堿液循環(huán)泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)
2018-08-14 16:30:04
乙烯裝置壓縮系統(tǒng)(system)濃堿液循環(huán)泵是堿洗塔的塔底循環(huán)泵，它將經(jīng)裂解氣堿洗過的堿液輸送到塔頂，使堿液循環(huán)使用。該泵在實(shí)際運(yùn)行中，頻繁發(fā)生泄漏，機(jī)械密封在安裝運(yùn)行一周左右開始微漏，1～2個(gè)月內(nèi)泄漏量增大，沒有辦法繼續(xù)使用。嚴(yán)重影響(influence)了裝置的環(huán)保達(dá)標(biāo)和長(zhǎng)期穩(wěn)定(wěn dìng)運(yùn)行。
1 基本情況：
該泵為單吸懸臂臥式離心泵，主要技術(shù)參數(shù)如下表：
介質(zhì)成份
含膠狀、顆粒雜質(zhì)的20%NaOH液體
介質(zhì)溫度
45℃
介質(zhì)粘度
1070CP
流量
30m3/h
揚(yáng)程
18m
吸入壓力
1.078MPa
排出壓力
1.272MPa
軸功率
2.7KW
馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)
2950r/m
將失效后的克蘭機(jī)械密封解體，其損壞情況(Condition)如下：
(1)動(dòng)環(huán)和動(dòng)環(huán)座、軸套間的間隙被阻塞
(2)動(dòng)環(huán)和靜環(huán)有環(huán)狀磨損（零部件失效的一種基本類型）痕跡
(3)密封腔內(nèi)有焦?fàn)罹酆衔铩㈩w粒等雜質(zhì)和結(jié)晶物
(4)彈簧銹蝕嚴(yán)重，被雜質(zhì)和結(jié)晶物卡澀，彈性不足
2 失效分析(Analyse)：
一般造成密封失效的主要原因有端面液膜失效、材料與介質(zhì)(起決定作用的物質(zhì))不相容，以及制造和安裝問題等。端面比壓是機(jī)械密封的重要性能參數(shù)，端面比壓要在設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)(內(nèi)裝式機(jī)械密封一般為0.2 MPa～0.4 MPa),以保證機(jī)械密封端面良好配合，使密封面間形成有效液膜。
Fb(端面受力)= Ft(彈簧力)+Fp(介質(zhì)(起決定作用的物質(zhì))作用壓力)-Fm(液膜作用壓力),端面比壓的計(jì)算公式為：
Pb=Pt +Pp-Pm
Pb=Pt +(K-λ)P
其中: d2=50mm d1=32mm d2=38mm
彈簧比壓 Pt =Ft(彈簧力)/[π/4(d22-d02)]=0.3MPa(廠家設(shè)計(jì)值)
載荷系數(shù) K =(d22-d02)/(d22-d12)=0.715
膜壓系數(shù) λ=0.742
介質(zhì)(起決定作用的物質(zhì))壓力 P=0.45 MPa
可以計(jì)算出原 8B1-P型機(jī)械密封端面比壓 Pb 為0.28 MPa,是符合設(shè)計(jì)規(guī)范的, 在正常工作條件下是能夠滿足生產(chǎn)要求的。這和實(shí)際情況相吻合,在使用初期機(jī)械密封并不泄漏,那導(dǎo)致(cause)其失效的原因又是什么呢?這就必須從機(jī)械密封的工作環(huán)境入手,進(jìn)行綜合分析。
由于該泵處于堿洗塔底部，管道和設(shè)備的銹蝕物以及裂解氣中的雜質(zhì)和重組份聚合物都沉積在塔底，同時(shí)塔內(nèi)NaOH與H2S和CO2組分發(fā)生反應(yīng)，生成的Na2
S、Na2CO3會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶物。泵入口濾網(wǎng)原為40目，在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常堵塞，使泵抽空，我們把濾網(wǎng)改為20目,基本解決了入口堵塞問題,這同時(shí)也造成進(jìn)入泵體內(nèi)的堿液含有大量的雜質(zhì)和結(jié)晶物，由于采用自身沖洗方式，這些雜質(zhì)和結(jié)晶物不可避免地沉積于密封腔內(nèi)。使動(dòng)環(huán)和動(dòng)環(huán)座、軸套間的間隙被阻塞，導(dǎo)致(cause)動(dòng)環(huán)在軸向的動(dòng)作不靈活甚至被卡死，彈簧被腐化侵蝕 卡澀，彈性不足，不能提供原設(shè)計(jì)0.28 MPa的端面比壓，導(dǎo)致密封面不能良好地貼和,液膜平衡被破壞(vandalism),這時(shí)密封就會(huì)出現(xiàn)微漏，隨著結(jié)晶物和雜質(zhì)顆粒進(jìn)入摩擦副端面，密封面逐漸被磨損（零部件失效的一種基本類型），再加上動(dòng)環(huán)軸向補(bǔ)償不靈，造成密封泄漏量增加，最終導(dǎo)致密封徹底失效。
3 改進(jìn)措施
根據(jù)密封的失效原因，我們有針對(duì)性地從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了技術(shù)改造：
(1) 改變密封結(jié)構(gòu)形式
