氨泵机封泄漏易导致环境污染及安全隐患，本文对泵机械密封失效进行了分析，并解决泄漏问题。

镇海炼化化工部合成氨装置氨泵4118P1结构型式为立式深井泵，运行介质为-35℃液氨，主要为氨罐输送低温液氨。其中2#泵在某段时间连续检修更换机械密封后试车泄漏。后经过多次检查修复更换机械密封，最终找到问题所在。

机械密封介绍

液氨具有高渗透性、挥发性和毒性，容易气化，同时也具有良好的润滑性。考虑介质的毒性，因此对机械密封有较高要求，不允许有泄漏。

该泵机械密封为单级平衡型机械密封，动环为不锈钢镶嵌烧结碳化硅，静环为石墨环，动环与轴套及静环与压盖静密封点为聚四氟乙烯V型圈。其冲洗方式为典型的正向冲洗方式（Plan14）。机封轴套部位增加了氮气吹扫，防止设备停运时机械密封部位因低温而结冰。

历次机械密封拆解及处理

9月17日，18P1-2机械密封泄漏，拆解发现动环密封面已经出现裂纹，遂进行更换，更换后试车发现机械密封泄漏，鉴于接近停工检修，1#泵运行良好，故备用至停工时重新检修。

10月15日，针对9月19日安装的机封泄漏，在尿素停工中重新检修，因老轴套密封面有腐蚀凹坑，更换新轴套，新轴套在动环密封环处喷涂硬质非金属层，增强了抗磨损能力，机封重新研磨修复。安装完毕进液氨后较好，但在盘车时发现有一个点泄漏出氨液，现场初步分析为密封面变形。

10月16日，该泵再次交出更换机封，拆出来发现，轴套O型圈有一处被切掉，其他部位检查完好，于是更换O型圈重新安装，但进氨后依然泄漏。

10月18日，机封拆出后发现弹簧压缩量不够（16日安装时测量有4mm)，重新增大压缩量达到5.5mm。回装后，进氨盘车时有轻度泄漏，开车后大量泄漏；

10月20日，机封拆开检查密封面较好，对弹簧座进行加工处理，增加弹簧数量4只达到16只，压缩量保持5.5mm，开车漏。

10月22日，机封拆解，密封面上看静环只有1/3~1/2左右内圈有光滑的接触痕迹，动环内圈痕迹较重。因此可以认为，密封面变形，只有内圈接触。本次采用原12弹簧动环座，轴套采用另外设有涂层的轴套，压缩量5，静环摩擦面外圆车削处理，加工后摩擦面尺寸为Ø64×Ø59，减小了摩擦副面积，增大了摩擦面的比压。对其他因素进行检查，电机与壳体的同轴度0.20，检查轴跳动0.10，压盖端面0.04。安装后乙二醇试漏检查不漏。开车刚开始运行较好，但运行5h后泄漏。

10月24日，18P1-2拆开发现动环卡死，内有大量的颗粒垃圾，同时静环有轻度偏磨现象（不是很明显），静环压盖上面的石墨衬套（作用防止异物进入密封内部）破损，怀疑颗粒垃圾是衬套破损造成。

机械密封失效原因分析

我们多次对该泵的机械密封进行拆解、更换及试车，虽然每次拆解的发现情况不一样，但是故障现象不禁相似：即大部分情况下，该机械密封安装后，引入液氨时就开始有泄漏，并伴随着盘车及运行，泄漏量有所变化。可以肯定机械密封失效的主因是摩擦副泄漏。

碳化硅与石墨配对广泛应用于机械密封，具有经济性和使用性能优良等特点。碳化硅较为脆硬，容易断裂，在特殊场合并不适合做成整体动环。故采用不锈钢做动环基座，有助于防止动环受弹簧力不均因引起破损。

