煤氣水泵機械密封泄漏原因分析及技術改造

周學東

(云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司， 云南開遠 661600)

煤氣水泵是“造氣”的主要設備，來自氣化爐噴淋器的噴淋酚水和入爐蒸汽(未分解反應部分)，經廢熱鍋爐進行換熱、分離，回收至酚水中心罐，再由煤氣水泵送到煤化工。在運行過程中，機械密封泄漏會造成環(huán)境污染，導致煤水泵不能長周期運行，且機械密封價格較高，頻繁停車對機械密封進行更換造成檢修費用高，檢修人員的勞動強度增加[1-2]。

筆者從煤氣水泵機械密封的原理、輸送介質、結構、材料等方面分析機械密封存在的問題，并提出相應的改造措施。

1 設備概況

該煤氣水泵為單級臥式離心泵，型號為PC80-3400-75，材質為304鋼，由大連大耐泵業(yè)有限公司生產；機械密封為119B/119B-60型串聯式雙橋面機械密封，機械密封腔內配有冷卻水管。煤氣水泵的額定參數見表1，機械密封裝配結構見圖1。

表1 煤氣水泵額定參數

1—軸套；2—靜環(huán)；3—靜環(huán)密封圈；4—機封壓蓋；5—密封圈；6—動環(huán)座；7—冷卻進水；8—泵殼；9—彈簧；10—動環(huán)密封圈；11—冷卻出水；12—動環(huán)。圖1 機械密封裝配結構

2 存在的問題

從現場情況來看，該煤氣水泵安裝運行后經常出現泄漏，運行周期短。每次更換機械密封后，最多運行1個月，有時運行1周左右就損壞。

機械密封泄漏主要表現在：(1)冷卻水管中有酚水，內機械密封泄漏；(2)動靜環(huán)有徑向裂紋；(3) 動靜環(huán)密封圈老化，失去彈性，發(fā)生碎裂或斷裂；(4)動環(huán)彈簧變形、斷裂；(5)軸套磨損，更換頻繁；(6) 機械密封裝配難，每次檢修都需裝配幾次才能保證內外機械密封不漏，且檢修時間長。

煤氣水泵實際運行數據見表2。

表2 煤氣水泵實際運行數據

3 原因分析

3.1 機械密封結構不適用泵工作介質要求

由于工藝介質是酚水,酚水在泵葉輪作用下,使泵在瞬間不打液,產生壓力波動,泵軸向竄動頻繁,造成內機械密封泄漏。泄漏的酚水與機械密封冷卻水相混產生放熱反應,使機械密封腔內溫度升高,導致動靜環(huán)密封面燒壞及動靜環(huán)密封圈碎裂。軸向竄動頻繁是軸套磨損的原因,另外,內機械密封沒有設置沖洗、平衡降壓管，使內機械密封承受壓力接近泵出口壓力且易有污泥雜質沉積在機械密封腔內，使內機械密封產生泄漏[3]。因此，采用水冷卻機械密封和串聯雙端面密封是造成機械密封泄漏、更換頻繁的主要原因[4]。

3.2 機械密封動靜環(huán)及輔助元件材料不適用

119B/119B-60型機械密封動、靜環(huán)材料為碳化鎢硬質合金，其沖擊韌性低(在高溫時沖擊韌性更小)、耐磨性能好、摩擦因數低，適用于重載、固體顆粒易結晶的介質，可焊接或粘接，但價格較貴且放置時間長易變形。

由于機械密封長期放置變形，在裝配后難以保證機械密封不泄漏；機械密封微量泄漏，酚水與水混合放熱，機械密封摩擦熱難以散發(fā)；材料沖擊韌性低，軸向竄動量大、頻繁；因此，動靜環(huán)易燒壞、碎裂，導致密封失效。

由于軸向竄動量大、頻繁，包覆動環(huán)密封圈的聚四氟烯材料易脫落，且氟橡膠抗酚水性、沖擊性差，易使密封圈老化變形、碎裂，導致密封失效。

3.3 動靜環(huán)密封圈材料選用不合理

動靜環(huán)密封圈材料為氟橡膠，外表包覆2層聚四氟乙烯材料，氟橡膠耐溫性好、耐老化、氣密性好、伸長率高，但抗沖擊性差、抗酚水能力差，在酚水中易受侵害發(fā)脆。

3.4 機械密封彈簧選用不合理

機械密封的彈性元件為周向布置的多圓柱螺旋彈簧。由于彈簧較細，在葉輪轉子的軸向竄動下，使用一段時間后彈簧磨損變形并有部分斷裂，使總彈簧力不足，動靜環(huán)摩擦副受力不均，密封面貼合不好致使機械密封產生泄漏。

