貧甲醇泵機械密封失效原因分析及改進措施

董大為 , 候留松 , 陳玉超

(河南晉開化工投資控股集團有限責(zé)任公司 , 河南 開封 475000)

貧甲醇泵機械密封失效原因分析及改進措施

董大為 , 候留松 , 陳玉超

(河南晉開化工投資控股集團有限責(zé)任公司 , 河南 開封 475000)

貧甲醇泵是低溫甲醇洗崗位為甲醇循環(huán)提供動力的關(guān)鍵設(shè)備，由于貧甲醇易燃易爆的特點，其一旦發(fā)生泄漏，將極大地影響生產(chǎn)安全。目前常用的筒袋式貧甲醇泵高，低壓端機械密封失效頻繁，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)及生產(chǎn)安全。針對上述問題，通過解體機械密封檢查密封件的方法分析造成失效原因，研究了筒袋式貧甲醇泵機械密封失效的問題，并提出針對問題的改進措施，經(jīng)改進后的機械密封裝置使用壽命提高1.2倍。該研究工作為解決機械密封失效問題提供了方法，對設(shè)備機封出現(xiàn)問題的解決具有重要意義。

貧甲醇泵 ； 機械密封 ； 失效 ； 改進措施

0 引言

貧甲醇泵以其能源利用率高、技術(shù)成熟的特點被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外合成氨、合成甲醇的工藝設(shè)備中[1-2]。貧甲醇泵是低溫甲醇洗崗位為甲醇循環(huán)提供動力的關(guān)鍵設(shè)備，其運行穩(wěn)定是工藝系統(tǒng)正常作業(yè)的關(guān)鍵，且由于貧甲醇易燃易爆的特點，其一旦發(fā)生泄漏，將極大地影響生產(chǎn)安全[3]。針對晉開二分公司貧甲醇泵機械密封壽命短(3個月左右)，失效周期與檢修時間不匹配，進而嚴(yán)重影響正常施工的現(xiàn)狀，通過對貧甲醇泵密封失效情況分析，提出在不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，僅改變配合關(guān)系和材料材質(zhì)的方式大幅提高其機械密封結(jié)構(gòu)的使用壽命。

1 機械密封原理

以晉開二分公司凈化車間的GSG 200-400(S)(S)(Bd)-x4型筒袋式貧甲醇泵為例，對其高低壓端機械密封失效原因分析。該泵為4級離心泵，通過電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)速為2 980 r/min，流量509 m3/h，入口壓力0.4 MPa，揚程678 m，工作溫度101.9 ℃。密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

工作原理：機械密封亦稱為端面密封，是靠一對或數(shù)對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補償機構(gòu)的彈力作用下，依賴輔助密封的配合與另一端保持貼合并相對滑動從而防止泄漏。

1.軸套 2.O形圈 3.靜環(huán)4.O形圈 6.O形圈 8.動環(huán) 9.靜環(huán)

貧甲醇泵機械密封為串聯(lián)式雙端面機封，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。沖洗方案一：從泵排出口引入介質(zhì)經(jīng)過限流孔板進入機械密封F1、F2對泵體側(cè)機械密封沖洗。沖洗方案二：外設(shè)緩沖管對外側(cè)機封提供緩沖液。

2 失效形式

通過把密封失效的貧甲醇泵拆卸，發(fā)現(xiàn)密封失效主要由密封圈的失效引起，其失效后的形態(tài)如圖2所示。

圖2 失效后的密封圈

由圖2可以看出，密封失效的密封圈變硬脆化呈矩形狀，接觸表面有徑向裂紋，表面反光，密封圈存在明顯的變形和老化現(xiàn)象。由此判斷密封圈失效是引起密封泄漏的主要原因。

3 失效原因分析

引起密封圈失效的原因主要有永久變形、間隙咬傷、磨損、焦耳熱等。通過對貧甲醇泵內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)受力、受熱及運動工況分析，研究導(dǎo)致其失效的主要原因。

