天然气净化装置高压泵机械密封失效原因分析及改进措施

天然气净化装置高压泵机械密封失效原因分析及改进措施

席进贤、王晓军、杨晓威

长庆油田公司第一采气厂

摘要：近年来，随着社会的进步，天然气净化装置在保障能源供应和环境保护方面发挥着重要作用。其中，高压泵作为关键设备之一，其稳定运行对于整个装置的效能至关重要。然而，在实际运行过程中，高压泵机械密封的失效问题时有发生，严重影响了设备的正常运行和生产安全。本文旨在分析天然气净化装置高压泵机械密封失效的原因，并提出相应的改进措施，以提高设备的运行稳定性和可靠性。

关键词：天然气净化装置；高压泵；机械密封；失效原因；改进措施

引言

天然气净化装置中的高压泵是核心设备之一，其主要作用是将气体增压至一定压力后送入后续处理单元。机械密封作为高压泵的关键部件，其性能直接影响到泵的运行效率和安全性。因此，对高压泵机械密封失效原因进行深入分析，并采取相应的改进措施，具有重要的现实意义和应用价值。

1主要原因分析

密封结构：拆解机械密封发现介质侧动环内径处有较多黑色泥状介质沉积物，在过滤系统较好的情况下，从机械密封结构上看，轴套与介质侧动环内径之间空间小，且相对静止，形成了一个死区，导致较多的介质沉积物在此处堆积，加剧了介质端轴套硬质涂层磨损，进而导致介质侧动环座与轴套卡滞，动环的随动性变差，动环与动环座分离，O型圈被挤出，最终导致密封严重内漏失效。冲洗方式：从动静环出现不同程度的结焦、发蓝情形，证明机械密封存在过热情形。该机械密封原始设计冲洗方案为PLAN53B+11，由于在实际运行中未投用PLAN11冲洗方案，仅使用了PLAN53B，泵密封腔内介质未充分循环，会导致大量介质沉积物在泵密封腔与机械密封介质侧摩擦副之间的空间内堆积，堵住轴套与摩擦副之间的狭小空间，介质侧摩擦副相对运动产生的热量无法带走。运行工况：由于机械密封的设计工况与实际工况有偏差。泵入口压力增加，导致密封腔压力随之增加，API682规定隔离液压力必须大于密封腔压力，而在日常使用过程中隔离液压力控制仍然按照原来的设计压力执行，会存在小于密封腔压力的情况，致使泵内介质进入隔离液，对隔离液造成污染，机械密封使用寿命大大缩短。

2改进措施

2.1冲洗方案改造

从泵的数据表和机械密封图纸里查询获知，高压泵机械密封原设计冲洗方案为PLAN11+53B，但实际现场冲洗方案仅为PLAN53B，PLAN11未启用。PLAN11未启用造成机械密封的介质侧密封腔成为一个死腔，介质长期无流动，致使介质内的固体杂质淤积，使得机械密封频繁损坏、失效。因此，无论是对机械密封结构进行重新选型，还是直接在原始机械密封上改动，都要求恢复PLAN11的冲洗方案。即从高压泵首级叶轮出口处引入介质流体通过机械密封上的接口冲入密封腔（冲洗压力高于密封腔0.35MPa），冲洗流量11.3L/min，同时在管路上需要安装一块孔径为3mm的限流孔板。为充分过滤掉介质内的固体杂质，本次计划在冲洗管路上增设一组Y型过滤器，从泵内引出的介质进过过滤后再进入密封腔，PLAN11升级为PLAN12，变更后的高压泵机械密封冲洗方案变为PLAN12+53B。冲洗管线及管件均要求材质为不锈钢316，密封至系统之间管线尽可能采用直角90°弯头或长半径弯头也可以采用大半径弯管方式，所有水平管线均要由密封压盖处往高点向上倾斜，坡度至少40mm/m。

