高壓往復注水泵故障分析及解決措施

高松林（四川石化有限責任公司）

高壓往復注水泵故障分析及解決措施

高松林（四川石化有限責任公司）

渣油加氫脫硫裝置的3臺高壓往復注水泵經常發生故障，維修頻次較高，導致反應高壓空冷注水中斷，不利于渣油加氫裝置的安全平穩生產。對渣油加氫高壓往復注水泵運行中遇到的柱塞斷裂、柱塞表面磨損拉毛以及填料泄漏等三種常見故障進行分析，得出柱塞斷裂是由于柱塞材質內部存在缺陷、柱塞頭強度不夠、附加應力造成；柱塞拉毛磨損是由于柱塞和柱塞襯套之間以及填料箱之間的裝配間隙不匹配造成；填料泄漏是由于冷卻水中斷及填料選材不合理造成，針對以上原因提出了相應解決措施。

高壓往復注水泵柱塞斷裂表面磨損填料泄漏

中國石油四川石化的300×104t/a渣油加氫脫硫裝置共有3臺高壓注水泵，兩開一備，是渣油裝置的關鍵設備之一。泵型號：TITANO314OQ（Φ70× 120）；最大沖程：120mm；最大流量：22.9m3/h；最大設計壓力：20MPa；沖程頻率（往復運動的次數）：174r/min；由五級缸串級組成，通過逐級壓縮將0.347MPa的除氧水壓縮至16MPa左右，主要以連續注水的方式注入渣油加氫高壓空冷入口以溶解銨鹽，防止銨鹽結晶堵塞管束，對生產造成不利影響。

1　注水泵故障情況

高壓往復注水泵在運行中常見的故障有柱塞根部發生斷裂，目前為止已發生2次（圖1、圖2）。第一次發生在二級柱塞、第二次發生在第五級；其次是柱塞表面磨損拉毛，如圖3所示；再次是填料密封老化經常發生泄漏。

圖1　柱塞新舊對比

圖3　柱塞表面磨損拉毛

2　故障分析及措施

2.1柱塞斷裂

高壓往復注水泵密封采用兩級盤根填料，柱塞桿通過螺紋、半卡環連接，并通過2個半卡傳遞拉力帶動柱塞做功。其斷裂破壞形式如圖1所示，柱塞尾部整體斷裂，柱塞斷裂處為柱塞與半卡接觸處，柱塞在此尺寸發生突變，加之變徑處沒有明顯的過渡，很容易在軸徑突變處產生應力集中造成柱塞斷裂［1］。

1）斷面總是發生在金屬組織最薄弱的地方。從圖2可知，斷裂面的金屬組織有細小裂紋，金屬強度降低。隨著柱塞不斷地往復運動，柱塞承受往復交替的拉力、壓力傳遞至柱塞頭部，長時間會造成柱塞斷裂。要想避免柱塞的斷裂，要求材質內部無缺陷；選用高強度的柱塞材料。

2）柱塞裝配間隙調整不當也會產生附加應力，如圖4所示，柱塞頭與十字頭內墊鐵采用曲面接觸，若卡盤、螺紋環、半卡及墊鐵間隙大，就會造成柱塞在往復運動過程中承受的沖擊力變大。合理的裝配可以使作用在柱塞根部的應力降低。從設計上可以將接觸由球面改為平面接觸，避免因松動造成附加應力。

圖4　柱塞連接結構

3）柱塞在往復運動過程中起破壞作用的是拉應力。提高柱塞的抗拉強度，可以避免柱塞斷裂。柱塞的斷裂發生在變徑處，只要增大尺寸添加過渡圓弧就可以避免從此處斷裂［1］。

2.2柱塞表面磨損拉毛

檢查拆下的柱塞表面發現柱塞前部約1/3面積發生表面磨損拉毛的情況。如圖3所示。同時檢查填料襯套發現柱塞襯套內壁底部偏左出現嚴重磨損，磨損達2～3mm。如圖5所示。

圖5　柱塞襯套磨損

1）柱塞和柱塞襯套之間以及填料箱之間的裝配間隙不合理，將會造成柱塞不對中與柱塞襯套偏磨，導致填料箱溫度升高，嚴重的會拉傷柱塞表面，造成泄漏。2014年11月17日，從填料冷卻水回水處發現水壓比正常情況高、泄露水量明顯增加，發現二級填料壓蓋端面有泄露。對泵進行檢修時，發現泄露級柱塞表面有明顯的傷痕、痕跡與柱塞往復運動方向一致，而柱塞襯套的內表面有明顯的摩擦痕跡，說明柱塞襯套和柱塞發生了摩擦［2］。偏磨的位置發生在底部偏左，可以排除柱塞因重力作用下沉導致其與柱塞襯套摩擦的可能性。

