液體丙烯排放泵故障分析及解決方案

高 靜

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

某引進聚丙烯技術的液體丙烯排放泵，在國外某裝置的運行過程中出現泵體溫度升高、電流不穩、軸承損壞等現象，且泵返修后連續運行一段時間依然會間歇出現以上問題。該裝置運行的前幾個月里，2臺液體丙烯排放泵都經歷過軸承損壞停車的故障，部分時間段業主只能通過旁路進行操作。現通過對該技術流程特點、泵體結構及現場故障進行分析，找到了操作不穩的成因和解決方法。

1 液體丙烯排放泵

根據本技術專利商的要求，液體丙烯排放泵選型為屏蔽泵，泵體、葉輪、軸的材質為304S.S，定子屏蔽套材質為Hastelloy C，轉子屏蔽套材質為不銹鋼,軸承材質為碳化硅。由于輸送的介質中含有聚丙烯(PP)粉末，為防止PP粉末進入轉子側，采用新鮮丙烯為外沖洗液由泵后部注入。沖洗丙烯的壓力需高于泵入口壓力。在葉輪和前端軸承之間有機械密封將屏蔽泵分為2個區域。前端為泵體和葉輪，它們接觸的介質為含PP粉末的液體丙烯；后端為轉子、定子、屏蔽套、軸、軸承等部件，它們接觸的介質為不含PP粉末的液體丙烯，這股液體丙烯也是屏蔽泵的循環液。軸的后部配有一副葉輪，用于給循環液加壓，保證循環液的流動。軸和軸承摩擦產生的熱量由循環丙烯帶走，通過1個小冷卻器撤熱。

泵的基本參數見表1，結構見圖1。

表1 泵的基本參數

2 現場出現的問題

裝置開車后1個月，B泵出現電流高高報警停車。據現場操作人員反映，停車前1～2 min泵體突然產生劇烈振動，來不及采取任何措施泵就自動聯鎖停車。拆泵后發現，其兩端軸承嚴重磨損并碎裂，軸表面有明顯磨損痕跡，葉輪表面粘黏少量白色粉末。現場照片見圖2～圖5。2個月后A泵也發生故障停車，2臺泵的停車現象和損壞情況基本相同。

1—泵體；2—葉輪；14—RB端蓋；15A/B—軸承；16—軸；17—軸套；18—推力盤；19—轉子；20—定子；21—轉子屏蔽套；22—定子屏蔽套；23—付葉輪；24—接線盒；33—連接體；35—熱交換器；36—排氣閥；37—機械密封；40—底座；41—機架；46A/B/C/D/E/F/G—螺栓；48—緊定螺釘；53A/B/C/D—彈簧墊圈；54—墊圈；55A—墊圈；55B—墊片；55C—墊圈；56—調整墊圈；57A/B—止動墊圈；58A—鍵；59A/B—塞子；60—銷；61—活結接頭；64—襯套；66A/B—密封墊圈；67—O形圈密封圖1 泵的結構示意

圖2 軸承磨損產生的粉末

圖3 碎裂的軸承

圖4 軸表面磨損情況

3 原因分析

這2臺屏蔽泵采用的是碳化硅軸承，由圖2可見，泵損壞時軸套內有大量黑色粉末，這些粉末應是軸和軸承之間相互摩擦產生的。通過對工藝流程及泵體結構分析發現，可能導致軸承磨損的原因有2個：1)PP細粉從工藝側穿過機械密封反向進入泵體后部，引起軸承摩擦面擦傷，產生的新磨屑殘留在摩擦面上形成新磨料，與PP粉末一起使磨損情況加劇；2)外沖洗及循環冷卻系統有問題，導致軸與軸承間的潤滑及冷卻不利，使軸承與軸表面產生干磨，干磨產生的殘屑變成新磨料存留在摩擦面上，使軸和軸承之間的磨損情況加劇，最后導致軸承的摩擦面磨損失效。

圖5 葉輪表面黏附物

3.1 PP細粉進入泵體后部的可能性分析

此泵輸送的液體為聚合工段產生的含少量PP粉末的排放液體丙烯，為防止PP粉末進入泵后部造成軸承磨損，特設置了機械密封將軸承、轉子、屏蔽套等重要部件與含粉末的輸送介質隔離，同時有干凈的新鮮丙烯由泵后部注入，保證沖洗丙烯的壓力需高于泵入口壓力。表2為泵故障前后的參數對比。由表中數據可知，泵故障前后的進、出口壓力及沖洗丙烯壓力都比較穩定，且外沖洗丙烯的壓力一直比泵入口壓力高，同時安裝在軸上的付葉輪會跟隨軸一起轉動給循環液加壓，因此PP細粉從工藝側穿過機械密封反向進入泵體后部的可能性幾乎為0，可排除。