由于介質(zhì)(起決定作用的物質(zhì))是含有雜質(zhì)的堿液，從密封結(jié)構(gòu)上來看采用靜環(huán)補(bǔ)償比原設(shè)計(jì)的動(dòng)環(huán)補(bǔ)償更為適合。上海凱泉泵業(yè)集團(tuán)有限公司性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、 揚(yáng)程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)不同的工作原理可分為 容積水泵、葉片泵等類型。 容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量； 葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來傳遞能量，有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類型。根據(jù)該泵的具體工況條件，我們選用了單端面機(jī)械密封(集裝式)，其主要特性如下:
l 通過自動(dòng)鎖緊環(huán)實(shí)現(xiàn)精確定心。上海凱泉泵業(yè)集團(tuán)有限公司是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械。它將原動(dòng)機(jī)的 機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括 水、油、酸堿液、 乳化液、懸乳液和 液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。
l 可調(diào)節(jié)式壓蓋可直接配合常用螺栓使用,集裝式結(jié)構(gòu)安裝方便。
l 靜環(huán)和軸套的間隙不在介質(zhì)(起決定作用的物質(zhì))側(cè)，保證了靜環(huán)軸向補(bǔ)償?shù)撵`活性。
l 彈簧位于輔助密封圈外側(cè)，與介質(zhì)完全隔開，避免了彈簧的腐化侵蝕 和卡澀。上海凱泉由于葉輪進(jìn)口不可能形成絕對(duì)真空，因此離心泵吸水高度不能超過10米，加上水流經(jīng)吸水管路帶來的沿程損失，實(shí)際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠(yuǎn)小于10米。
(2) 改變摩擦副材料品質(zhì)，去除密封沖洗
卡式密封動(dòng)環(huán)和靜環(huán)材料均采用碳化鎢，碳化鎢具有極高的強(qiáng)度和硬度，良好的耐磨性和抗腐蝕性，這就使雜質(zhì)和結(jié)晶物難以對(duì)其造成損壞，同時(shí)碳化鎢摩擦副具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，線性膨脹系數(shù)很小，使其能夠在比較高的溫度下保持良好的密封性。輔助密封環(huán)材質(zhì)我們選用氟橡膠FPM2461，它耐腐蝕、彈性好，最高工作溫度為250℃。
由于堿液中含有雜質(zhì)和結(jié)晶物,原機(jī)封采用的自身反沖洗形式難以達(dá)到預(yù)期的目的,生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)又無適合作沖洗液的其它介質(zhì)。有上述條件作保證，再加上介質(zhì)工作溫度不高(45℃)，卡式機(jī)械密封在去除自沖洗的條件下，完全可以正常運(yùn)行，這既能降低沖洗帶來的能耗、物耗損失，又能簡(jiǎn)化機(jī)械密封的日常維護(hù)。
兩臺(tái)泵自2001年1月開始使用卡式集裝式機(jī)械密封，從現(xiàn)場(chǎng)情況(Condition)來看密封效果非常好，運(yùn)行至今仍沒有任何泄漏跡象，使用的時(shí)長(zhǎng)達(dá)到了2年以上。原機(jī)封每套價(jià)格為960元，兩年內(nèi)僅機(jī)封備件費(fèi)就節(jié)約1萬余元，原設(shè)計(jì)泵沖洗水流量為6L/min，通過去除沖洗水每年節(jié)約循環(huán)水3000余噸,經(jīng)濟(jì)(jīng jì)效益是顯而易見的。
4 結(jié)束語
通過對(duì)堿泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的合理選型，結(jié)合選用合適的摩擦副、輔助O型圈材料品質(zhì)，提高了機(jī)械密封的使用性能，使之在去除密封沖洗的條件下，仍能穩(wěn)定(wěn dìng)工作。上海凱泉泵業(yè)集團(tuán)有限公司是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械。它將原動(dòng)機(jī)的 機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括 水、油、酸堿液、 乳化液、懸乳液和 液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。上海凱泉泵業(yè)集團(tuán)有限公司性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、 揚(yáng)程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)不同的工作原理可分為 容積水泵、葉片泵等類型。 容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量； 葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來傳遞能量，有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類型。降低了設(shè)備(shèbèi)維護(hù)和維修費(fèi)用，保證了裝置的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。