到一定的程度后，其密封就会失效，这就会造成泄漏的发生。

高危泵主要包括以下几类：

（一）高温热油类：输送介质最高运行温度大于或等于自燃点或介质温度大于200℃的机泵；

（二）轻烃类：输送介质在大气压力下容易挥发的烃类物质（一般是指C5或更轻的烃类物质的单体或其混合物）的机泵。

（三）有毒有害类：输送毒性程度在重度及重度以上介质的机泵。

1 机械密封概述

1.1机械密封原理

机械密封的核心元件是动、静环构成的端面密封副，此外提供预紧力的弹性元件也必不可少，另外的传动件、紧固件和防转件以及辅助密封也是保证密封平稳运转的必要部件。在停机状态下，介质对端面压力和弹性元件(多为波纹管或弹簧)提供的预紧力可以使动静环紧密贴合，从而密封流体。

1.2 双端面机械密封泄漏途径

双端面机械密封的泄漏途径：

（1）密封副密封面处泄漏；

（2）静环与压盖的辅助密封处泄漏；

（3）动环与轴（或轴套）的辅助密封处泄漏；

（4）压盖与密封箱体之间的泄露；

（5）轴套与轴密封处泄漏。

2 蒸馏装置高危泵机械密封冲洗方案介绍

目前，北蒸馏装置的高危泵所使用的隔离液为15#白油和导热油：

北蒸馏常减压装置共44台高危泵，现使用的主要机泵均为双端密封设计，冲洗方案主要采用了API682标准中的11+52、32+53A、21+53A、21+52、12+53A+62组合方案，冲洗油采用15#白油、高温导热油（首诺55）。

北蒸馏高危泵冲洗方案如表1所示：

表1 北蒸馏高危泵冲洗方案表

3 高温油泵机械密封失效分析

密封失效的形式：

（1）波纹管失去弹性或断裂介质的结晶析出或结焦凝固在波纹管的缝隙中，使波纹管形变能力减小或丧失，最终失去弹性或断裂。

（2）摩擦副端面变形、磨损和断裂机械密封端面在端面摩擦热、介质搅拌热以及工艺介质传导热的作用下，产生应力变形、过度磨损，甚至环片断裂的现象。

（3）介质在密封端面结焦、堆积工作介质在高温作用下，在密封端面结焦、堆积，造成密封端面不能很好地贴合，致使机械密封失效。

4 双端面液膜润滑机械密封性能分析

液膜润滑机械密封为高温油泵用双端面机械密封的内侧主密封，其性能直接影响整套密封的安全运行。本节将通过有限元模拟对液膜润滑机械密封性能进行分析。

4.1 边界条件

将Solidworks中建立完成的三维模型导入ANSYS软件中。以液膜润滑机械密封结构图中的内圈为固定端，添加约束，有限元模拟网格采用自动划分，为了保证求解结构的可靠性，对端面的应力集中处网格细分，这样既可以提高模拟的精度也可以简化计算，如图1所示。

图1 网格划分图

管道机械密封材料为304，材料属性各参数为：弹性模量为194Gpa，泊松比为0.3，密度为7930kg/m3，抗拉强度为520Mpa，屈服强度为205Mpa。

4.2 模型求解

在四瓣环内表面施加2.2MPa的压力，得到液膜润滑机械密封输出端位移云图如图2所示。

图2 液膜润滑压力分布云图

内径侧压力较低，那么密封介质会受到一个从外侧指向内侧的压力作用，促使介质从端面间隙处泄漏。另一方面，动环会把密封介质吸入螺旋槽内并让介质随环旋转，在旋转过程中，槽内介质受到螺旋槽边界的挤压而使压力逐步增加，这种压力会在槽根处达到单个周期里的极值，从而形成一个由内向外的压力来实现密封，这说明流体动压效应可以有效抑制泄漏。

5 结束语

通过对双端面机械密封的失效类型进行分析，准确把握可能存在发生泄漏的关键点，有助于维修人员快速判断泄漏故障并提出有效的解决措施，提高检修质量，并结合泵实际的工作情况，对高温油泵机械密封失效原因进行分析，并对泵的失效进行改进，避免泵的机械密封失效，进而确保其能够始终处于良好的工作状态，从而为企业的安全生产提供可靠保障。

参考文献：

[1]孙艳丽.泵设备机械密封泄漏事故防范技术分析[J].化工管理,2021(32):124-125.

[2]王超.高温油泵机械密封失效分析及改进[J].石油化工设备,2019,48(06):62-67.

[3]矫健.高温油泵机械密封失效分析与对策[J].内燃机与配件,2020(21):75-76.