双端面机械密封失效分析及应用

张云鹏(中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)

0 引言

双端面机械密封适用工况较为广泛，包括且不限于腐蚀性强、具有悬浮颗粒、真空度较高、易燃易爆的工况等。双端面机械密封通过控制密封端面压差、注入密封隔离液等方式，增强密封效果。双端面机械密封以其特殊结构和优秀性能广泛应用于石油化工行业，一旦机械密封发生泄漏，会对化工机械设备正常运行造成严重影响。因此，文章对双端面机械密封应用原理进行研究分析，探究密封失效原因和解决对策。

1 双端面机械密封失效原因分析

1.1 操作问题

机械密封装置操作问题主要在表现两个方面：一是装置装配、运输存在隐患。机械密封装置检修维护后仍然多次发生泄漏问题，将装置拆卸解体观察发现静环密封面边缘处出现缺口，判断故障原因为机械密封装置装配时敲击力度过大或组件运输过程中发生严重碰撞。装置装配不严谨还会导致反应釜搅拌同轴度偏差大，反应釜轴的摆动量明显超出该型号机械密封技术要求，影响双端面机械密封装置密封面贴合效果，致使搅拌轴摆动过程中介质泄漏量增加，密封面磨损程度加深。二是使用操作不规范。机械密封装置投入使用前未检查辅助系统是否正常工作，如系统密封隔离液是否不足，反应釜内压力是否明显高于密封液压力等。在使用过程中，未及时打开冷却水开关，密封面温度过高会损害密封元件，致使密封失效。

1.2 机械密封元件损坏

双端面机械密封装置内部元件损坏包括两种情况：一是使用过程出现自然磨损，动静环密封面粗糙，难以发挥密封作用。机械密封装置动环需要随轴高速运转，在转动过程中动环静环不断摩擦，自然磨损量增加，磨损量达到一定值时，装置无法利用弹簧力消除动静环密封面间隙，密封介质从缝隙中泄漏出去，从而导致双端面机械密封失效，此种属于正常损耗。检修人员仅需及时替换新双端面机械密封装置。二是机械密封弹簧无法正常回弹。

拆解机械密封装置发现弹簧本身未出现断裂、变形情况，轴套上则覆盖难以清理的橡胶泥，致使轴套与动环密封圈紧密黏合，动静环密封面之间出现缝隙，密封介质外漏。由此判断，橡胶泥来源为动环、静环O型密封圈磨损残渣。

1.3 密封元件选用不合理

机械密封装置的密封元件选择问题表现在O型密封圈材质不合适。该装置中密封圈材料为聚四氟乙烯包覆硅橡胶和丁腈橡胶，其中聚四氟乙烯包覆硅橡胶材料虽然抗腐蚀性优越，但在压力作用下回弹效果较差，容易发生变形。丁腈橡胶材料会与反应釜内物质发生反应，致使元件溶胀变形，在与其他组件配合作用时出现间隙致使密封失效。

1.4 机械密封端面问题

机械密封端面问题表现在两个方面：一是端面润滑液不足。机器设备日常巡检工作粗糙，难以及时根据摩擦副冷却状态和密封隔离液液面位置采取措施，导致机械密封装置润滑液不足，还会因温度过高引发密封圈老化，影响机械密封使用寿命。二是端面变形。机械密封装置泄漏问题并未因更换动静环组件而得到改善，将装置拆卸排查发现密封端面发生变形。该装置工作转速较低，冷却水使用正常，基本可以排除温度因素对密封面的影响。对装置运行全过程观察分析得知，装置密封面在应力作用下发生变形，动静环之间的密封面无法紧密贴合，不能形成液膜达到密封目的，致使密封失效。

2 双端面机械密封失效解决对策

2.1 规范操作流程

延长双端面机械密封运行周期，改善密封失效需要规范操作流程，加强机械密封检修全过程质量控制。规范操作流程包括两方面内容：一是加强维修复位质量控制。双端面机械密封失效的主要原因是操作问题，技术人员对设备技术掌握不充分，对构造精细的密封组件了解不足，致使出现瞬时密封失效问题时很难及时应对。因此，企业要加强检修人员专业技术培训，提升机械密封安装检修工作质量，促使机械密封装置长期稳定工作。二是加强设备运行操作管理。石油化工企业车间运行阶段，常因客观环境干扰出现停车、启动和运行变化，使得各种杂质颗粒进入到机械密封摩擦端面缝隙，颗粒与端面相互摩擦，加速密封端面磨损速率，从而影响密封效果。因此，企业要加强操作人员培训，将开停车次数与装置运行环境维持在固定范围内，延长机械密封装置连续运行时间。

