中国石化工程建设公司专家：常压塔底泵机械密封故障分析与优化措施

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摘 要：文章针对某新建炼厂常压装置塔底泵在开工阶段机械密封频繁泄漏的问题,通过进行故障机理分析、密封结构分析以及DCS数据对比,确定了密封泄漏的原因为密封腔热变形导致密封副偏移、PLAN53B压力设定偏低和PLAN32滤芯失效导致的冷却不足。针对导致泄漏的原因,采取了一系列优化措施,包括:增加泵体保温,缓解环境温变影响;提高非驱动端PLAN53B压力,阻断介质倒流;增设PLAN32孔板,控制外冲洗压力;引入PLAN61背冷,抑制结焦;采用高闪点隔离液代替原来的白油。措施实施后,塔底泵运行平稳,机械密封泄漏问题得到彻底解决。该机械密封泄漏处理方案可为同类型高温油泵在复杂工况下的密封故障处理提供一些参考。

关键词：动设备 常压塔底泵 机械密封 故障处理

在炼油常压装置中,塔底泵用于输送温度高于350 ℃的常压重油,属于典型的高温油泵,其运行状况直接关系到整个装置的稳定性和生产效率。某炼油厂常压装置中的2台热油塔底泵在常压装置开工阶段机械密封频繁泄漏。由于机械密封的拆装难度大、检修周期长,每次更换不仅需要进行工艺系统切换、渣油排空和隔离等繁琐的操作,还会造成10万元以上的直接经济损失。因此,需查找造成泄漏的原因并采取有针对性的措施进行改进。

1 塔底泵概况

该装置的热油塔底泵为BB2多级双支撑结构,备泵为电机驱动,主泵为背压式汽轮机+变速箱驱动,采用双吸叶轮顶进顶出结构;两端机械密封均为博格曼公司(Eagle Burgmann)生产的集装式3CW-FF面对面静止式金属波纹管密封。塔底泵的基本参数如表1所示。

表1 塔底泵的基本参数

注:1 bar=0.1 MPa。

2 故障现象

结合现场实际情况,对机械密封的泄漏频次和DCS数据趋势进行了详细记录,并拆检了机械密封本体,具体如下:

1) PLAN53B隔离液压力不能维持。驱动端和非驱动端两侧分别出现了PLAN53B隔离液泄漏故障,甚至在热态备用(简称热备)的状态下也出现了隔离液泄漏故障,经统计发现主要故障点为非驱动端,其机械密封泄漏频次为8次,驱动端仅泄漏2次,如表2所示。

表2 机械密封泄漏情况统计

从机械密封拆检结果来看,非驱动端机械密封泄漏后,主要表现为波纹管和轴套外表面沉积有大量黑色“结焦物”,密封面可见环形“沟痕”,如图1所示。

图1 波纹管和轴套外表面 “结焦物”

2) 检查外冲洗线PLAN32时,发现其过滤器滤芯已完全失效,内侧精滤芯大部分已破损,失去了过滤作用。破损的过滤器如图2所示。

图2 PLAN32过滤器滤芯破损

3) 从DCS趋势(见图3)来看,主泵壳体温度和隔离液压力变化存在同步对应关系。2019年9月4日,透平转速(1110SY0901A)维持在4 896 r/min 左右,在泵的上壳体温度(1110TI0917)从234.15 ℃降低到147.13 ℃的过程中,非驱动端隔离液压力(1110PI0973)也出现了显著的变化,从19.036 00 bar下降到了0.647 03 bar。之后,继续加注隔离液至19.319 00 bar,但该压力仍有下降趋势。

1110TI0917—上壳体温度,℃;1110TI0918—下壳体温度,℃;1110PI0972—驱动端PLAN53B隔离液压力,bar;1110PI0973—非驱动端PLAN53B隔离液压力,bar;1110SY0901A—透平转速,r/min

图3 2019年9月3～5日主泵壳体温度和隔离液压力的趋势

图4所示为备用泵壳体温度和隔离液压力的趋势。从图4中可以看出, 在2019年10月10日,备用泵维持在运行状态,在泵入口介质(1110TI0133)和泵上壳体温度(1110TI0919)从227.140 ℃降低到42.657 ℃的过程中, 驱动隔离液压力(1110PI0974)和非驱动隔离液压力(1110PI0975)发生了显著的变化。