2.2隔离液系统压力调整

从高压泵的数据表里查询到泵设计进口压力为1.27MPa，出口压力为8.88MPa，泵密封腔压力为1.32MPa；泵配套选用的机械密封将隔离液压力报警值设为1.6MPa，联锁值设为1.44MPa，生产期间隔离液压力控制范围设定在1.7~2.0MPa，蓄能器气囊氮气压力设为1.5MPa。而在实际生产中，该泵的进口压力为1.75MPa，出口压力为10MPa，这将导致密封腔压力提高到1.8MPa左右，原有的隔离液压力控制范围将不适用，为提高机械密封的使用寿命，本次将隔离液压力的正常控制范围提高到2.1-2.6MPa，隔离液低压报警值设为2MPa，蓄能器的充氮压力调整为1.9MPa，见表2。自作业权移交以来，公司因高压泵机械密封隔离液压力低联锁，致使高压泵停运，已造成多次装置异常停产。按照API682《离心泵和转子泵用轴封系统》和该泵机械密封说明书及图纸要求，PLAN53B机械密封系统在隔离液系统上仅需设置低压报警，无需设置联锁保护。经过各专业人士评估，机械密封隔离液压力降低至联锁值后，对泵本身运行无较大影响，对人体和环境也无危害，一致同意取消机械密封隔离液低压联锁。

2.3优化旋转密封阀的性能、优势及使用效果

为了解决密封阀的共性问题，对其进行了优化设计，以保障冶金过程的正常展开，减少冶金过程中故障的发生概率。针对优化结构后密封阀的性能分析，主要从密封阀的密封性能入手，包括泄漏量分析和升温情况分析。泄漏量分析又分为静态泄漏和动态泄漏，静态泄漏试验涉及密封阀、施压泵和电源，且施压时的压力梯度为5MPa。在测量完优化后密封阀的泄漏量之后，更换结构优化前的密封阀来进行试验，并对结构优化前后的密封阀在压力变化下的泄漏量进行对比。动态泄漏试验涉及密封阀、调速电机、电动试压泵和电源，电机转速在45～120r/min，且5r/min为一个压力梯度。在静态泄漏量的对比中，随着压力的增加，密封阀的泄漏量先是迅速减少，之后再缓慢减少。当压力为15MPa时，泄漏量的减少速度开始放缓。在结构优化前，密封阀泄漏量的最大值为37.8mL/h，最小值为3.75mL/h。优化后，密封阀泄漏量的最大值为32.4mL/h，最小值为2.55mL/h，由此可以看出，在对密封阀结构进行优化后，其在压力下的泄漏量明显小于优化前。在动态泄漏量的对比中，随着转速的增加，密封阀的泄漏量在整体上是保持平稳趋势，上下波动不大。在结构优化前，密封阀泄漏量的最大值为24.8mL/h，最小值为23.1mL/h。优化后，密封阀泄漏量的最大值为8.02mL/h，最小值为6.99mL/h，由此可以看出，结构优化后密封阀的泄漏量是显著低于结构优化前，这说明结构优化后的密封阀具有良好的密封性能。

结语

通过对天然气净化装置高压泵机械密封失效原因的分析及改进措施的探讨，可以得出以下结论：选择合适的密封材料、提高安装质量、加强操作维护管理和改善工作环境等措施可以有效降低高压泵机械密封的失效率，提高设备的运行稳定性和可靠性。这对于保障天然气净化装置的安全高效运行具有重要意义。

参考文献

[1]孙天翔，王千，张振江，机械密封技术在石油化工行业中的应用研究[J].硅谷，2014，09：115.

[2]周治辉，化工机械密封的泄漏问题与对策[J].化工设计通讯，2017，43（10）：107.

[3]刘超,林万洲,吴娇.商品天然气总硫达标背景下半贫砜胺液泵的适应性改造[J].石油石化节能，2022，12（12）：60-65.

[4]覃正好.双端面机械密封在高危险转动设备稳定性研究[J].中国石油和化工标准与质量，2018，38（23）：123-124.

[5]潘向东,黄斌,任景伟等.天然气净化装置半贫液泵机械密封长周期运行技术探讨[J].石油化工设备维护检修技术,2022:50-53.