摘  要：聚丙烯装置丙烯预聚合循环泵因密封泄漏而失效，通过分析找到了失效原因。经对结构和材料的改进，彻底解决了此问题，改善了生产环境，而且经济效益良好。
    关键词：循环泵；机械密封；失效分析；改进
    天津石化公司乙烯厂聚丙烯装置是一套生产能力为60kt/a的大型装置。丙烯预聚合循环泵为该装置的核心，且为单台。自1995年投入运行以来一直处于泄漏状态，不但影响环境，并多次因泄漏导致整个装置停车，造成很大经济损失。经长期的观察和分析找到了故障原因，提出了机械密封的改进方案。
    一、密封失效原因
    该泵机械密封原设计采用约翰克兰8B1部分平衡型背靠背双封排列形式（见图1)。介质侧机械密封动环材质为SiC，静环为硬质合金。而大气侧机械密封动环材质为浸树脂碳石墨，静环为硬质合金，动、静环辅助密封圈材质均为氟橡胶。密封液为工业白油。密封冲洗形式采用API plan53标准，即采用循环冲洗加换热加充压方式。通过平衡丙烯压力推动压力活塞保持工业白油压力为3.4MPa（与介质保持0MPa的压差），密封腔内工业白油由内置泵效环强制循环至冷却器换热。
 

    长时间观察发现，该机械密封在大量泄漏失效前有很长一段时间泄漏量维持在21滴／min。根据外部补油罐Z200油位变化（取记录时间7.3h）可以计算出该集装机械密封的总泄漏量为0.6L。同时根据实际计量工业用白油15滴为0.001L，也可计算出大气端机械密封泄漏量为0.616L。除去测量误差以及压力的影响，可以认为全部的白油损失均由大气端机械密封泄漏造成，而介质端机械密封没有泄漏。该泵在正常工作时泵内介质温度为18℃，经长期观察与测量发现，无论何种季节，大气侧机械密封腔体外表面温度都很高，一般均在85.5℃以上，大气侧机械密封摩擦副表面温度应当更高。每次检修发现机械密封损坏的部位均为大气侧动静环的辅助密封圈变形溶胀，以及浸树脂碳石墨动环摩擦副表面树脂析出并发生碳化。石墨动环超过许用温度（105℃）时会发生表面碳化现象，而氟橡胶制成的辅助密封圈在超过许用温度后也会迅速老化溶胀失弹。据此认为高温是造成大气侧机械密封外泄漏的主要原因。
    通过对该泵机械密封的端面比压进行核算可知，尽管该双端面机械密封两端面尺寸相同，但端面比压相差悬殊。介质侧端面比压属于正常范畴偏小，而大气侧端面比压值则过大，因而引起发热和液膜相变，无法使摩擦副表面保持一层厚度为数微米的稳定液膜，故导致泄漏。

    二、机械密封的改进

    1．结构改进
    我们认为采取在摩擦副端面开槽的形式来强化润滑和冷却可有效解决此问题。端面开槽又称流体动力密封，摩擦副内的液膜压力由流体本身产生，在摩擦副端面形成热流体动力效应。当密封环旋转时，槽能够使液体很好地冷却距它较远的密封表面。此时，在密封环的初始表面上形成与槽数相等的流体动力楔和高压承载区1（见图2)。由于切向流和压力降，在每一个槽后形成彗星状润滑楔，使摩擦副端面表面保持一层厚度为数微米的稳定液膜。因此，随着密封面载荷和滑动速度的增加，摩擦系数反而减小（见图3)。
    这种机械密封的热流体动力效应就是在密封缝隙高度为0.2-1.5μm的情况下，密封区2保持稳定的润滑膜，而摩擦形式主要为边界摩擦。这时密封的泄漏量极低。因为密封液流为逆离心力方向，为了使污物和磨屑尽可能不进入摩擦副端面，把槽开在动环上，离心力有助于将污物自槽中甩出。改进后大气侧密封动环流体动力密封结构见图4。
    2．材料改进
    动环材料由浸树脂碳石墨改为浸锑碳石墨，后者的耐磨性能及抗热冲击热变形的性能均优于浸树脂碳石墨。因此，改变后可减少摩擦副的热变形，降低泄漏，提高使用寿命。
    根据摩擦学及有关密封技术相关知识，可计算出结构改进后的磨损量，得知改进后机械密封的使用寿命应高于2年。
    三、效果
    改进后，该泵达到了非常理想的使用效果。至今已运行6个月，没有发生泄漏现象。实际测量大气端机械密封平均温度由原来的85.5℃以上降到现在的58℃以下，彻底解决了该装置运行的隐患，使该泵得以长周期平稳运行，大大减少了检修时间和停机次数，取得了良好的经济效益。
    参考文献：
    [1]顾永泉．机械端面密封［M]．东营：石油大学出版社，1994
    [2]上海化学工业设计院石油、化工设备设计建设组．机械密封[M]．北京：燃料化学工业出版社，1974
    [3]机械工业部JB4127-85机械密封技术条件[M]．北京：机械工业出版社，1985
    [4]顾永泉．机械密封磨损率的计算[J]．石油化工设备，1999.28（1）,26-30