石宽宽，钟家旺
（海洋石油富岛有限公司，海南 东方572600）
［摘 要］海洋石油富岛有限公司800 kt/a尿素装置高压氨泵（304J/JA，一开一备）采用荏原公司生产的多级高压离心泵。2019年7月和2020年3月，304J更换为国内厂家修复的机械密封后在使用不足1个月的时间内出现非驱动侧机械密封冲洗水大量外漏的现象，严重影响设备的安全、稳定运行。深入分析认为，由于机械密封静环座可压缩量较小，冲洗水无法在动环和静环密封面之间形成液膜而致机械密封损坏。为此，决定对2套备用机械密封进行改造——适度增大静环座可压缩量。改造后的机械密封于2021年1月2日安装到304J并投用，304J运行状况良好。
［关键词］高压氨泵；机械密封；冲洗水泄漏；原因分析；静环座可压缩量；轴套轴向位移量；处理措施；运行情况
［中图分类号］TH311 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2024）02-0059-03
0 引 言
海洋石油富岛有限公司（简称富岛公司）800 kt/a尿素装置采用荷兰斯塔米卡邦CO2汽提工艺（尿素造粒采用挪威海德鲁大颗粒流化床造粒工艺），装置于2003年9月建成投产，其核心动设备高压氨泵（304J/JA）有2台（正常生产时一开一备），为荏原公司生产的多级高压离心泵，由电机（304JM）带动增速箱驱动，运行所需的润滑油由增速箱低速轴驱动的主油泵提供，高压氨泵型号为3×8 3/4-10stg HSB，采用内外缸结构，外缸为桶式结构、内缸为水平剖分结构，共有10级叶轮，叶轮对称布置；径向轴承采用厚壁瓦滑动轴承，止推轴承采用金斯伯雷轴承，原厂配备的轴端密封为PILLAR公司生产的双端面机械密封，密封结构组合方式为3CW-FF面对面接触湿式密封，其动环采用碳化硅材质、静环采用石墨材质，因高压氨泵进口备件价格昂贵，于2011年进行国产化测绘，委托国内机械密封厂家对使用后的304J机械密封进行修复，主要项目为更换机械密封动/静环、O形环、V形环和其他失效部件，有效降低了备件费用。机械密封配备有外部密封水装置，在304J/JA正常运行期间，密封水泵提供压力为3.15 MPa的冲洗水（冲洗水压力较密封腔体内部压力高0.1 MPa）用于机械密封的冲洗和密封。
自2011年开始，富岛公司800 kt/a尿素装置高压氨泵（304J/JA）开始使用国内厂家修复的机械密封，2019年以前修复后的机械密封使用寿命与原厂进口机械密封使用寿命基本相当，可达到1 a以上，运行情况良好。2019年7月，高压氨泵（304J）因非驱动侧机械密封冲洗水泄漏而进行检修，更换两端机械密封，所用机械密封为国内厂家修复的机械密封，检修完成后304J于2019年7月15日投用，运行不到1个月出现非驱动侧机械密封冲洗水外漏的现象，后因304J泄漏量不断增大于2019年8月23日停车备用，启动304JA。2020年4月，尿素装置停车检修期间，再次对304J两侧机械密封进行更换，仍采用国内厂家修复的机械密封，检修完成后装置重启，304J于2020年4月14日投用，但运行不足1个月再次出现非驱动侧机械密封冲洗水大量外漏的现象。总之，304J连续出现新更换的机械密封在短时间内泄漏的问题，已严重影响到设备的安全、稳定运行。此后，通过对高压氨泵出现泄漏的机械密封和备用机械密封进行检查、测量，发现出现泄漏的机械密封静环座在工作状态下被完全压死，失去了弹性补偿能力，造成高压氨泵转子产生的轴向力作用到机械密封非驱动侧一级密封动环和静环密封面上，机械密封密封面因磨损而泄漏。于是，据发现的问题对机械密封备件进行了合理改造，成功解决了高压氨泵机械密封使用后短时间内出现泄漏的问题。以下对有关情况作一介绍。
1 故障描述
以2020年3月更换的高压氨泵（304J）机械密封为例，2020年3月25日因304J非驱动侧机械密封冲洗水严重泄漏，更换非驱动侧机械密封；2020年4月14日304J开车，运行7 d后，304J非驱动侧机械密封出现冲洗水滴漏现象，随后泄漏量逐渐增大；运行至20 d左右时，冲洗水已呈连续线状泄漏，泄漏的冲洗水中未检测到氨，表明机械密封未出现内部介质外漏的情况；查看监测数据，发现304J自开车运行后轴位移在30 d内由0.20 mm缓慢涨至0.30 mm，之后轴位移保持稳定，未再继续上涨，其后304J监护运行，其机械密封泄漏量未进一步增大，持续运行至2020年12月检修前。