2.2 加强日常运行维护

日常运行维护工作为双端面机械密封装置运行提供合理工况，使机械密封装置正常运转。机械密封装置日常运行维护工作重点包括以下三点：一是做好辅助装置检查工作。双端面机械密封装置检修与运行前，工作人员要检查辅助装置状况，观察密封液面位置和密封系统压力是否在操作规定范围内，密封液、压力不足时要及时补充。工作人员应检查外供密封隔离液系统冷却管、冲洗管管线内部是否存在杂质，避免冲洗液中断，影响密封腔冷却、润滑效果，导致机械密封失效。二是加强异常监控。检修人员对机械密封装置应用设备的异常情况应及时检查上报，如机器发出异常声响或振动，检修人员需要对机器内部进行检查。机器异常振动可能导致双端面机械密封装置防转销脱出，破坏装置稳定性。检修人员还要对机器发热情况进行诊断，出现异常发热可能对大气侧动环等备件造成损坏，影响装置密封效果[1]。三是加强故障排查。工作人员对双机械密封装置故障分析时，要对机器拆卸前泄漏状态、拆卸检查全过程、密封元件结构检测等环节深入研究分析，判断故障发生点和密封失效真实原因，做好工作记录并采取针对性改进措施，减少人为原因导致的机械密封失效次数。

2.3 优化机械密封设计

企业还能通过优化机械密封设计实现双端面机械密封效果提升。例如：某企业拆检设备发现零部件存在刚性摩擦磨损现象，包括且不限于机械密封与轴配合存在刮痕、机械密封装置动环锁紧螺母在运转时与轴承产生较大摩擦等等。工作人员通过对比机械密封装入密封腔室长度与机械密封装置内压盖端面至末端长度，削减机封内卡环长度和加增垫片方式解决装配不严引发的密封偏斜问题，增强机封与设备配合效率。改造、优化密封水系统也能延长机械密封使用周期。企业根据不同工况需求对密封结构进行优化，如可在密封水系统液体进出口处加设节流孔板进行液体流量控制，按照实际需要调节密封水压力。

3 双端面机械密封应用研究

3.1 应用原理

双端面机械密封工作时在介质压力、元件弹力等合力作用下使动环端面与静环端面紧密贴合，使端面间隙中形成液膜，从而实现密封。双端面机械密封需要外供密封隔离液系统提供运行支撑，外供密封液系统中隔离液能够循环使用，对密封腔进行润滑冷却，为机械密封提供良好工作环境[2]。双端面机械密封根据工作原理可被分为三部分：一是主密封，即动环静环相互作用形成的动密封面；二是辅助密封，主要包括O型密封圈等密封原件；三是密封循环保护系统，包括温控元件、杂质过滤元件、压力检测元件等，各元件配合作用保证双端面机械密封装置可用。

3.2 双端面机械密封装置安装

以旋转轴用双端面机械密封装置安装说明为例，探究机械密封装置安装前的准备过程、安装注意事项以及安装流程。某公司安装卧式离心泵用机械密封装置，装置为双端面接触式，密封工作温度范围为-50～140 ℃，端面速度低于16 m/s，适用于有颗粒的介质工况。

双端面机械密封装置安装前准备工作包括五部分：一是提供良好安装环境。安装前检查设备系统是否处于非工作状态，环境温度、压力是否达到安装要求。二是检查机械密封装置与离心泵是否匹配，检查各连接点尺寸是否正确，检查双端面机械密封装置是否存在变形损坏问题。三是要对非金属元件如O型密封圈滑过部分进行加工，控制与非金属元件接触金属表面粗糙度，改善非金属元件磨蚀损伤情况。四是检查离心泵轴、密封腔安装尺寸、密封端盖能否满足机械密封装置安装要求。五是检查双端面机械密封装置安装部位是否存在杂质。

双端面机械密封安装注意事项包括三点：一是应用阻封水改善装置使用环境，并在密封腔处设置阻封水接口；二是阻封水系统中压力表和调节阀应设置系统出水口处，帮助工作人员观察调节系统压力；三是保证阻封水系统压力高于泵腔压力。

