根据宏观现象判断离心泵机械密封状况

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)神华宁夏煤业集团煤炭化学工业分公司烯烃公司 作者:周龙

  离心泵的长周期稳定运行直接关乎到企业的安全生产和经济效益,笔者阐述了根据宏观现象判断离心泵机械密封状况的具体方法。

  作为化工生产中主要设备之一的离心泵,其机械密封的好坏直接关系到操作工的人身安全和企业的经济效益,根据宏观现象判断机械密封的状况,然后排除故障便成了安全、稳定生产的重要保证。

1、机械密封简介及常用的密封冲洗方案

  机械密封又称为端面密封,是旋转轴用动密封,靠一对或几对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力作用下保持结合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置,其主要优点是性能可靠。泄漏量小,使用寿命大,功率低,不需要经常维修,且能适应于生产过程中自动化和高温、低温、真空、高速以及各种强腐蚀介质等苛刻工况的密封要求。随着科技的发展和社会的进步,API标准规定机械密封必须100%是集装式机械密封,集装式机械密封的主要优点是出厂的时候就已经设定好了动、静环之间的初始预紧力,在使用的时候不需要再进行设定,这样也就避免了因为安装工人水平有限造成在安装时如果预紧力过大密封寿命减短或者预紧力较小使用效果不理想的问题。

  机械密封最主要的部件是由硬性材料做成的动环(如SiC)和软质材料做成的静环(一般是石墨),工作时由于它们之间有相对运动,避免不了会产生摩擦热,为解决这一问题,经常用泵送介质或者其他液体对密封面进行及时冷却。根据离心泵输送介质的特性,大部分离心泵用机械密封常用的冲洗方案主要有PLAN11、PLAN13、PLAN14、PLAN21、PLAN52、PLAN53以及PLAN62中的一个、两个或者多个冲洗方案的组合。

2、单端面机械密封冲洗方案

  2.1、PLAN11方案

  采用单端面机械密封,冲洗方案为PLAN11的泵一般用来输送比较清洁无污染,泄漏出来没有什么大的危害但有一定的压力的介质。在该方案下,一般遇到的泄漏问题相对比较简单,那就是如果密封端有介质泄漏出来的话,则说明该泵的机械密封已经被损坏了,根据泄漏量的大小以及工况决定是否应该对机械密封进行更换。

  2.2、PLAN21方案

  采用单级机械密封,冲洗方案为PLAN21的泵一般用来输送比较清洁无污染但是温度较高的介质。从泵出口引出一部分介质外经冷却器(一般用水冷)冷却后回到密封腔,对密封进行冲洗和冷却。

  在该方案下,泵运行过程中可能发生的宏观现象有:泵密封端有介质泄漏出来,则说明该泵的机械密封已经被损坏,根据情况决定是否需要更换机械密封;机械密封温度很高而密封端又没有泄漏任何介质。

  机封温度很高而密封端又没有介质泄漏有两个可能:一是冷却水冷却效果不好,冲洗介质没有得到很好的冷却;二是冷却器内盘管损坏,由于密封介质压力大于冷却水的压力导致密封液全部流到冷却水管中。对这两种情况最好的区分方法就是检查冲洗液从冷却器进至泵内的这段管线温度是否过高,如果高则说明是冷却器盘管的问题,反之则是冷却水量比较小。

  另外,在部分装置采用该方案的离心泵上通常后缀PLAN62方案,通常用冷却循环水作为该方案的冲洗介质,目的是防止当机械密封出现严重损坏现象时介质泄漏出来对人身造成烫伤伤害。

  2.3、PLAN11+PLAN62方案

  泵密封为单级密封并且被用来输送有毒有害易腐蚀及有颗粒的介质时,常选用的冲洗方案为PLAN11+PLAN62。该方案的具体冲洗路线为从泵的出口引一股介质对密封进行冲洗然后流至泵腔内,另外再接一路蒸汽或者冷却水对泄漏出来的少量介质进行稀释、防止结晶并将其冲走,以防对人身造成伤害。

  现场可能见到的现象为当关闭PLAN62方案的介质时,泵送介质泄漏至环境中或者冷却水的回水量明显大于进水量,则说明机械密封已经遭到了破坏,需要尽快更换机械密封。

3、双端面机械密封冲洗方案

  3.1、无压双机械密封

  3.1.1、PLAN11+PLAN52方案

  当泵所输送的介质为易燃易爆易腐蚀的介质,不允许其向环境中有任何泄漏的情况时,通常采用无压串联机械密封,其冲洗方案为PLAN11+PLAN52。该方案的具体冲洗路线为从泵出口引一股介质对主密封冷却冲洗,另外带有一个专门用来存储密封液的虹吸罐,储存在虹吸罐里面的冲洗液通过热虹吸原理循环对第二级密封进行冷却冲洗,若泵的转速比较高或者当轴径比较大时,产生热量比较快通常在第二级密封的动环上带有泵送环(泵效应环),在整个循环过程中,70%的循环动力来自于热虹吸,泵送环补充30%的循环热动力。该方案是目前化工装置中最为常见的一种密封冲洗方案,例如输送甲醇、汽油、丙烯以及液态烃等离心泵都采用该方案。

