碱液循环泵机械密封失效分析及改进
摘要：通过对乙烯装置碱液循环泵机械密封频繁失效的原因进行分析，改进了密封结构和摩擦副材料，取得了良好的密封效果和经济效益。
乙烯装置压缩系统浓碱液循环泵是碱洗塔的塔底循环泵，它将经裂解气碱洗过的碱液输送到塔顶，使碱液循环使用。该泵在实际运行中，频繁发生泄漏，机械密封在安装运行一周左右开始微漏，1～2个月内泄漏量增大，无法继续使用。严重影响了装置的环保达标和长期稳定运行。
1 基本情况：
该泵为单吸悬臂卧式离心泵，主要技术参数如下表：
介质成份
含胶状、颗粒杂质的20%NaOH液体
介质温度
45℃
介质粘度
1070CP
流量
30m3/h
扬程
18m
吸入压力
1.078MPa
排出压力
1.272MPa
轴功率
2.7KW
电机转数
2950r/m
将失效后的克兰机械密封解体，其损坏情况如下：
(1)动环和动环座、轴套间的间隙被阻塞
(2)动环和静环有环状磨损痕迹
(3)密封腔内有焦状聚合物、颗粒等杂质和结晶物
(4)弹簧锈蚀严重，被杂质和结晶物卡涩，弹性不足
2 失效分析：
一般造成密封失效的主要原因有端面液膜失效、材料与介质不相容，以及制造和安装问题等。端面比压是机械密封的重要性能参数，端面比压要在设计的范围之内(内装式机械密封一般为0.2 MPa～0.4 MPa),以保证机械密封端面良好配合，使密封面间形成有效液膜。
Fb(端面受力)= Ft(弹簧力)+Fp(介质作用压力)-Fm(液膜作用压力),端面比压的计算公式为：
Pb=Pt +Pp-Pm
Pb=Pt +(K-λ)P
其中: d2=50mm d1=32mm d2=38mm
弹簧比压 Pt =Ft(弹簧力)/[π/4(d22-d02)]=0.3MPa(厂家设计值)
载荷系数 K =(d22-d02)/(d22-d12)=0.715
膜压系数 λ=0.742
介质压力 P=0.45 MPa
可以计算出原 8B1-P型机械密封端面比压 Pb 为0.28 MPa,是符合设计规范的, 在正常工作条件下是能够满足生产要求的。这和实际情况相吻合,在使用初期机械密封并不泄漏,那导致其失效的原因又是什么呢?这就必须从机械密封的工作环境入手,进行综合分析。
由于该泵处于碱洗塔底部，管道和设备的锈蚀物以及裂解气中的杂质和重组份聚合物都沉积在塔底，同时塔内NaOH与H2S和CO2组分发生反应，生成的Na2S、Na2CO3会产生结晶物。泵入口滤网原为40目，在实际生产中经常堵塞，使泵抽空，我们把滤网改为20目,基本解决了入口堵塞问题,这同时也造成进入泵体内的碱液含有大量的杂质和结晶物，由于采用自身冲洗方式，这些杂质和结晶物不可避免地沉积于密封腔内。使动环和动环座、轴套间的间隙被阻塞，导致动环在轴向的动作不灵活甚至被卡死，弹簧被腐蚀卡涩，弹性不足，不能提供原设计0.28 MPa的端面比压，导致密封面不能良好地贴和,液膜平衡被破坏,这时密封就会出现微漏，随着结晶物和杂质颗粒进入摩擦副端面，密封面逐渐被磨损，再加上动环轴向补偿不灵，造成密封泄漏量增加，*终导致密封彻底失效。
3 改进措施
根据密封的失效原因，我们有针对性地从以下几个方面进行了技术改造：
(1) 改变密封结构形式
由于介质是含有杂质的碱液，从密封结构上来看采用静环补偿比原设计的动环补偿更为适合。根据该泵的具体工况条件，我们选用了单端面机械密封(集装式)，其主要特点如下:
l 通过自动锁紧环实现精确定心。
l 可调节式压盖可直接配合常用螺栓使用,集装式结构安装方便。
l 静环和轴套的间隙不在介质侧，保证了静环轴向补偿的灵活性。
l 弹簧位于辅助密封圈外侧，与介质完全隔开，避免了弹簧的腐蚀和卡涩。
(2) 改变摩擦副材质，去除密封冲洗
卡式密封动环和静环材料均采用碳化钨，碳化钨具有极高的强度和硬度，良好的耐磨性和抗腐蚀性，这就使杂质和结晶物难以对其造成损坏，同时碳化钨摩擦副具有优良的导热性，线性膨胀系数很小，使其能够在较高的温度下保持良好的密封性。辅助密封环材质我们选用氟橡胶FPM2461，它耐腐蚀、弹性好，*高工作温度为250℃。
由于碱液中含有杂质和结晶物,原机封采用的自身反冲洗形式难以达到预期的目的,生产现场又无适合作冲洗液的其它介质。有上述条件作保证，再加上介质工作温度不高(45℃)，卡式机械密封在去除自冲洗的条件下，完全可以正常运行，这既能降低冲洗带来的能耗、物耗损失，又能简化机械密封的日常维护。
两台泵自2001年1月开始使用卡式集装式机械密封，从现场情况来看密封效果非常好，运行至今仍没有任何泄漏迹象，使用寿命达到了2年以上。原机封每套价格为960元，两年内仅机封备件费就节约1万余元，原设计泵冲洗水流量为6L/min，通过去除冲洗水每年节约循环水3000余吨,经济效益是显而易见的。
4 结束语
通过对碱泵机械密封结构的合理选型，结合选用合适的摩擦副、辅助O型圈材质，提高了机械密封的使用性能，使之在去除密封冲洗的条件下，仍能稳定工作。降低了设备维护和维修费用，保证了装置的连续稳定生产。
