貧甲醇泵機(jī)械密封失效原因分析及改進(jìn)

董大為，侯留松，陳玉超

(河南晉開(kāi)化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南開(kāi)封 475000)

貧甲醇泵以其能源利用率高、技術(shù)成熟等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外合成氨、合成甲醇的工藝設(shè)備中[1-2]。貧甲醇泵是低溫甲醇洗崗位為甲醇循環(huán)提供動(dòng)力的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行穩(wěn)定是工藝系統(tǒng)正常作業(yè)的關(guān)鍵[3]；由于貧甲醇具有易燃易爆的特點(diǎn)，一旦發(fā)生泄漏，將極大地影響生產(chǎn)安全。一些專業(yè)技術(shù)人員針對(duì)貧甲醇泵的密封問(wèn)題通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)[4-5]、改進(jìn)安裝技術(shù)[6]和應(yīng)用新型密封方式[7]等來(lái)提高其密封的使用壽命。現(xiàn)針對(duì)河南晉開(kāi)化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱晉開(kāi)化工)二分公司貧甲醇泵機(jī)械密封壽命短(3個(gè)月左右)、失效周期與檢修時(shí)間不匹配進(jìn)而嚴(yán)重影響正常施工的現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)貧甲醇泵密封失效情況進(jìn)行分析，提出在不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，僅改變配合關(guān)系和密封件材質(zhì)的方式，可大幅提高其機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的使用壽命。

1 機(jī)械密封原理

以晉開(kāi)化工二分公司凈化車間GSG 200- 400(S)(S)(Bd)- x4型筒袋式貧甲醇泵為例，對(duì)其高低壓端機(jī)械密封失效原因進(jìn)行分析。該泵為4級(jí)離心泵，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為2 980 r/min，流量為509 m3/h，入口壓力為0.4 MPa，揚(yáng)程為678 m，工作溫度為101.9 ℃。

機(jī)械密封亦稱為端面密封，是靠一對(duì)或數(shù)對(duì)垂直于軸作相對(duì)滑動(dòng)的端面，在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力作用下，依賴輔助密封的配合與另一端保持貼合并相對(duì)滑動(dòng)，從而防止泄漏。貧甲醇泵機(jī)械密封為串聯(lián)式雙端面機(jī)封，該機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

1.軸套 2,4,6.O形圈 3,8.靜環(huán) 5.壓蓋 7.動(dòng)環(huán)F1，F(xiàn)2.機(jī)械密封圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意

沖洗方案一：從泵排出口引入介質(zhì)經(jīng)過(guò)限流孔板進(jìn)入機(jī)械密封F1、F2，對(duì)泵體側(cè)機(jī)械密封沖洗。

沖洗方案二：外設(shè)緩沖管對(duì)外側(cè)機(jī)封提供緩沖液。

2 失效形式

通過(guò)把密封失效的貧甲醇泵拆卸，發(fā)現(xiàn)密封失效主要是由密封圈的失效引起的，其失效后的形態(tài)如圖2所示：

圖2 失效后的密封圈形態(tài)

由圖2可以看出，密封失效的密封圈變硬脆化呈矩形狀，接觸表面有徑向裂紋，表面硬化反光，密封圈存在明顯的變形和老化現(xiàn)象。由此判斷，密封圈失效是引起密封泄漏的主要原因。

3 密封圈失效原因分析

引起密封圈失效的原因主要有永久變形、間隙咬傷、磨損、焦耳熱等。通過(guò)對(duì)貧甲醇泵內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)受力、受熱及運(yùn)動(dòng)工況分析，導(dǎo)致其失效的主要原因有以下幾個(gè)方面。