  泵运行过程中如果虹吸罐液位有较大幅度的上升或者带压现象,此时操作画面上会有虹吸罐液位或者压力高报警。在该情况下:将泵切换至备用泵,停下该泵后关闭冲洗液用的冷却水上、回水阀,在盘车的同时打开虹吸罐底部(顶部)阀进行泄压(降液),如果压力能泄至0或者液位能稳定且再次投用冷却循环水后液位无变化,则说明泵在曾经运行或者停泵时出现过振动现象,使得一级动静环面非100%接触运行,引起某一瞬间的泄漏,可通过将液位、压力调回到正常值后备用或者运行;若再次投用冷却循环水后液位有变化,则说明虹吸罐盘管损坏;如果在盘车的同时打开底部(顶部)阀时不能泄压至0或液面回到正常值,则说明第一级机械密封损坏,根据实际情况决定是否对机械密封进行维修或者更换。

  泵运行过程中如果有介质或者冲洗液泄漏至环境中,通过观察泄漏位置作出判断:沿着轴泄漏出来,说明是轴与轴套间的O形圈损坏;在机械密封端面处(机械密封与泵接触的地方)泄漏,说明是该处的O形圈损坏;从驱动环处泄漏出来,说明至少第二级密封损坏,根据实际情况决定是否对机械密封进行维修或者更换。

  另外,根据介质的特性,考虑到两级机械密封同时损坏时,介质泄漏至环境中所造成的危害,例如当介质为乙烯时,部分机械密封在PLAN11+PLAN52的基础上增加PLAN62方案,通过利用氮气稀释可能泄漏的乙烯外同时防止结霜进一步损坏机械密封。

  3.1.2、PLAN13+PLAN52方案

  该方案与PLAN11+PLAN52的输送介质特性相同或者相近,区别在于第一级冲洗方案,通常情况下当泵为立式泵时,例如槽罐泵、高速泵上选用的都是该方案。其中PLAN13方案的冲洗路线为,从泵腔体内引一股液体对机械密封端面进行冷却冲洗,然后返回至入口。在启泵前盘车时可通过返回至入口的管线将泵腔体内的不凝气通过入口高点排出。

  在该方案下,泵运行过程中可能遇到的宏观现象与PLAN11+PLAN52方案一样,根据对密封的判断确定问题。

  3.1.3、PLAN14+PLAM52方案

  一般输送轻烃类的离心泵时,采用无压双重密封,选用的冲洗方案为PLAN14+PLAN52。浆泵出口引出一股介质对密封进行冲洗,然后将产生的气体排出到泵入口端。这种情况下,出现的宏观现象与PLAN11+PLAN52方案一样,根据对密封的判断,确定问题。

  3.2、有压双重机械密封

  无压机械密封是针对泵送介质可以允许有少量泄漏然后将其排至火炬烧掉,对于部分不能通过排至火炬烧掉的介质,例如三乙基铝等介质,此时机械密封的形式与无压双重机械密封有所不同,第一级与第二级机械密封的布置采用背靠背式,冲洗方案为在PLAN52基础上给虹吸罐加压即PLAN11+PLAN53方案,使得密封液压力高于泵腔内的10%左右,这样一旦机械密封损坏,虹吸罐里面的密封油将会泄漏至泵腔内,中控室有虹吸罐液位低报警,便知道密封已损坏。该方案下,一般常见现象为虹吸罐密封油液位下降,到现场观察如果密封油没有泄漏到泵外,则说明是第一级密封坏了。相反,如果发现漏至泵外,则说明是第二级机械密封已损坏,应及时对密封进行更换。

4、机械密封失效泄漏的原因分析

  机械密封失效的主要形式是动、静环之间的磨损失效。动、静环之间的缓冲补偿一般是由弹簧的弹力提供,所以初始值的设定将决定其寿命的长短。

  工艺条件不稳定和安装不良造成的震动、离心泵抽空气化、瞬间断流都会导致机械密封动、静环之间的液膜破坏,使机械密封在无润滑条件下干态运行,密封环温度迅速上升,有的直接烧毁,有的则因为泵恢复正常工作状态时被急剧冷却,形成热冲击而破裂。除此之外,冲洗流体和冲洗条件不良,也会对机械密封形成冲击,致使机械密封遭到破坏。

  机械密封密封圈失效也是密封失效的主要原因之一。

  在装配机械密封前清洗不彻底,碰、划伤元件;装配不到位;弹簧装偏、紧固螺钉没拧紧以及拆卸时损坏等,都是机械密封损坏的原因。

5、结束语

  在离心泵运行过程中要确保机械密封装配时适宜的弹簧压缩量,以延长机械密封的使用寿命。装配机械密封动环O形圈时,为了便于装配,防止O形圈斜卷需在轴或轴套上涂抹少量润滑剂,并且要严格控制工艺操作和工艺指标,在流量调节和开停车时,避免发生振动、泵抽空以及冲洗流体断流等现象。

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