加氫反應進料泵填料泄漏分析及處理

陳明 李玉勝 朱耀強(蘭州石化維達公司， 甘肅 蘭州市 730000)

加氫反應進料泵填料泄漏分析及處理

陳明 李玉勝 朱耀強(蘭州石化維達公司， 甘肅 蘭州市 730000)

對于加氫反應進料泵填料泄漏，從填料箱、填料材質等幾方面進行了分析，提出了解決措施。

加氫反應進料泵 填料密封 芳碳纖維填料

1 簡介

柱塞泵以其工作壓力高、流量范圍大和輸出流量可變等優點在煉化生產中得到廣泛的應用。柱塞泵是依靠柱塞在缸體孔內做往復運動所產生的容積變化進行吸油和壓油的，其工作的可靠性和壽命主要取決于三方面：摩擦副壽命，軸承的壽命以及零件的強度。軟填料密封作為柱塞泵中的重要摩擦副組件，直接影響著泵的工作性能和生產的正常進行。

加氫反應進料泵是生產加氫樹脂的核心設備。其運行的長周期性，直接關系到加氫樹脂生產的連續性。加氫反應進料泵的長周期運行，是確保石油樹脂裝置連續運行的關鍵。

加氫反應進料泵為立式高壓柱塞泵，參數如下表所示。

加氫反應進料泵參數表

2 泄漏情況的分析

（1）密封機理 對于高壓柱塞泵，填料密封是其重要組件，直接影響著泵的工作性能和裝置生產的正常運行。密封部分由柱塞、填料函、填料、銅環、籠式環、壓蓋等部份組成，通過填料壓蓋將填料壓緊在軸的表面。盤根填料在柱塞的密封里起到決定性的作用。盤根之所以能起到密封的作用，其原理主要在于滑動軸承效應和迷宮密封效應。盤根的滑動軸承效應是指在盤根填料和柱塞之間，會因為張力的作用形成一層液膜，使盤根填料和柱塞形成類似于滑動軸承的關系，這樣盤根填料和柱塞就不會因為過度摩擦而出現磨損。盤根的迷宮效應則是指，柱塞的表面平整程度無法達到絕對光滑，盤根和柱塞只能部分貼合而做不到完全貼合，在盤根和柱塞之間永遠存在著極為微小的間隙，這些間隙就形成了迷宮帶，介質在其中被多次節流，而達到密封的作用。

（2）填料密封計算 由機械設計手冊(第五版)第3卷P10-232軟填料密封計算可知

①填料函的主要結構尺寸。填料截面寬(正方形)S：主填料S=10mm，副填料S=7mm；主填料高度H=129mm，副填料高度H=28mm。

②壓緊填料所需力計算。壓蓋壓緊填料所需力Q按式(2-1)確定：

式中：y為壓緊力，MPa，取y≈3．5MPa； D為填料箱內壁直徑，cm，取D=7．08cm； d為軸徑，cm，取d=5．08cm；

由式(2-1)計算得壓緊壓蓋所需力Q=6681．92N。

(3)摩擦功率．填料與轉軸間的摩擦力Fm按式(2-2)計算：

經過計算，主填料與柱塞間的摩擦力Fm=18004．917N。

在填料箱的整個填料高度內，側壓力的分布是不均勻的，從填料壓蓋起到襯套止的壓力逐漸減小。因此，填料箱中的摩擦功率P可按式(2-3)近似計算：

式中：v為圓周轉速，v=πdn，m/s；n為軸的轉速，r/s，

n=1475r/min=24．58r/s；d為軸徑，m，d=0．0508m。

經過計算，填料箱中的摩擦功率P=70．63kW。

②密封填料的改進

a．填料箱內填料受力及補償情況。填料密封結構簡單可靠，但也有不足之處，主要有以下幾點：受力問題——加氫反應進料泵運行時，介質液體排量不均衡，填料的徑向力分布與介質壓力分布不一致，填料承受較大的沖擊載荷，這就要求填料具有很大的徑向力才能達到所需的密封結果。該泵采用硬度較高的減壓環來間隔填料，以使壓力降沿軸向較均勻地分布。其中柱塞規格為φ50．8mm×450mm，材質為38CrMoAL，通過滲氮處理，表面拋光，使其具有高耐磨性、高疲勞強度和相當大的強度。減壓環材質為磷青銅，耐磨、耐腐蝕，并具有一定的機械強度。減壓環起著定位和支撐柱塞的作用，同時在軸向力作用下壓緊填料，減小間隙。