2020年12月，再次对高压氨泵（304J）进行中修，更换两端机械密封，在对泄漏机械密封进行拆检的过程中发现如下问题：非驱动侧机械密封内有大量黑色粉末，一级密封（介质侧）静环卡死、静环座弹簧失去补偿能力、动环密封面有环状磨痕，二级密封（大气侧）动环和静环密封面凹凸不平而完全损坏；驱动侧机械密封内同样发现有黑色粉末存在，二级密封表面有摩擦痕迹；两端机械密封各位置静密封件（如O形环、V形环）状态良好，未发现有问题。
2 原因分析与排查
高压氨泵（304J/JA）作为尿素装置的核心动设备之一，连续出现更换机械密封后短时间内发生泄漏的问题，不仅对尿素装置的安全、稳定运行产生了重大影响，而且频繁更换机械密封造成了一定的经济损失。为进一步查找304J机械密封在使用过程中短时间内动环和静环密封面出现严重磨损的原因，决定对2套备用的、经过国内厂家修复的机械密封（简称为A机械密封和B机械密封）进行解体检查。
在测量A、B机械密封轴套轴向位移量时，以机械密封轴套卡片插入轴套凹槽时轴套位置为零点，然后从轴套凹槽中抽出机械密封轴套卡片，撬动轴套，分别记录轴套向一级密封侧和二级密封侧的位移量，测得A机械密封轴套向一级、二级密封方向的位移量分别为0.01 mm、0.17 mm，测得B机械密封轴套向一级、二级密封方向的位移量分别为0.02 mm、1.91 mm。A、B机械密封轴套位移量严重偏小，尤其是向一级密封方向的，几乎没有位移量。
继续对A、B机械密封进行解体检查，对A、B机械密封静环座的可压缩量和静环座在工作状态下的压缩量（工作压缩量）进行测量，静环座相关测量数据如表1（注：静环座可压缩量是指静环座在自由状态下的高度减去被完全压缩后的高度；静环座工作压缩量是指静环座在自由状态下的高度减去工作状态下的高度）。可以看到，A、B机械密封的一级密封静环座可压缩量已经接近甚至等于静环座的工作压缩量，两者的差值即为机械密封轴套轴向位移量（不过，由于测量误差和机械密封部件之间的配合间隙方面的原因，通过静环座可压缩量减去静环座工作压缩量得到的机械密封轴套轴向位移量与直接测量得到的轴套轴向位移量有一定的偏差）。
高压氨泵（304J）止推轴承间隙设计值为0.23～0.28 mm，在测量、调整止推轴承间隙时，机械密封轴套与转子固定顶丝处于松开状态，待止推轴承间隙调整完毕、轴承座回装完成后，再把紧机械密封轴套与转子的固定顶丝，抽出机械密封轴套卡片，此时转子上的止推盘可能位于止推轴承内任意位置，泵在启动后叶轮工作将产生一定的轴向力，转子就会向驱动侧产生轴向位移，使止推盘贴向止推轴承的主推侧；而机械密封轴套的轴向位移量小于止推轴承间隙，这就可能造成转子出现轴向位移时机械密封对转子的位移产生限制，使止推盘无法贴向止推轴承的主推侧。对于304J而言，叶轮产生的轴向力是由止推侧指向驱动侧，因非驱动侧机械密封的一级密封静环座可压缩量过小，转子上的轴向力将会作用在一级密封的动环和静环密封面上，在巨大的轴向力作用下，一级密封动环与静环密封面之间无法形成液膜，因严重干摩擦而产生大量细小颗粒，这些颗粒充满整个非驱动侧机械密封内部腔体，并随着机械密封冲洗水一起进入二级密封动环和静环密封面中，对二级密封动环和静环密封面产生破坏，进而造成非驱动侧机械密封冲洗水外漏。同时，随着一级密封动环与静环密封面的不断磨损，转子逐渐向驱动侧移动，便出现了轴位移缓慢上涨的现象，当转子的止推盘贴到止推轴承的主推侧时，转子的轴向力便作用到了止推轴承上，非驱动侧机械密封一级密封动环和静环不再承受轴向力，但此时机械密封已经损坏，冲洗水泄漏情况已无法消除。
通过对发生泄漏的机械密封的拆检和备用机械密封的测量，认为之前发生泄漏的国内厂家修复的机械密封同样存在静环座可压缩量偏小的问题，使非驱动侧机械密封一级密封静环座在转子轴向力作用下被完全压死，破坏了动环与静环之间的液膜，造成一级密封动环与静环产生严重干摩擦，摩擦产生的颗粒进入二级密封动环和静环密封面，导致二级密封动环和静环密封面损坏，进而发生冲洗水外漏现象。
3 处理措施
更多内容详见《中氮肥》2024年第2期