对以上几次拆下的机械密封进行检查，除了部分摩擦面稍微模糊外，并未发现较大的异样，而且摩擦面经过简单研磨，都能得到很好的光洁度。

我们模仿工况温度，将研磨好并打过光圈的机械密封动环静环放在低温液氮下冷却，然后立即擦干光圈检查。检查发现，静环光圈依然较好，而动环的光圈则变乱。这意味着，动环的平面度已经发生了变化。

该动环是碳化硅与不锈钢镶嵌而成，两者过盈配合。根据相关资料得知，镶嵌环最小过盈量为环的直径的0.02%，才能保证环的传动和密封性能，一般要保证不小于0.01~0.02mm。我们对拆下的动环用火焰加热拆解动环与动环套，经自然冷却后，二者存在0.02~0.03mm左右的过盈量。

不锈钢的热膨胀系数大于碳化硅，当两种材料组合在一起经历相同的温差时，会产生膨胀干涉。常温下研磨平的碳化硅动环，置于低温条件下，受到不锈钢基座冷缩所产生的外力挤压，产生微小变形，从而破坏了摩擦副的平整度。

机械密封应力应变分析

为了更好地了解温度变化对镶嵌动环的影响，我们采用ANSYS软件对该动环进行模拟分析。机械密封常用材料304、碳化硅、碳化钨的特性参数如表1所示。

因为该动环牵涉到在常温下过盈0.02，装配后经过研磨平，给分析带来一定困难。因此，这里我们假设装配状态动环端面是平整的，分别计算在常温和工况下的两种变形。

通过计算，将动环底座加热到46.81℃时，动环与动环座不存在应力关系。故在本分析中采用温度载荷的方法进行加载，即在分析时将装配图的两种不同材料的参考温度分别定为30℃和46.81℃。

根据有限元分析，获得在环境温度（30℃）下动环端面的节点位移，如表2所示；同样，分析出在工况温度（-35℃）条件下的动环端面的节点位移，如表3所示。

考虑研究的是动环端面的应变情况，我们将表2和表3数据进行整理，节点重新编号，得出以下数据。

根据表4数据，可以得到在工况条件下动环端沿着径向方向的变形情况。

机械密封动环与静环摩擦配合部分在X轴1.5~4.5位置，这部分的变形远远超过3个光圈的平面度（1 light brand=0.294μm)，故难以密封住介质。

改进方案和使用效果

鉴于该机械密封是因为动环的两种不同材质因膨胀系数差异产生的故障，决定对机封做改造。

方案一：控制动环摩擦副碳化硅与不锈钢的过盈量。

方案二：将动环材质改成碳化钨，碳化钨动环与不锈钢座镶嵌。

方案三：动环整体碳化钨合金钢或者不锈钢基座焊接硬质合金。

对于方案一，碳化硅动环与不锈钢环过盈量比较难控制，在使用过程中，也难以计算出动环面变形多大。一般机械密封制造企业，在动环镶嵌过程中，会保持0.02mm左右的过盈量，并在常温下研磨端面。在高温泵的使用中，也常发现动环与动环套松脱的情况。

对于方案二，因为碳化钨的线膨胀系数（5.8e-6/℃）虽然较碳化硅（4.2e-6/℃）大，但依然远不及不锈钢材料线膨胀系数（17e-6/℃）高。故在温度变化时，会产生同样的应力变形情况。

方案三，因为动环材料完整一体，温度变化时不会产生较大的应力变形。烧结后的碳化钨材质较硬，机加工存在一定的困难，故在烧结前应机加工，且价格较贵，加工周期偏长，但使用效果极佳；而不锈钢基座焊接硬质合金加工相对简单，经济性较好，但硬质合金的耐磨性却难以保证。

经过综合权衡，我们采用整体碳化钨材料制作动环。采用碳化钨制作的整体动环经过使用和时间检验，效果很好，达到了改造的目的。

结语

出于节省成本、方便机加工和提高材料抗压等方面考虑，镶嵌结构在机械密封动静环制作上广为使用，然而对于温差变化较大的环境，镶嵌产生的应力对机械密封使用性能有大影响，必须予以考虑。