表2 泵故障前后操作參數對比

3.2 外沖洗及循環冷卻系統問題分析

排除PP細粉進入泵體后部的可能性后，軸承磨損的原因主要集中在外沖洗及循環冷卻系統。

液體丙烯排放泵的潤滑和冷卻介質是沖洗丙烯。分析圖1泵的結構可知，界區來的潔凈丙烯從泵后部注入，經后端軸承的尾部進入軸承座腔，在后端軸承的內表面螺旋槽內形成潤滑流動液膜，并帶走軸承產生的熱量，然后順著定子和轉子之間微小的間隙到達前端軸承，從前端軸承推力盤進入前端軸承內表面的螺旋槽，最后從機械密封動環上部的循環液出口進入循環液管，并在熱交換器中經冷卻水撤熱后返回泵后部循環管線與補充的外沖洗丙烯形成泵的整個潤滑冷卻循環系統。由此可見：該泵的機械密封動環與靜環、動環與軸、軸與軸承及軸承與推力盤之間產生的摩擦熱都要依靠循環液帶走。如果以上某個部位的摩擦熱增大以及循環液流量或冷卻水溫度波動都可能造成撤熱不及時、循環液溫度升高。一旦其溫度超過丙烯的汽化溫度使液體丙烯汽化，泵就喪失了潤滑液，產生干轉，造成軸承快速磨損，進而導致軸承表面溫度急劇升高、膨脹變形，直至最終碎裂。

表3為不同壓力下丙烯的汽化溫度。由表3可知：當沖洗丙烯的壓力在2.1～2.2 MPa(表)時，其對應的汽化溫度為53～56 ℃，而泵發生故障時現場實測沖洗液循環管表面溫度介于55～60 ℃之間，高于其汽化溫度。因此可基本判斷泵的故障是由外沖洗及循環冷卻系統原因造成的。

表3 不同壓力下液相丙烯的汽化溫度

4 解決方案

據現場操作人員反映，泵在停車前，其入口壓力和沖洗丙烯的壓力都比較穩定，沒有大幅波動。另外，循環冷卻水進水的實際操作溫度為26～28 ℃，低于設計采用的33 ℃，因此基本可排除沖洗丙烯中斷和冷卻水溫度過高的原因。

經過與廠家反復溝通發現，廠家對外沖洗丙烯的壓力及流量控制有非常苛刻的要求：1)外沖洗丙烯壓力應高于泵入口壓力0.2 MPa(表)，且誤差不超過±0.05 MPa(表)；2)外沖洗丙烯的流量需控制在0.03 m3/h。分析其原因，可能是因為若外沖洗丙烯的壓力高于廠家規定的范圍，沖洗丙烯對泵內部元件的軸向推力加大，會加劇前后軸承與推力盤之間的摩擦以及機械密封動環與靜環之間的摩擦，而這部分摩擦熱廠家未計算在內，因此熱量慢慢累積，最終導致軸承磨損。為了證實以上分析是否正確，研究決定在外沖洗丙烯線上增加一小量程流量計和1個針型閥，將丙烯流量嚴格控制在0.03～0.04 m3/h，從而精確控制沖洗丙烯的壓力。實踐證明：這一措施非常有效，改造后這2臺泵操作穩定，至今已連續運轉10個多月，再未出現軸承磨損的停車故障。

5 對泵選型的探討

通過對該工藝技術及液體丙烯特性的分析認為，屏蔽泵不是此泵的最佳選擇，原因如下：

1) 屏蔽泵屬于無密封泵的一種，要求輸送介質干凈、無雜質，一般直接用泵出口物料作為循環潤滑介質，結構上沒有動密封，只在泵的外殼處有靜密封。而本泵的輸送介質為含PP粉末的丙烯，不能直接用作潤滑液，為了防止PP粉末進入泵后端軸承部分，額外設置了機械密封，并采用外沖洗丙烯作為循環潤滑液。而外沖洗丙烯的流量及壓力控制要求精細，工藝條件稍微變化就容易引起該系統波動，不利于設備平穩操作。

2) 此泵輸送介質為液體丙烯，由表3可知，液體丙烯的汽化溫度較低、容易汽化，一旦作為潤滑液的丙烯汽化，就會造成干磨，導致軸承迅速破壞、泵停車。

3) 由于屏蔽泵采用滑動軸承，且選擇被輸送的介質來潤滑，故潤滑性差的物質不宜采用屏蔽泵輸送。一般適合于屏蔽泵介質的粘度范圍為0.1～20 mPa·s。本工藝采用40 ℃左右的液體丙烯作為沖洗及潤滑液，其粘度僅為0.072 3 mPa·s，且隨著溫度的升高，粘度會越來越小，不利于泵的潤滑。

表4 不同溫度下液體丙烯的粘度

4) 屏蔽泵本身對操作介質的要求較高，相比OH2型離心泵更不易操作。而該工藝為此泵提供的操作條件也較苛刻，稍有不慎就容易造成故障停車，泵的抗干擾能力較差。

5) OH2型離心泵作為化工裝置最常用的泵型，經常用于液體丙烯的輸送，本裝置中輸送PP粉末含量更高的丙烯急冷液泵也采用的是OH2型離心泵，其操作非常穩定，裝置開車后尚未出現故障停車。因此筆者認為，該泵如能選用OH2型離心泵將更有利于裝置的平穩操作。

6 結語

目前采用該技術的國內裝置有2套。這2套裝置以及專利商專利工廠相同位號屏蔽泵的操作也不太穩定。這次國外同類裝置的成功改造，為國內裝置提供了參考，若時機恰當，可依據經驗對國內裝置該泵的沖洗丙烯循環系統進行改造，使操作更加穩定、減少設備故障率。

另外，如再有機會參與該技術的聚丙烯裝置設計，可建議專利商將該泵的選型改為OH2型離心泵，從本質上提高泵的操作穩定性。