自動補償問題——隨著填料的磨損，填料與柱塞表面的間隙不斷增大，會導致介質泄漏量的增加，這就要求填料耐磨。

散熱性差。該泵填料函外側帶有溢流管，可解決散熱性差的問題。

b．填料的材質。柱塞泵在2014年以前所使用的是戈爾填料，該填料由GFO纖維編織而成，其中包括聚四氟乙烯纖維、石墨等，在2014年至2015年7月期間使用了3次，使用有效期均在1個月左右。主填料使用10×10mm戈爾盤根，副填料使用7×7mm戈爾盤根。

經過對填料的磨損情況的分析，認為密封失效的原因有：

①該填料耐磨性差，在使用過程中，填料沖洗上接口處直徑18mm的溢流管線時有堵塞現象，拆卸管線第一道閥門時能夠發現有填料殘渣堵塞閥門法蘭；

②密封填料切割質量較差，根據柱塞與填料函的尺寸，將填料于45°切下，安裝時填料的切口應平行、整齊，安裝時切口應錯開90°。停泵檢修拆卸時可以發現有部分填料從切口處直接壓毀而部分填料切口處結合緊密，這樣也就造成了填料整體在使用時與柱塞之間的間隙增大的速率較快，繼而泄漏較快。

2014年4月1日，更換為碳纖維與高強芳綸纖維編制而成的新型填料后，7月6日泄漏過大需進行更換；2015年1月20日將此填料進行更換，4月17日泄漏過大需進行更換，由以上兩次更換后運行情況顯示碳纖維與高強芳綸纖維編制而成的新型填料使用周期可提高到2個半月左右。之后2015年7月14日至2016年8月10日裝置停工大檢修，共更換3次，其中該填料最長使用時長為9個月。該填料由碳纖維為基礎材料，四角包覆高強芳綸纖維，交叉編織而成。其中填充膨脹石墨、提高了導熱性能；四角包覆芳綸纖維使整體盤根機械強度提高，耐磨性加大，膨脹系數縮小；摩擦系數低、化學穩定性好；耐高溫，能在一定軸線工況下使用。同時該填料的切口平行、整齊，不需人工切割，直接使用。

(3)戈爾盤根與四角芳綸碳纖維盤根對比：

戈爾盤根與四角芳綸碳纖維盤根對比表

通過以上對比，在溫度190℃，富含C15、C20、Cl-1、OH-1的強腐蝕性介質中，在最大流量條件下B-602A泵出口壓力最高可達17MPa；柱塞最大在運行速度為1．7m/s，成型四角芳綸碳纖維盤根更加適用于加氫反應進料泵。

3 總結

通過以上分析，采用機械強度高、耐磨性大、摩擦系數低的芳碳纖維填料，作為該泵的密封填料較理想。在檢修時更換填料的同時更換減壓環及柱塞，在運行時及時調節壓蓋預緊力及檢查清理溢流管線的堵塞情況均可延長該泵的使用周期。

[1]加氫反應進料泵使用說明書

[2]成大先 機械設計手冊(第五版)第3卷

[3]郝木明 過程裝備密封技術 中國石化出版社

[4]彭旭東 改善高壓柱塞泵的軟填料密封《石油化工設備技術》1998年第19卷第2期

[5]劉永利 高壓柱塞泵填料密封失效原因及解決辦法《水泵技術》1993年第4期