催化油浆泵机械密封失效分析及解决措施

来源:用户上传      作者: 陈文龙

　　【摘要】分析了油浆泵波纹管机械密封在输送油浆介质下容易泄漏的主要原因，综合机械密封的工作原理，对该机械密封进行了有效的、合理的改进。改造后的机械密封运行良好。
　　【关键词】油浆泵 机械密封 改造
　　油浆泵是某公司催化裂化FCC装置用以输送含有催化剂颗粒的塔底泵。该泵型号为100PYS2130，单级悬臂离心泵，轴功率75kW，流量45.5m3/h，扬程130m。输送介质为油浆，介质温度370℃，泵吸入口压力为0.2MPa。虽然该泵一直使用的是焊接波纹管机械密封，但由于工况介质等诸多因素的影响，该泵在实际使用过程中，机械密封经常发生泄。据统计，机械密封使用寿命最短的时间为15天， 平均使用寿命为4个月左右， 严重影响了工艺装置的正常生产。为彻底消除隐患，笔者对该泵的机械密封系统进行了分析及改造，提高了机械密封的运行周期，确保了装置平稳生产。
　　一、故障原因分析
　　催化油浆泵中的机械密封是DBM290焊接波纹管机械密封，该密封结构特点为： 静止式金属波纹管结构； 动环与轴套法兰、螺钉连接； 动环摩擦副低膨胀合金镶嵌，静环摩擦副为浸锑石墨； 叶轮压紧轴套实现轴套密封垫的密封。油浆泵的工作介质为催化油浆，介质温度高且含有催化剂等固体颗粒，运行工况比较恶劣。通过数次检修及对原机械密封的解剖分析，发现机械密封失效泄漏的原因主要有以下几个方面。
　　摩擦副磨损。DBM290焊接波纹管机械密封静环摩擦副采用的材料是浸锑石墨，拆检发现静环摩擦副磨损严重且内外缘有缺口。通过试验发现， 机械密封的端面比压受波纹管的有效直径的影响，而有效直径是随压力的变化而改变。由于压力过大，导致摩擦副过度磨损引起泄漏。同时油浆中含有固体催化剂颗粒其含量为一般不大于6g/L， 生产不正常时为12g/L 左右， 在操作中工艺条件稍有波动， 催化剂颗粒会进人密封面内，划伤了动环密封面，并破坏了液膜的连续性，从而引起泄漏。正常密封时，密封面处于边界润滑或半液体润滑状态，两表面被一层边界膜分开。当密封面间混有催化剂颗粒或静环密封面上有磨损时，两密封面间液膜厚度明显增厚，从而导致了油浆大量泄漏。
　　摩擦副表面热裂纹。拆捡发现摩擦副的硬质合金环出现由硬面中心向外发散的许多粗细不一的径向裂纹。焊接波纹管的硬质合金环与环座两种材料的膨胀系数存在差别，在机械密封冷却水压力不稳定或温度发生较大变化时容易产生局部高温，从而导致局部热应力过大，合金环表面热裂引起密封失效。
　　波纹管内侧波谷部位的软焦块。温度高、密度大、含有固体颗粒是油浆生成软焦块主要原因。该泵在370℃的工况下使用，油浆会慢慢沉淀或凝固在波纹管的缝隙中形成软焦块。随着时间的推移，波纹管缝隙内的软焦块使得波纹管不能进行轴向拉伸、压缩，失去弹性。这样，波纹管就无法提供随介质压力变化的轴向作用力，起不到补偿作用，使端面液膜压减小，造成液膜反压系数下降， 以致于端面比压下降， 引起密封失效。
　　轴套密封垫易发生泄漏。DBM90密封传动方式为键传动，轴套密封是靠叶轮压紧轴套内的轴套垫来实现的。造成轴套密封垫泄漏的原因主要有：a. 叶轮发生反转或泵体预热温度过快造成叶轮锁紧螺母松动，使得密封垫无法压紧而泄漏；b. 在安装过程中，轴套密封垫内进入杂质，使其密封性能失效而泄漏。
　　二、解决措施
　　开槽斜面挤紧轴套式密封结构。针对密封轴套垫的泄漏，采取了开槽斜面挤紧轴套式密封结构。这种定位传动可靠，安装、拆卸方便且不伤轴。另外，还设置了限位板，便于泵外调整密封的压缩量。波纹管内径一处设一45°斜角，以分散应力，延长波纹管寿命。辅助密封采用柔性石墨替代其他密封材料，可以承受高达425℃的高温。
　　采用耐磨摩擦副材料。由于油浆泵介质含有固体颗粒， 所以在摩擦副动环表面喷涂了氧化铬（Cr2O3 ） ，静环材料选用YG6，该配合属于“硬质合金-硬质合金”形式。由于二者硬度不同，既可防止动静环密封面同时损伤，又避免了产生热裂现象。针对高温环境下密封环镶嵌结构容易脱落的现象，改用整体结构密封环。密封压缩量定为3.4mm，有效降低了密封面过多的摩擦热。
　　金属波纹管作为旋转动环。原来所用的机械密封为静止式结构，油浆极易在波纹管缝隙生成焦块。为了防止机械密封波纹管缝隙结焦，笔者将金属波纹管设计成旋转型结构。旋转式波纹管密封在旋转离心力作用下可以自身清洗波纹管，减少波纹管外围沉积和内侧结焦，并能防止因急冷造成的波纹管变形。
　　改善密封的冷却、冲洗效果。高温油浆泵由于介质温度高，加之短时间的机械负荷或热负荷的作用，使得密封面间稳定液膜转变为蒸汽状态，这转变过程中的温差产生了辐射状径向小裂纹。为了改善密封摩擦副的冷却效果，将循环水冷却改用轻柴油冷却并将原来密封压盖的进、出冷却孔直径增加2mm，这样避免了冷却介质的汽化且流量增加一倍，大大改善了冷却效果。为了避免催化剂颗粒粘结，堵塞冲洗管通道，将冲洗孔直径由5mm增大到7mm，冲洗压力控制在0.5MPa。通过自冲洗的改进，有效地控制了密封端面温升，增大液相面积，改善了摩擦状态。
　　三、结束语
　　通过对油浆泵机械密封的失效原因分析，从其材料及结构等方面进行了有效改进。目前，改造后的油浆泵已应用于工业生产中。改造前该泵有效运行时间平均为4个月左右，改造后，该泵连续运行最长可达8 000h，期间经过长周期高负荷运行和频繁的切换运行而无泄漏故障。通过对油浆泵机械密封的改造及应用，不仅解决了影响装置稳定运行的难题，而且还产生了较大的经济效益。由此可见，催化装置油浆泵机械密封的改造是成功的。
　　参考文献：
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