双端面机械密封装置安装操作内容如下：一是清洁装置离心泵旋转轴和密封腔体；二是在机械密封装置非金属元件如O型密封圈处涂抹润滑物质，减轻安装阻力；三是保证机械密封装置表面清洁，避免杂质灰尘对密封面造成不良影响；四是安装中摩擦副表面无需涂抹润滑物质，不应大力碰撞敲击安装元件；五是区分装置动环静环，确认轴套安装方向，严格按照系统示意图要求进行对应安装；六是安装完毕后对各元件之间摩擦情况进行测试，若离心泵旋转轴转动用力不均衡则应检查装置安装问题，必要时将装置拆卸，排查完安装问题后重装。

3.3 双端面机械密封装置的使用

使用双端面机械密封装置前，工作人员需要确认辅助系统是否能够正常工作，监测设备运行全过程并及时处理设备异常。双端面机械密封需要辅助系统维持装置运行所需要的隔离压力，借助循环管线带走机械密封工作过程中产生的热量，并对密封泄漏进行补偿。双端面机械密封运行期间要避免密封介质压力出现较大范围波动，规避泵抽空现象。双端面机械密封辅助系统使用维护工作包括五部分：一是辅助系统安装配管完毕后对系统进行试压和清洗。工作人员应在焊缝接头处进行气密性测试，测试结果确认无误后用氮气进行吹扫，保证系统液体进出口无杂质。二是系统内注液测试。在试压清洗工作结束后，工作人员应向系统注入缓冲液检查系统各接口密封性，一旦出现液体泄漏需要检查系统连接处连接情况，拧紧连接处螺母后再次进行注液测试。三是试车前调试。工作人员要注意多用接口、缓冲液进出口、冷却水进出口、补液口开关状态是否满足测试要求。四是试运行。当系统管线和系统内液位确认无误后，观察储液罐上液面位置变化和系统内压力变化，系统正常运行时内部温度会先升高后稳定在固定值，若系统内温度超过固定值，工作人员要利用冷却水进行密封腔温度控制。缓冲液进口温度、温升以及压力值均保持在正常值时，试运行结束，机械密封装置与辅助系统进入连续工作状态。五是维护保养工作。辅助系统中储液罐要定期进行液体更换，清理罐内沉积杂质并根据罐内液体实际情况进行补充。工作人员要定期巡视储罐运行状态，如管线是否阻塞泄漏，温度压力值是否在规定范围内等。

3.4 故障排查

以某石化公司球罐区机械密封年度检修统计情况为例，探究双端面机械密封应用故障排查注意事项。该公司乙烯泵与丙烯泵的双面机械密封型号为0500/RRTP/SB3844，乙烯泵检修周期为3个月，全年检修次数为4次。第一次乙烯泵故障表现为轴承发出异响，磨损严重和间隙过大。第二次到第四次的故障均表现为密封失效隔离液泄漏，大气侧补偿环、非补偿环不同程度的崩边偏磨。丙烯泵全年检修6次，第一、三、四、五次丙烯泵故障为密封失效隔离液泄漏，大气侧补偿环、非补偿环崩边偏磨。第二次丙烯泵故障还造成传动套固定石墨衬套严重破损，第六次丙烯泵故障是上油封破损导致轴承箱润滑油泄漏。对该公司乙烯泵、丙烯泵频繁故障检修统计情况分析可得，故障多表现为密封失效隔离液泄漏损坏机器备件，故障原因主要有两点：一是隔离液循环通路阻塞。对乙烯泵丙烯泵的密封隔离液储罐进出口管线调查发现，管线因机封多次损坏残留物累积形成杂质，阻塞密封隔离液循环管线，致使大气侧密封内隔离液数量不足，机械密封失效。二是备件磨损。大气侧补偿环、非补偿环、大气侧传动套口出现磨损、崩边、疱疤现象，致使密封隔离液泄漏。该公司根据故障原因分析进行针对性改进：一是定期对密封隔离液储罐管线温度进行测量，检查管线堵塞情况，定期清洗隔离液密封循环管道并及时更换隔离液，保证Plan52系统正常运行。二是根据离心泵运行周期重新设计机械密封检修周期，加强对机械密封相关备件的精细化管理，如工作人员一旦在阻封水中发现不明杂质，立刻进行异常上报，指派检修人员对机械密封进行检修，降低机械密封失效造成的不良影响。

4 结语

双端面机械密封构造精细，对于密封零部件加工装配要求较高，一旦出现密封失效隔离液泄漏情况，故障排查判断难度大。为降低机械密封装置检修成本，促使机械密封装置长期稳定运行，需要加强双端面机械密封装置失效原因的分析和应用研究，提高石油化工企业综合经济效益。