1110TI0919—上壳体温度,℃;1110TI0920—下壳体温度,℃;1110PI0974—驱动端PLAN53B隔离液压力,bar;1110PI0975—非驱动端PLAN53B隔离液压力,bar;1110TI0133—泵入口介质温度,℃;1110GB2601—运行状态

图4 2019年10月7～30日备泵壳体温度和隔离液压力的趋势

图5所示为2019年12月16～21日的主泵壳体温度和隔离液压力的趋势。从图5中可以看出,驱动端隔离液压力(1110PI0972)和非驱动隔离液压力(1110PI0973)在泵入口介质温度(1110TI0133)和泵上壳体温度(1110TI0917)从 174.15 ℃降低到102.42 ℃的过程中, 非驱动端隔离液的压力(1110PI0973)显著下降,随后上、下壳体温度逐渐降低,驱动端隔离液压力(1110PI0972)和非驱动隔离液压力(1110PI0973)也表现出同步变化,虽屡次尝试补充隔离液,但两侧驱动隔离液压力仍出现阶梯状下降趋势,直至完全泄漏干净。

1110TI0917—上壳体温度,℃;1110TI0918—下壳体温度,℃;1110PI0972—驱动端PLAN53B隔离液压力,bar;1110PI0973—非驱动端PLAN53B隔离液压力,bar;1110SY0902C—透平转速,r/min;1110TI0133—泵入口介质温度,℃

图5 2019年12月16～21日主泵壳体温度和隔离液压力的趋势

3 故障原因分析

3.1 密封结构和DCS数据分析

该密封为3CW-FF面对面静止式双端面金属波纹管机械密封结构, 如图6所示, 其中金属波纹管是利用微束等离子焊接制成的一种全密封结构。由于波片本身波形以及焊接波距的存在, 波纹管在轴向被压缩一定的位移后会产生弹力, 使静环表面处于贴合状态, 并形成一定的比压, 使动、 静环表面在磨损后仍能始终处于弹力补偿状态。金属波纹管具有优越的追随性和耐高温性, 其本身全封闭, 在结构上消除了普通弹簧密封中所必有的动、 静环与轴套(或轴)间的动环密封圈, 因此, 波纹管自身的弹率可被充分利用形成比压, 使摩擦副受力均匀, 从而显示出良好的补偿性【1】。该密封形式普遍应用于高温泵, 动环与轴套、 静环与压盖、 轴套与泵轴之间的静密封采用柔性石墨, 波纹管则起到密封和弹性补偿的作用【2】。从DCS趋势来看, 非驱动端PLAN53B的隔离液泄漏趋势与物料介质和泵体的温度变化存在直接对应关系。这种温度变化会造成壳体和机械密封腔体的材料发生热膨胀和收缩。不同部位由于材料不同, 热膨胀和收缩的程度也不同, 因此会导致热应力集中。在复杂的温度场作用下, 热应力与机械力之间相互耦合, 可能会导致局部变形, 从而造成机械密封动、 静密封面不能保持理想的平行度和同轴度,导致密封面之间的间隙不均匀、 局部间隙增大。局部变形导致两接触平面较高密封微凸体间相互接触, 使得轴向闭合力全部由微凸体承担, 其他部分就成为了泄漏通道, 产生泄漏, 如图7所示【3】。微凸体在高速圆周运动情况下会加速接触面的磨损。机械密封拆检结果来看, 一级动环和静环密封面均出现了环状“沟痕”同心纹理, 也印证了以上分析。

图6 3CW-FF面对面静止式双端面金属波纹管机械密封结构

图7 接触端面的分形表征

3.2 冲洗方案分析

该泵配置的是PLAN53B+PLAN32内外冲洗相结合的方案。从机械密封拆检结果来看,一级密封副和波纹管表面有黑色“结焦物”,说明机械密封存在过热现象。外冲洗封油主要起密封、润滑和冷却的作用,对于高温和含颗粒杂质的工况,还有防止介质进入密封腔的作用【2】,如果密封腔内冲洗介质循环不充分或冲洗量不够,大量的介质沉积物堆积在密封腔中,就会导致动、静摩擦端面之间产生的热量无法被完全带走,使得密封效果下降,进而出现结焦现象。该密封波纹管和轴套外表面沉积有大量“结焦物”,说明外冲洗封油效果不理想。

