對(duì)油漿泵機(jī)械密封失效的分析

陳文龍

【摘要】對(duì)油漿泵波紋管機(jī)械密封在輸送油漿介質(zhì)下容易泄漏進(jìn)行分析，綜合機(jī)械密封的工作原理，并對(duì)該機(jī)械密封進(jìn)行有效合理的改進(jìn)。

【關(guān)鍵詞】改造 機(jī)械密封 油漿泵

某公司催化裂化FCC裝置用以輸送含有催化劑顆粒的塔底泵，型號(hào)為100PYS2130，單級(jí)懸臂離心泵，軸功率75kW，流量45.5m3/h，揚(yáng)程130m。輸送介質(zhì)為油漿，介質(zhì)溫度370℃，泵吸入口壓力為0.2MPa。雖然該泵一直使用的是焊接波紋管機(jī)械密封，但由于工況介質(zhì)等諸多因素的影響，該泵在實(shí)際使用過(guò)程中，機(jī)械密封經(jīng)常發(fā)生泄。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械密封使用壽命最短的時(shí)間為15天， 平均使用壽命為4個(gè)月左右， 嚴(yán)重影響了工藝裝置的正常生產(chǎn)。為徹底消除隱患，筆者對(duì)該泵的機(jī)械密封系統(tǒng)進(jìn)行了分析及改造，提高了機(jī)械密封的運(yùn)行周期，確保了裝置平穩(wěn)生產(chǎn)。

一、故障原因分析

催化油漿泵中的機(jī)械密封是DBM290焊接波紋管機(jī)械密封，該密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：a.靜止式金屬波紋管結(jié)構(gòu)；b.動(dòng)環(huán)與軸套法蘭、螺釘連接；c.動(dòng)環(huán)摩擦副低膨脹合金鑲嵌，靜環(huán)摩擦副為浸銻石墨；d.葉輪壓緊軸套實(shí)現(xiàn)軸套密封墊的密封。油漿泵的工作介質(zhì)為催化油漿，介質(zhì)溫度高且含有催化劑等固體顆粒，運(yùn)行工況比較惡劣。通過(guò)數(shù)次檢修及對(duì)原機(jī)械密封的解剖分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封失效泄漏的原因主要有以下幾個(gè)方面。

（一）摩擦副磨損

DBM290焊接波紋管機(jī)械密封靜環(huán)摩擦副采用的材料是浸銻石墨，拆檢發(fā)現(xiàn)靜環(huán)摩擦副磨損嚴(yán)重且內(nèi)外緣有缺口。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 機(jī)械密封的端面比壓受波紋管的有效直徑的影響，而有效直徑是隨壓力的變化而改變。由于壓力過(guò)大，導(dǎo)致摩擦副過(guò)度磨損引起泄漏。同時(shí)油漿中含有固體催化劑顆粒其含量為一般不大于6g/L，生產(chǎn)不正常時(shí)為12g/L左右， 在操作中工藝條件稍有波動(dòng)， 催化劑顆粒會(huì)進(jìn)人密封面內(nèi)，劃傷了動(dòng)環(huán)密封面，并破壞了液膜的連續(xù)性，從而引起泄漏。正常密封時(shí)，密封面處于邊界潤(rùn)滑或半液體潤(rùn)滑狀態(tài)，兩表面被一層邊界膜分開(kāi)。當(dāng)密封面間混有催化劑顆粒或靜環(huán)密封面上有磨損時(shí)，兩密封面間液膜厚度明顯增厚，從而導(dǎo)致了油漿大量泄漏。

（二）摩擦副表面熱裂紋

拆撿發(fā)現(xiàn)摩擦副的硬質(zhì)合金環(huán)出現(xiàn)由硬面中心向外發(fā)散的許多粗細(xì)不一的徑向裂紋。焊接波紋管的硬質(zhì)合金環(huán)與環(huán)座兩種材料的膨脹系數(shù)存在差別，在機(jī)械密封冷卻水壓力不穩(wěn)定或溫度發(fā)生較大變化時(shí)容易產(chǎn)生局部高溫，從而導(dǎo)致局部熱應(yīng)力過(guò)大，合金環(huán)表面熱裂引起密封失效。

（三）波紋管內(nèi)側(cè)波谷部位的軟焦塊

溫度高、密度大、含有固體顆粒是油漿生成軟焦塊主要原因。該泵在370℃的工況下使用，油漿會(huì)慢慢沉淀或凝固在波紋管的縫隙中形成軟焦塊。隨著時(shí)間的推移，波紋管縫隙內(nèi)的軟焦塊使得波紋管不能進(jìn)行軸向拉伸、壓縮，失去彈性。這樣，波紋管就無(wú)法提供隨介質(zhì)壓力變化的軸向作用力，起不到補(bǔ)償作用，使端面液膜壓減小，造成液膜反壓系數(shù)下降， 以致于端面比壓下降， 引起密封失效。

