泵設備機械密封泄漏事故防范技術探討

張云朋

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

0 引言

煉化企業生產過程中，其原料、中間產品和最終產品大多為液態，為完成這些液體的輸送，泵是必不可少的，泵也是煉化企業中應用最多的設備之一。泵的運行狀態直接關系著生產過程的正常運行，泵的故障可直接中斷生產過程，甚至引發嚴重的安全生產事故。

泵在運行過程中，其旋轉部件，如機械密封和軸承，都會有不同程度的磨損，當磨損達到一定程度后，就會引起密封失效，進而導致生產原料的泄漏。更為嚴重的是，由于生產工藝的需要，部分生產原料為高溫易燃液體，一旦發生泄漏，將引發嚴重的火災爆炸事故。

近年來，石化行業內已發生多起因機械密封泄漏引發的重大火災事故，不僅使企業蒙受巨大的經濟損失，也給企業造成了較大的負面影響。

1 機械密封失效原因分析

1.1 泵軸承工作原理分析

圖1是滾動軸承的基本結構示意。滾動軸承由內圈、外圈、滾動體和保持架組成。內圈與外圈之間裝有若干滾動體，通過保持架使滾動體保持一定間隔，進行圓滑的滾動。使用時，內圈裝在軸頸上，外圈裝在軸承孔內，通常是內圈隨軸轉動，外圈固定。滾動體是滾動軸承的核心元件，當內、外圈相對轉動時，滾動體在其間運動。內、外圈多為凹槽形，以降低接觸應力并限制滾動體軸向移動。保持架將滾動體均勻隔開，以避免滾動體之間直接接觸，減少發熱和磨損。

軸承在實際運行過程中，可發生破碎、斷裂、剝落等多種故障，使泵軸轉動性能下降，嚴重時可導致泵設備停止運行。

1.2 機械密封工作原理分析

機械密封的基本結構如圖2，在填料箱內的泵軸上裝有傳動座，傳動座用傳動螺釘固定在泵軸上，在推環與傳動座之間裝有大圓柱彈簧，推環壓緊動環密封圈，動環上開有導向槽，傳動座的導向杈深入其中，使推環與動環隨傳動座同步轉動。由于防轉銷的作用，靜環不會轉動。動環在彈簧力的作用下與靜環貼緊形成密封斷面。泵工作時動環上作用的液體壓力使動環進一步貼緊靜環，并在密封端面內形成一層極薄的液膜，從而達到良好的密封效果。

圖1 滾動軸承基本結構

圖2 機械密封基本結構

1.3 機械密封失效原因分析

機泵組在長期運行過程中，泵軸承不可避免地會出現磨損，當磨損到一定程度后，泵軸承的轉動性能下降，不能正常旋轉，嚴重時可導致泵軸偏離中心位置。

但是，由于與泵配套的電機功率較大，泵軸承故障后，電機仍以高功率拖動泵軸快速旋轉，由于此時機械密封已處于不正常運行狀態，各接觸部位出現不平衡磨損，最終導致機械密封失效，進而引發高溫油料泄漏事故。

2 機械密封失效事故的防范

根據以上分析可知，機械密封失效的誘發因素多為泵軸承出現故障。泵軸承出現故障后，大功率電機拖動故障軸承高速旋轉，使機械密封過度磨損而失效。因此，為有效防范機械密封失效事故，應從如下兩方面入手。

2.1 軸承監測

滾動軸承在運行過程中由于本身結構特點、加工裝配誤差、軸承故障等內部因素，以及傳動軸上其它零部件的運動、應力等外部因素共同作用下，會產生各種振動，其振動類型大致可分為3類：與軸承變形有關的振動；與軸承加工有關的振動；與軸承故障有關的振動。其中，與軸承故障有關的振動反映了軸承的損傷情況，因此，可通過監測軸承的振動情況判斷軸承的故障狀態。

軸承振動的監測目前主要有定期檢測和在線監測兩種方式。定期檢測大多根據一定的檢測周期，人工定時檢測。這種方法存在一定的弊端，當軸承出現故障時不能及時發現。為隨時監測軸承的振動情況，及時掌握軸承的運行狀況，宜采用在線監測方式。

軸承振動在線監測系統硬件部分主要由傳感器單元、變送器單元、數據傳輸中繼器單元、數據接收器與監控主機5部分組成。系統總體架構見如圖3。

圖3 軸承振動在線監測系統結構

傳感器單元是獲取軸承振動參數的直接傳感元器件，軸承振動信號轉換為電信號，實現軸承振動狀態的感知。

變送器單元可以對振動加速度信號進行A/D轉換及FFT變換等，得到速度、位移、品質因數等關鍵參數，并以無線方式上傳至收集器、監控主機。

收集器單元通過接收來自變送器單元的數據并發送給數據接收器單元或下一級數據傳輸中繼器單元，設置中繼器單元主要是考慮煉化企業廠區較大，通信距離較遠且障礙物較多，為保證監測數據的有效傳輸而設置。收集器和中繼器單元可用太陽能電池板、配合可充電鋰電池供電，并設置較大的發射功率。

接收器單元通過無線方式接收來自數據傳輸中繼器單元的數據并通過串口發送給監控主機由計算機顯示、分析數據。

監控主機主要用于接收、分析、顯示監測數據，實現軸承狀態監測、統計分析、預警建議等功能。監控主機可根據收到的監測數據與用戶設置的閾值進行對比，若超出用戶設定的范圍，將進行聲光、短信等預警，同時根據用戶需要對監測數據進行專家診斷，分析軸承故障，提供維修依據。

2.2 機泵組聯鎖控制

機泵組聯鎖控制的作用是軸承出現嚴重故障后，使機泵組及時停車，防止機械密封過度磨損而失效。但由于煉化企業生產工藝的連續性較強，單套機泵組不能隨意停車，因此機泵聯鎖控制應配合生產裝置的安全停車系統或根據生產管理人員的調度使用。

軸承在過度磨損或故障后，其內圈和外圈之間的摩擦轉矩和溫度會顯著升高。此外，軸承嚴重故障后，其旋轉性能顯著下降，泵設備的輸送能力也可能同步降低，造成泵的出口壓力也將降低。因此，可考慮將軸承內圈和外圈之間的摩擦轉矩、軸承溫度、泵出口壓力3個參數作為機泵聯鎖控制的控制信號。

機泵聯鎖控制系統結構如圖4所示。

1-主控制器；2-壓力傳感器；3-溫度傳感器；4-摩擦轉矩傳感器

在圖4所示的機泵聯鎖控制系統中，摩擦轉矩傳感器采集軸承內圈與外圈之間的摩擦轉矩信號，溫度傳感器采集泵軸承的溫度信號，壓力傳感器采集泵出口的壓力信號，3個傳感器將各自采集到的信號分別傳送到主控制器。主控制器將采集到的信號參數與預先設定的閾值參數比較，若滿足啟動條件，則向電機控制人員發送預警信號。主控制器的啟動條件可設定為：摩擦轉矩過大、溫度過高、出口壓力過小。為保證動作可靠，3個傳感器采集的參數中有任意2個或2個以上滿足啟動條件時，主控制器都應發出預警信號。

3 結語

機械密封的完整性對煉化企業泵設備的安全運行至關重要，為減少泄漏事故的發生，應采取加強泵軸承的監測和機泵組的聯鎖控制等措施保障機械密封的完整性。