3.1密封圈永久變形

貧甲醇泵內(nèi)流體最高溫度達(dá)到101.9 ℃，屬于高溫工作環(huán)境。高溫的條件會加速橡膠材料的老化。工作溫度越高，O形密封圈的壓縮變形量越大，也就越易形成永久變形，當(dāng)變形量gt;40%時，即會形成泄漏[8]。而密封結(jié)構(gòu)所使用密封圈材料為NBR丁腈橡膠，其在高溫條件下易引起材質(zhì)變硬，進而導(dǎo)致密封圈彈性消失，發(fā)生泄漏。由密封圈在高溫下所導(dǎo)致的變形老化是出現(xiàn)機械密封泄漏的主要原因之一。

3.2泵內(nèi)壓力變換影響

機械密封密封圈主要是靜止密封，受力方向如圖3所示。

圖3 密封結(jié)構(gòu)受力示意圖

密封腔體所受壓力主要來自：泵首級葉輪處引出的密封沖洗介質(zhì)，泵入口介質(zhì)壓力、平衡裝置減壓后的壓力。密封腔體內(nèi)壓力隨工況負(fù)載變化而改變。密封圈受力改變，其壓縮量也會交變變化，根據(jù)目前工況應(yīng)選擇彈性形變量大，回彈能力更強的密封圈。

3.3密封圈尺寸

密封圈線徑與密封圈溝槽尺寸的大小及其配合關(guān)系決定了密封圈變形量及其接觸壓力，對密封圈的使用壽命影響至關(guān)重要。密封圈溝槽尺寸如表1所示，密封圈線徑太小，壓縮預(yù)緊力過小，泵內(nèi)介質(zhì)壓力大，造成泄漏。線徑過大，密封圈壓縮量大，彈性形變大，易造成密封圈失效。機械密封所用密封圈溝槽寬度5 mm，深度3.2 mm。根據(jù)密封圈失效情況來看O形圈預(yù)壓縮量較小，線徑偏小，在高溫下，密封圈發(fā)生線膨脹。一旦密封圈出現(xiàn)性能下降，容易出現(xiàn)泄漏。

表1 密封圈溝槽尺寸

注：a，槽深；b，槽寬；R，倒角。

4 改進措施研究

結(jié)合上述失效原因，提出如下改進措施：①密封圈2、4、6 材質(zhì)為丁腈橡膠，其耐高溫性能滿足不了該泵工作環(huán)境，為更好地適應(yīng)密封結(jié)構(gòu)的高溫工況，選擇耐溫性能更高、彈性更強、性能更穩(wěn)定的硅橡膠密封圈結(jié)構(gòu)。②調(diào)整橡膠密封圈線徑，根據(jù)其壓力變化和溝槽尺寸情況，將密封圈4、6的線徑由原來的3.5 mm調(diào)整為3.65 mm。密封圈2線徑由原來的3.4 m調(diào)整為3.55 mm。③穩(wěn)定生產(chǎn)負(fù)荷，盡量避免泵負(fù)載頻繁變化。

基于上述改進措施，對河南晉開化工集團二分公司凈化車間的貧甲醇泵密封結(jié)構(gòu)及保養(yǎng)方式進行改進，改進后的密封結(jié)構(gòu)正常運行8個月無泄漏、無失效。

5 結(jié)論

針對筒袋式貧甲醇泵密封結(jié)構(gòu)使用壽命短，失效頻繁的問題，通過對主要失效部件的分析，指出密封圈失效是導(dǎo)致其密封失效的主要原因，進一步提出了對機械密封的密封件材質(zhì)和尺寸的改進措施。通過對密封結(jié)構(gòu)的改進，使得晉開二分公司凈化車間的筒袋式貧甲醇泵機械密封結(jié)構(gòu)使用壽命由原來的3.5個月延長到8個月，使得密封結(jié)構(gòu)的維修與車間大修周期匹配，減少停車次數(shù)，為整個系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)提供了保障。

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TQ050.7

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1003-3467(2017)10-0039-03

2017-07-06

董大為(1985-)，男，助理工程師，從事化工設(shè)備管理與維護工作，電話：15937839637。