3.5 軸套材料不適合

與機械密封動環(huán)密封圈配合表面的粗糙度、硬度達不到使用要求，耐磨性差。由于動環(huán)密封圈逐漸脆化、開裂，在軸套上滑動時加劇了軸套的磨損，出現磨蝕現象，軸套使用1個月就報廢。

4 改造措施

(1) 將串聯雙端面密封改為單端面密封。

拆除葉輪端機械密封及靜環(huán)座,將靜環(huán)座改為密封結構,保證軸套與密封之間的間隙為0.15～0.25 mm，從而把雙端面機械密封改為單端面機械密封，減少1對摩擦副，減少能量損失，同時也降低備件費用和裝配難度。

(2) 取消機械密封冷卻水，增設機械密封清洗冷卻平衡管。

由于取消一級機械密封，機械密封腔內壓力升至泵工作出口壓力，單端面密封不能滿足工作壓力。因此，從機械密封腔內配1根DN15管至泵入口，以降低腔內壓力至接近泵入口壓力;同時，作為葉輪平衡管減少軸向竄動。冷卻、清洗機械密封，從泵出口配1根DN10管至機械密封腔內并用針型閥和壓力表控制，以保證機械密封腔內介質具有流動性。

(3) 更換機械密封型號及動靜環(huán)、密封圈材料。

由于原機械密封結構材料不適用泵工況及介質，且價格昂貴，因此將機械密封更換為成都流體密封件廠生產的59B-60MKSiC5型機械密封。將O形氟橡膠動環(huán)密封圈改為耐酚水性好、具有磨損補償性的聚四氟乙烯楔形環(huán)，O形氟橡膠靜環(huán)密封圈改為耐酚水性好、可重復使用的聚四氟乙烯矩形環(huán)；原機械密封動靜環(huán)材料由硬質碳化鎢合金、不銹鋼改為單一成型、硬度高、導熱性好、化學穩(wěn)定性好和組對性好的石墨碳化硅，使動靜環(huán)之間的摩擦因數減小，自潤滑性能增強，減小摩擦損耗及增強抗酚水性能，達到長周期運行的目的。

(4) 改變軸套結構尺寸，對磨擦部位進行特殊處理，適用于更換機械密封的要求。

由于原軸套不能滿足使用要求，所以對其結構進行調整。動環(huán)密封圈處楔形環(huán)裝入后變形較大，將軸套外徑由64.95～65.15 mm改為64.85～64.90 mm；楔形環(huán)裝配處,長30 mm的表面進行0.20 mm厚的熱噴涂硬質合金處理,經研磨使此處軸套表面粗糙度達0.8, 洛氏硬度達50HRC～60HRC,從而減小楔形環(huán)與軸套的摩擦因數,增加軸套耐磨性；軸套中間段內徑由 51 mm改為53 mm,軸套與軸的3個配合位置改為2個，由于取消內機械密封，為保證單端面機械密封裝配精準定位，因此，在軸套外徑增設機械密封定位臺階(在靠葉輪端，距離35 mm處增設5 mm厚的機械密封定位臺階),使機械密封達到裝配要求。改造后的機械密封裝配結構圖見圖2。

1—軸套；2—靜環(huán)；3—矩形環(huán)；4—楔形環(huán)；5—墊片；6—泵出口至機封管子(包括壓力表、針型閥)；7—迷宮環(huán)；8—泵殼；9—動環(huán)座；10—動環(huán)；11—機封至泵入口管線；12—壓蓋；13—軸套噴焊硬質合金。圖2 改造后的機械密封裝配結構圖

5 改造效果

改造前后煤氣水泵檢修情況對比見表3。自從對該型號泵的機械密封、軸套進行改造及增設冷卻清洗、平衡管后，泵機械密封運行周期由1個月延長至6個月以上，年消耗機械密封由12套下降至1～2套，軸套使用周期由1個月延長至2 a以上,年消耗軸套由8個下降至0.5個以下,機械密封價格由5 400元/套(119B/119B-60型)下降為470元/套(59B-60型),軸套價格由1 200元/個下降為800元/個。

表3 改造前后煤氣水泵檢修情況對比

通過技術改造后，每年為公司節(jié)約備件消耗費用近7萬元，同時減少檢修人工投入及置換排酚水次數,減少了頻繁停車對設備造成的損傷。

6 結語

通過對煤氣水泵機械密封進行改造，使該泵的運行周期有了顯著提高，降低了檢修費用，減少檢修勞動強度，降低了生產成本，減少了由于泄漏對環(huán)境造成的污染，為系統(tǒng)設備的長周期運行打下良好的基礎，取得了較好的經濟效益和社會效益。