3.1 密封圈永久變形

貧甲醇泵內(nèi)流體最高溫度達(dá)到101.9 ℃，屬于高溫工作環(huán)境。高溫的條件會(huì)加速橡膠材料的老化，工作溫度越高，O形密封圈的壓縮變形量越大，也就越易形成永久變形；當(dāng)變形量大于40%時(shí)，即會(huì)形成泄漏[8]。而密封結(jié)構(gòu)所使用密封圈材料為丁腈橡膠，其在高溫條件下易引起材質(zhì)變硬，進(jìn)而導(dǎo)致密封圈彈性消失，發(fā)生泄漏。由密封圈在高溫下所導(dǎo)致的變形老化是出現(xiàn)機(jī)械密封泄漏的主要原因之一。

3.2 泵內(nèi)壓力變換影響

機(jī)械密封的密封圈主要是靜止密封，其受力方向如圖3所示。密封腔體所受壓力主要來(lái)自：泵首級(jí)葉輪處引出的密封沖洗介質(zhì)、泵入口介質(zhì)壓力、平衡裝置減壓后的壓力。密封腔體內(nèi)壓力隨工況負(fù)載變化而改變，密封圈受力改變，其壓縮量也會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)目前工況，選擇彈性形變量大、回彈能力更強(qiáng)的密封圈。

圖3 密封結(jié)構(gòu)受力示意

3.3 密封圈尺寸

密封圈線徑與密封圈溝槽尺寸的大小和配合關(guān)系決定了密封圈變形量及其接觸壓力，對(duì)密封圈的使用壽命影響至關(guān)重要。密封圈溝槽尺寸如表1所示，密封圈線徑太小，壓縮預(yù)緊力過(guò)小，泵內(nèi)介質(zhì)壓力大，會(huì)造成泄漏；密封圈線徑過(guò)大，密封圈壓縮量大，彈性形變大，易造成密封圈失效。機(jī)械密封所用密封圈溝槽寬度5.0 mm、深度3.2 mm。根據(jù)密封圈失效情況來(lái)看，O形圈預(yù)壓縮量較小，線徑偏小，在高溫下，密封圈發(fā)生線膨脹。一旦密封圈出現(xiàn)性能下降，容易出現(xiàn)泄漏。

表1 密封圈溝槽尺寸 mm

4 改進(jìn)措施

(1) 密封圈2、4、6 材質(zhì)均為丁腈橡膠，其耐高溫性能滿足不了該泵的工作環(huán)境，為更好地適應(yīng)密封結(jié)構(gòu)的高溫工況，可選擇耐溫性能更高、彈性更強(qiáng)、性能更穩(wěn)定的硅橡膠密封圈結(jié)構(gòu)。

(2) 調(diào)整橡膠密封圈線徑，根據(jù)其壓力變化和溝槽尺寸情況，將密封圈4和密封圈6的線徑由原來(lái)的3.50 mm調(diào)整為3.65 mm，將密封圈2的線徑由原來(lái)的3.40 m調(diào)整為3.55 mm。

(3) 穩(wěn)定生產(chǎn)負(fù)荷，盡量避免泵負(fù)載頻繁變化。

基于上述改進(jìn)措施，對(duì)晉開(kāi)化工二分公司凈化車間的貧甲醇泵密封結(jié)構(gòu)及保養(yǎng)方式進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的密封結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行8個(gè)月無(wú)泄漏、無(wú)失效。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)筒袋式貧甲醇泵密封結(jié)構(gòu)使用壽命短、失效頻繁等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)主要失效部件的分析，指出密封圈失效是導(dǎo)致其密封失效的主要原因，進(jìn)一步提出了對(duì)機(jī)械密封的密封件材質(zhì)和尺寸的改進(jìn)措施。通過(guò)對(duì)密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使得晉開(kāi)化工二分公司凈化車間的筒袋式貧甲醇泵機(jī)械密封使用壽命由原來(lái)的3.5個(gè)月延長(zhǎng)至8個(gè)月，使得密封結(jié)構(gòu)的維修與車間大修周期匹配，減少了停車次數(shù)，為整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)提供了保障。

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