（四）軸套密封墊易發(fā)生泄漏

DBM90密封傳動(dòng)方式為鍵傳動(dòng)，軸套密封是靠葉輪壓緊軸套內(nèi)的軸套墊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。造成軸套密封墊泄漏的原因主要有：a. 葉輪發(fā)生反轉(zhuǎn)或泵體預(yù)熱溫度過(guò)快造成葉輪鎖緊螺母松動(dòng)，使得密封墊無(wú)法壓緊而泄漏；b.在安裝過(guò)程中，軸套密封墊內(nèi)進(jìn)入雜質(zhì)，使其密封性能失效而泄漏。

二、解決措施

（一）開(kāi)槽斜面擠緊軸套式密封結(jié)構(gòu)

針對(duì)密封軸套墊的泄漏，采取了開(kāi)槽斜面擠緊軸套式密封結(jié)構(gòu)。這種定位傳動(dòng)可靠，安裝、拆卸方便且不傷軸。另外，還設(shè)置了限位板，便于泵外調(diào)整密封的壓縮量。波紋管內(nèi)徑一處設(shè)一45°斜角，以分散應(yīng)力，延長(zhǎng)波紋管壽命。輔助密封采用柔性石墨替代其他密封材料，可以承受高達(dá)425℃的高溫。

（二）采用耐磨摩擦副材料

由于油漿泵介質(zhì)含有固體顆粒， 所以在摩擦副動(dòng)環(huán)表面噴涂了氧化鉻（Cr2O3） ，靜環(huán)材料選用YG6，該配合屬于“硬質(zhì)合金-硬質(zhì)合金”形式。由于二者硬度不同，既可防止動(dòng)靜環(huán)密封面同時(shí)損傷，又避免了產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象。針對(duì)高溫環(huán)境下密封環(huán)鑲嵌結(jié)構(gòu)容易脫落的現(xiàn)象，改用整體結(jié)構(gòu)密封環(huán)。密封壓縮量定為3.4mm，有效降低了密封面過(guò)多的摩擦熱。

（三）金屬波紋管作為旋轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)

原來(lái)所用的機(jī)械密封為靜止式結(jié)構(gòu)，油漿極易在波紋管縫隙生成焦塊。為了防止機(jī)械密封波紋管縫隙結(jié)焦，筆者將金屬波紋管設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)式波紋管密封在旋轉(zhuǎn)離心力作用下可以自身清洗波紋管，減少波紋管外圍沉積和內(nèi)側(cè)結(jié)焦，并能防止因急冷造成的波紋管變形。

（四）改善密封的冷卻、沖洗效果

高溫油漿泵由于介質(zhì)溫度高，加之短時(shí)間的機(jī)械負(fù)荷或熱負(fù)荷的作用，使得密封面間穩(wěn)定液膜轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝麪顟B(tài)，這轉(zhuǎn)變過(guò)程中的溫差產(chǎn)生了輻射狀徑向小裂紋。為了改善密封摩擦副的冷卻效果，將循環(huán)水冷卻改用輕柴油冷卻并將原來(lái)密封壓蓋的進(jìn)、出冷卻孔直徑增加2mm，這樣避免了冷卻介質(zhì)的汽化且流量增加一倍，大大改善了冷卻效果。為了避免催化劑顆粒粘結(jié)，堵塞沖洗管通道，將沖洗孔直徑由5mm增大到7mm，沖洗壓力控制在0.5MPa。通過(guò)自沖洗的改進(jìn)，有效地控制了密封端面溫升，增大液相面積，改善了摩擦狀態(tài)。

三、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)油漿泵機(jī)械密封的失效原因分析，從其材料及結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了有效改進(jìn)。目前，改造后的油漿泵已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。改造前該泵有效運(yùn)行時(shí)間平均為4個(gè)月左右，改造后，該泵連續(xù)運(yùn)行最長(zhǎng)可達(dá)8000h，期間經(jīng)過(guò)長(zhǎng)周期高負(fù)荷運(yùn)行和頻繁的切換運(yùn)行而無(wú)泄漏故障。通過(guò)對(duì)油漿泵機(jī)械密封的改造及應(yīng)用，不僅解決了影響裝置穩(wěn)定運(yùn)行的難題，而且還產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益。由此可見(jiàn)，催化裝置油漿泵機(jī)械密封的改造是成功的。

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