堿液循環泵機械密封失效分析及改進
2018-08-14 16:30:04
乙烯裝置壓縮系統(system)濃堿液循環泵是堿洗塔的塔底循環泵，它將經裂解氣堿洗過的堿液輸送到塔頂，使堿液循環使用。該泵在實際運行中，頻繁發生泄漏，機械密封在安裝運行一周左右開始微漏，1～2個月內泄漏量增大，沒有辦法繼續使用。嚴重影響(influence)了裝置的環保達標和長期穩定(wěn dìng)運行。
1 基本情況：
該泵為單吸懸臂臥式離心泵，主要技術參數如下表：
介質成份
含膠狀、顆粒雜質的20%NaOH液體
介質溫度
45℃
介質粘度
1070CP
流量
30m3/h
揚程
18m
吸入壓力
1.078MPa
排出壓力
1.272MPa
軸功率
2.7KW
馬達轉數
2950r/m
將失效后的克蘭機械密封解體，其損壞情況(Condition)如下：
(1)動環和動環座、軸套間的間隙被阻塞
(2)動環和靜環有環狀磨損（零部件失效的一種基本類型）痕跡
(3)密封腔內有焦狀聚合物、顆粒等雜質和結晶物
(4)彈簧銹蝕嚴重，被雜質和結晶物卡澀，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(起決定作用的物質)不相容，以及制造和安裝問題等。端面比壓是機械密封的重要性能參數，端面比壓要在設計的范圍之內(內裝式機械密封一般為0.2 MPa～0.4 MPa),以保證機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(起決定作用的物質)作用壓力)-Fm(液膜作用壓力),端面比壓的計算公式為：
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(廠家設計值)
載荷系數 K =(d22-d02)/(d22-d12)=0.715
膜壓系數 λ=0.742
介質(起決定作用的物質)壓力 P=0.45 MPa
可以計算出原 8B1-P型機械密封端面比壓 Pb 為0.28 MPa,是符合設計規范的, 在正常工作條件下是能夠滿足生產要求的。這和實際情況相吻合,在使用初期機械密封并不泄漏,那導致(cause)其失效的原因又是什么呢?這就必須從機械密封的工作環境入手,進行綜合分析。
由于該泵處于堿洗塔底部，管道和設備的銹蝕物以及裂解氣中的雜質和重組份聚合物都沉積在塔底，同時塔內NaOH與H2S和CO2組分發生反應，生成的Na2
S、Na2CO3會產生結晶物。泵入口濾網原為40目，在實際生產中經常堵塞，使泵抽空，我們把濾網改為20目,基本解決了入口堵塞問題,這同時也造成進入泵體內的堿液含有大量的雜質和結晶物，由于采用自身沖洗方式，這些雜質和結晶物不可避免地沉積于密封腔內。使動環和動環座、軸套間的間隙被阻塞，導致(cause)動環在軸向的動作不靈活甚至被卡死，彈簧被腐化侵蝕 卡澀，彈性不足，不能提供原設計0.28 MPa的端面比壓，導致密封面不能良好地貼和,液膜平衡被破壞(vandalism),這時密封就會出現微漏，隨著結晶物和雜質顆粒進入摩擦副端面，密封面逐漸被磨損（零部件失效的一種基本類型），再加上動環軸向補償不靈，造成密封泄漏量增加，最終導致密封徹底失效。
3 改進措施
根據密封的失效原因，我們有針對性地從以下幾個方面進行了技術改造：
(1) 改變密封結構形式
由于介質(起決定作用的物質)是含有雜質的堿液，從密封結構上來看采用靜環補償比原設計的動環補償更為適合。上海凱泉泵業集團有限公司性能的技術參數有流量、吸程、 揚程、軸功率、水功率、效率等；根據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。根據該泵的具體工況條件，我們選用了單端面機械密封(集裝式)，其主要特性如下:
l 通過自動鎖緊環實現精確定心。上海凱泉泵業集團有限公司是輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的 機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 可調節式壓蓋可直接配合常用螺栓使用,集裝式結構安裝方便。
l 靜環和軸套的間隙不在介質(起決定作用的物質)側，保證了靜環軸向補償的靈活性。
l 彈簧位于輔助密封圈外側，與介質完全隔開，避免了彈簧的腐化侵蝕 和卡澀。上海凱泉由于葉輪進口不可能形成絕對真空，因此離心泵吸水高度不能超過10米，加上水流經吸水管路帶來的沿程損失，實際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠小于10米。
(2) 改變摩擦副材料品質，去除密封沖洗
卡式密封動環和靜環材料均采用碳化鎢，碳化鎢具有極高的強度和硬度，良好的耐磨性和抗腐蝕性，這就使雜質和結晶物難以對其造成損壞，同時碳化鎢摩擦副具有優良的導熱性，線性膨脹系數很小，使其能夠在比較高的溫度下保持良好的密封性。輔助密封環材質我們選用氟橡膠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和結晶物,原機封采用的自身反沖洗形式難以達到預期的目的,生產現場又無適合作沖洗液的其它介質。有上述條件作保證，再加上介質工作溫度不高(45℃)，卡式機械密封在去除自沖洗的條件下，完全可以正常運行，這既能降低沖洗帶來的能耗、物耗損失，又能簡化機械密封的日常維護。
兩臺泵自2001年1月開始使用卡式集裝式機械密封，從現場情況(Condition)來看密封效果非常好，運行至今仍沒有任何泄漏跡象，使用的時長達到了2年以上。原機封每套價格為960元，兩年內僅機封備件費就節約1萬余元，原設計泵沖洗水流量為6L/min，通過去除沖洗水每年節約循環水3000余噸,經濟(jīng jì)效益是顯而易見的。
4 結束語
通過對堿泵機械密封結構的合理選型，結合選用合適的摩擦副、輔助O型圈材料品質，提高了機械密封的使用性能，使之在去除密封沖洗的條件下，仍能穩定(wěn dìng)工作。上海凱泉泵業集團有限公司是輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的 機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。上海凱泉泵業集團有限公司性能的技術參數有流量、吸程、 揚程、軸功率、水功率、效率等；根據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。降低了設備(shèbèi)維護和維修費用，保證了裝置的連續穩定生產。