2）填料壓蓋過緊導致柱塞表面與接觸到的填料及隔圈摩擦增大，最后導致柱塞拉毛，因此要及時調節填料壓蓋的松緊，防止柱塞拉毛［3］。填料若裝偏，將導致柱塞偏移，運動時就會發生與填料襯套摩擦。

3）柱塞表面拉毛磨損，另一方面說明了柱塞的選材及加工工藝不能滿足生產的實際要求。需要選用含C和Cr較高的馬氏體時效鋼（9Crl8MoV）為柱塞材料，此鋼缺口韌性、耐疲勞和耐磨性好。在柱塞加工過程中，取消表面噴涂氧化鉻層工藝，采用表面氮化處理［4］。

4）如果填料安裝得不正確，其使用壽命將會縮短15%～20%［2］。填料的安裝應按檢修手冊要求進行安裝。注意填料密封內表面和側面應光滑平整，填料環的切口塞填時應互為120°或180°，用潤滑油涂抹柱塞表面，并把柱塞插入填料箱，用手將填料壓蓋壓人填料箱內，防止因偏斜被填料箱口部掛牢。

2.3填料泄漏

良好的冷卻環境是機械長周期運行的關鍵。高壓往復泵在運動過程中，柱塞與填料之間不可避免產生摩擦熱。產生的熱量會加速填料的老化，導致泄露發生。往復泵填料由兩級組成，前段填料主要靠壓縮介質冷卻，后段填料由外置除鹽水冷卻。在運行中發現冷卻水回水中斷，經檢查發現由于填料冷卻水含有雜質（圖6），將冷卻上水管線堵塞。經確認雜質主要由3mm左右的小石子組成，后端填料得不到很好的冷卻，壽命大大縮短。

從填料更換的情況來看，前端填料運行一段時間會發硬，不具有新填料的彈性，填料密封效果變差。填料的選材不能滿足長周期運行要求。所以，填料冷卻水中斷及填料選材不合理是填料發生泄漏的主要原因。

填料冷卻水加裝濾網，以阻止雜質進入填料。同時聯系填料冷卻水供水方，解決除鹽水含雜質問題、定期切換注水泵對過濾器進行清洗。

圖6　冷卻水雜質

正確選擇合適的密封填料對提高密封性能和使用壽命是至關重要的。由聚四氟乙烯纖維與柔性石墨以特定的生產工藝制成的復合密封填料，既克服了聚四氟乙烯纖維彈性低、氣密性差的缺點，又彌補了柔性石墨抗剪切、耐沖擊性能低的不足，具有良好的回彈性能、氣密性和耐沖擊性等綜合性能，可明顯改善密封的工作性能，提高使用壽命［5］。

3　結論

1）針對柱塞斷裂問題，選材要求材質內部無缺陷；降低或消除作用在柱塞頭部的附加應力，將曲面接觸改為平面接觸、將柱塞變徑處尺寸增加，并有明顯過渡。

2）柱塞拉毛磨損可以從填料的安裝確保柱塞和柱塞襯套之間以及填料箱之間的裝配間隙合理不偏磨；填料的松緊合適；選用含C和Cr較高的馬氏體時效鋼（9Crl8MoV）為柱塞材料，加工工藝采用表面氮化處理。

3）優化填料冷卻水水質、改善填料環境，填料材質選用聚四氟乙烯纖維與柔性石墨以特定的生產工藝制成的復合密封填料，來改善填料泄漏。

［1］劉福，季冬.高壓往復泵柱塞斷裂故障分析及解決方案［J］.科技博覽，2013（25）：68.

［2］劉明洪.高壓往復泵填料泄漏原因分析及改進措施［J］.廣州化工，2013，41（11）：210.

［3］李振輝.氨泵柱塞漏氨的原因及對策［J］.小氮肥，2008，36（12）：20-21.

［4］陣尊禹.小型往復泵的柱塞改造［J］.大氮肥，1991（5）：345-346.

［5］葛京鵬，郝木明，陳遜.液氨柱塞泵密封失效分析及技術改進［J］.石油化工設備技術，2000，21（5）：47-50.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.003.013

2015-01-05）

高松林，工程師，2005年畢業于新疆大學，從事渣油加氫工作，E-mail：52538366@163.com，地址：四川成都彭州石化北路1#四川石化生產二部，611930。