4 优化措施

4.1 PLAN53B冲洗方案

多级双支撑泵的入口侧驱动端密封腔压力等于泵入口压力,出口侧非驱动端密封腔压力的数值取决于式(1)【2】。PLAN53B冲洗隔离液的最小压力(包括压力裕量)通常应高于密封腔的最大压力,以避免压差反向,并使泄漏流体流向密封内部。通常情况下,压力裕量为至少1.4 bar【4】,则

驱动端密封腔压力=泵入口压力3.4 bar+压力裕量1.4 bar=4.8 bar

驱动端PLAN53B隔离液压力最低值为5.3 bar,大于对应的密封腔压力(4.8 bar),且符合厂家文件要求中的5.3～9.3 bar的设定值。

非驱动端密封腔压力按式(1)计算。

采用问卷调查实证研究方法进行数据的搜集与整理。问卷由企业基本信息与协调联动影响变量测项构成。8个潜在变量指标具体划分为25个观测指标，采用Liskert五级量表进行评分。研究变量及具体测项见表2。并对河北、内蒙古等地区大中型企业的基层以上管理者发放调查问卷350份，回收328份，回收率为93.7%，其中有效问卷为308份，有效率达93.9%。

(1)

式中: P——出口端密封腔压力,bar;

i——多级泵的出口端靠近密封腔处的叶轮级数;

pc——泵的出口压力,bar;

pr——泵的入口压力,bar;

n——多级泵叶轮的数量。

将表1中塔底泵的基本参数代入式(1)计算可得:

非驱动端密封腔压力=17 bar;

综上可知,计算得到的非驱动端PLAN53B隔离液的压力值为18.4 bar,大于厂家文件中 15.8～19.8 bar的设定值中的最低压力15.8 bar,说明厂家文件中PLAN53B隔离液的最低压力低于密封腔压力,容易引起压差反向,从而引起介质密封面污染。

从机械密封技术资料来看,其结构型式为面对面静止式波纹管密封。该结构利用轴套上的旋转轮旋转产生泵效作用,使密封流体循环,介质从密封腔被引出,经过换热器,再回到密封腔进行冲洗【1】,其主要依赖PLAN53B隔离液对内、外两侧端面进行降温。如果PLAN53B系统的热负荷较大,一旦出现端面热量无法被顺利带走的情况,就极易引起端面损坏、介质结焦,进而导致密封失效。计算结果显示,PLAN53B入口驱动端隔离液压力与厂家文件一致,维持不变,非驱动端的压力范围为15.8～19.8 bar,报警值为14.4 bar,而密封腔压力为15.5 bar ,低于计算结果18.4 bar,如果在最小流量或开工阶段的苛刻工况下密封腔压力高于PLAN53B的报警值,则密封腔内的介质将回流至PLAN53B系统,污染冲洗系统,进而导致密封磨损并泄漏。为防止后续这种情况继续发生,遂将非驱动端PLAN53B冲洗压力设定为18.5～19.8 bar。

4.2 PLAN32冲洗方案

对滤网拆检结果进行分析可知,由于开工阶段系统中有杂物造成滤网堵塞,同时又有220 ℃的装置冲洗油对其进行冲刷,二者共同作用造成了精滤网的破损。PLAN32冲洗液的主要作用是有效地对内侧二级密封面进行降温,可降低PLAN53B的系统负荷。该冲洗液一般引自外部不间断的渣油介质,其压力通常比密封腔压力高1～5 bar【5】。外冲洗介质的压力应适当,若压力太小,则冲洗液无法进入密封腔或进入的量太少,对高温泵起不到冷却的作用,若冲洗压力太大,则会造成能源浪费。冲洗压力应高于密封腔压力 0.5～1.0 bar,可通过手阀人工调节,也可采用孔板调节。孔板上小孔的规格尺寸可以在1.5～10.0 mm 之间选择,流量范围为2～40 L/min。炼化企业常用孔板的小孔规格为3.5 mm、4.0 mm和4.5 mm【1】。辅助管线中的流量孔板流通直径不能低于3 mm(1/8 in),若低于该值则容易造成堵塞,进而导致密封失效【4】。基于以上分析和密封腔压力计算结果,最终将PLAN32的冲洗压力设定为18 bar,以便能够符合冲洗液的设计原则,即密封腔压力<PLAN32隔离液压力<PLAN53B隔离液压力。PLAN32驱动端选取孔径φ=4.5 mm的流量孔板,冲洗流量按厂家文件控制为5.6 L/min,非驱动端选取孔径φ=5.1 mm的流量孔板。优化后增设流量孔板的PLAN32外冲洗流程如图8所示。

图8 优化后的PLAN32外冲洗流程示意

4.3 PLAN61背冷冲洗方案

冷却的目的就是去热降温。背冷是一种最常用的冷却方式,其使用冷却剂(水、油等)直接从二级密封背面冷却静环,冷却效果良好【1】。从拆检结果看,“结焦物”主要集中在二级密封静环组件周围,厂家文件中已设计了冲洗方案PLAN61,但现场并没有配套设置。为去除氧化物、避免空气中氧气与泄漏冷却介质接触,从而延缓机械密封摩擦副附件的积碳【6】、防止高温烃类介质结焦,引入150 ℃的低压蒸汽作为“急冷”冷却介质,压力控制在2 bar,流量取为0.5 kg/h,以达到隔离氧气、防止泄漏固体物堆积【5】的目的,如图9所示。

1—急冷源入口; 2—排淋口; 3—PLAN53B冲洗入口

图9 PLAN61外引低压蒸汽

4.4 优化PLAN53B隔离液

拆检发现轴套外表面和外侧密封面存在积碳物质,说明PLAN53B的隔离液自身在高温并遇到空气的状态下有可能发生了高温氧化反应。该密封选择的隔离液是壳牌15号白油(SHELL ONDINA 15),其闪点(flashpoint)为180 ℃。API 682—2014中规定,缓冲流体或隔离流体的闪点需高于操作温度;操作温度下,烃类泵送流体的隔离液流体和缓冲流体的理想黏度在2 mm2/s和10 mm2/s之间【4】。基于以上原则并经对比分析后,决定选用闪点值更高、黏度更理想的32号热导油(PETRONAS HTO 32)替代15号白油,以达到减少隔离液出现高温氧化积碳现象的目的。两种隔离液的性能参数对比见表3。

表3 15号白油与32号热导油性能参数对比

4.5 增加泵体保温

该装置处于东南亚多雨地区,在开工阶段,存在装置操作不稳定、工艺参数波动大、多雨等诸多复杂工况,且泵体和密封腔可能存在热变形和热应力耦合等现象。为从根本上解决机械密封泄漏问题,根据现场实际情况和泵体结构外形图,增加了厚度为80 mm的可拆卸耐高温阻燃型石棉保温毯,见图10红线标示部分。

图10 泵体保温毯位置示意

5 结语

开车阶段是检验设备制造、设计和安装的整体环节。开车过程中若发现异常,应根据具体工况有针对性地对故障的外部症状进行数据统计和定量分析。常压塔底泵的操作条件相当苛刻,不但运行介质温度高,而且含有固体颗粒,密封的故障率较其他泵高【7】。本文所述的塔底泵机械密封频繁失效的根本原因在于没有考虑在多雨环境下由于环境温度引起的泵体形变等因素,同时,冲洗方案设置不当也是造成机械密封频繁失效的重要原因。该塔底泵的冲洗方案中,PLAN32外冲洗主要是对内侧密封端面进行降温,还可以降低PLAN53B的系统负荷;PLAN53B隔离液可对内、外侧两级端面进行冷却;PLAN61作为急冷措施,用于从外侧对密封静环背面进行冷却和冲洗。针对上述导致密封泄漏的原因,经综合深入的分析后,对机械密封冲洗方案不断进行优化,通过采取增加PLAN32外冲洗孔板、提高PLAN53B冲洗压力、更换闪点值和黏度更符合标准要求的隔离液、完善PLAN61背冷方案、增加泵体保温等措施,达到了预期的目的。冲洗方案优化后,2台塔底泵在后续的装置开工和性能考核阶段运行平稳,机械密封稳定、可靠,说明整改措施效果显著,最终从根本上解决了机械密封泄漏的问题。

高自林

【作者机构】 中国石化工程建设有限公司

为了提升石化行业本质安全，保障石化企业“安稳长满优”运行，解决设备运行与检维修“卡脖子”技术热点、痛点、难点问题，提高石化企业设备管理完整可靠性，设备智能化运维、预知性维修和检维修水平，引领我国石化智慧运维与检维修行业发展新质生产力，在中国石油、中国石化、中国海油、中国中化、国家管网、国家能源、延长及地方石油、天然气、LNG、管道、炼油、石化、煤化工、化工、精细化工、新材料企业设备管理部门的大力支持下，中国化工学会拟于2026年6月10-12日在陕西西安举办“2026年（第七届）石油化工设备智慧运维与检维修技术大会暨展览会”（IOMT CHEM 2026）。

大会将紧紧围绕“加快构建现代化石化产业智慧运维体系·AI驱动预测性维护实现新跨越”主题，推广应用新技术、新方法、新成果和新产品，共商当前设备管理与检维修中管理和技术方面堵点、难点、痛点的解决对策，防风险、除隐患，通过提升石油化工领域设备的安全运维水平，确保装置长周期安全稳定运行，助力行业可持续发展。遏制生产安全事故，为我国石化设备运维管理水平迈向国际化提供借鉴。特此通知，诚挚欢迎积极参加。

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大会主题

加快构建现代化石化产业智慧运维体系·AI驱动预测性维护实现新跨越

大会组织机构

主办单位

中国化工学会

特邀协办

中国化工学会化工安全专业委员会

中国化工学会化工机械专业委员会

中国化工学会智能制造专业委员会

中石研石化设备安全运维专家服务（中心）专业委员会

中机维协石油石化建安检维修分会

会议重点研讨内容

1.国内外石油化工装置大型机组检维修发展现状与展望；

2.老旧装置超设计使用年限服役承压设备管理对策与思考；

3.石油化工装置机泵在线监测系统、预知性维护技术；

4.石化化工企业转动设备维护检修及节能改造升级技术；

5.特种机泵：螺杆机、真空压缩机、屏蔽泵等检修运维技术；

6.石油化工设备润滑要求、机组润滑系统运行及管理；

7.石油化工装置法兰密封结构安装与维修技术；

8.炼油化工装置烟气轮机长周期运行管理；

9.石油化工装置耐高温防腐防护和防火技术；

10.液压工具、法兰扭矩及法兰连接完整性管理；

11.风机、离心泵、各类压缩机等大型机组优化增效节能改造；

12.石油化工电气、仪表设备全寿命周期管理；

13.现场仪表、控制阀、泄压阀、安全阀、阻火器、爆破片、过程分析仪表、DCS、FCS等检修运维技术；

14.石油化工装置隐患治理、泄漏治理，大型在役老旧装置的升级改造；

15.石化罐区系统安全与VOCs一体化风险管控技术；

16.数字赋能设备全生命周期管理及智能巡检机器人应用、运维数字化转型、无人化升级方案，智能检修升降设备、火情侦测与消防机器人、无人机等新型技术的应用；

17.可燃、有毒等挥发性气体、挥发性有机物的泄露监测、气体探测传感器的应用；

18.露天设施的雷电预警技术、防雷接地技术、静电接地技术应用；

19.储罐隐患治理与改造提升之检验标准应用（储罐区技术改造、新型浮盘、原油储罐安全预警、安全阀、紧急泄压阀设计选型、雷电预警装置、内浮顶选型、消防安全、罐顶腐蚀、爬壁机器人、油罐浮盘密封等）；

20.炼油化工装置大型机组核心部件修复再制造；

21.石油天然气输配管网完整性管理与抢检修技术；

22.液化天然气（LNG）储运运营管理与设备维护技术；

23.煤化工设备运行安全与检维修技术；

24.油气田地面工程数字化安全与设备检维修技术；

25.泵设备助力石化化工领域节能新工艺的技术探讨；

26.设备智慧运维与检维修新设备、新技术、新材料在石油化工领域的应用。

会议日程安排

6月11日：开幕式及全体大会，特邀院士、领导、专家主旨演讲；

6月12日：全天分论坛。

分论坛一：石化企业转动设备智慧运维与检维修技术论坛；

分论坛二：石化设备润滑与装置节能降碳改造论坛；

分论坛三：石化企业腐蚀防护与管道罐区安全技术论坛；

分论坛四：石化设备健康体系建设与自愈调控修复论坛。

会议拟邀请代表

中国石化、中国石油、中国海油、国能集团、中化集团、国家管网、陕西延长、民营炼化企业及煤化工、罐区、码头、化工、氯碱、纯碱、磷肥、轮胎、精细化工生产企业设备部门管理与技术人员及工程建设公司、石化设备制造企业、检维修服务企业管理与技术人员和相关技术研究机构、大专院校等单位的科研与技术人员参加会议。

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