水煤漿氣化激冷水泵機械密封泄漏原因分析及對策

高海松，鄭 軍

(中石化齊魯分公司第二化肥廠，山東淄博 255400)

1 激冷水泵工藝流程

水煤漿和氧氣經德士古燒嘴充分混合霧化后進入氣化爐燃燒室，在約1 400 ℃條件下進行氣化反應，生成以CO和H2為有效成分的粗合成氣，粗合成氣和熔融灰渣一起向下，經均布激冷水的激冷環，沿下降管進入激冷室的水浴中。激冷水泵從洗滌塔中抽取黑水送至氣化爐激冷環和文丘里洗滌器，激冷水(7.2 MPa，248 ℃，156.8 t/h)經激冷水過濾器濾去可能堵塞激冷環的固體顆粒，然后送入位于下降管上部的激冷環，激冷水呈螺旋狀沿下降管的管壁流下，進入激冷室。從激冷室出來的合成氣進入文丘里洗滌器，與從激冷水泵來的洗滌塔黑水混合，使合成氣夾帶的固體顆粒完全濕潤，以便在洗滌塔內能徹底脫除。激冷水泵工藝流程見圖1。

圖1 激冷水泵工藝流程

激冷水泵的運行狀態將會直接影響氣化爐的安全運行。2008年10月24日煤氣化裝置開車以來，共發生2次因激冷水泵出現問題而導致的氣化爐停車事故，其中一次是因為機械密封泄漏量太大。由于激冷水中含灰渣較多，當運行泵出現問題需要啟動備用泵時，備用泵入口管線內的灰渣就會進入激冷環，導致激冷環壓差升高，其后果就是激冷水水量受限，氣化爐無法高負荷運行。若管道有結垢的情況，則故障泵出入口切斷閥關不嚴，可能導致故障泵不能安全切出檢修，最終結果是氣化爐被迫停車。因此，激冷水泵的安全穩定運行成為制約氣化爐長周期運行的瓶頸。

2 機械密封簡介

機械密封是一種旋轉軸用的接觸式動密封，其在流體介質和彈性元件的作用下，2個垂直于軸心線的密封端面緊貼著相對旋轉，從而達到密封的效果。其優點是密封性能可靠、泄漏量極小、摩擦功率損耗小、工作狀況穩定、緩沖性好、使用周期長以及使用范圍廣，可適用于多種工況；其缺點是結構復雜、制造精度高、裝配要求高、維修不方便以及價格高。通用離心泵機械密封種類繁多，型號各異，但它們的泄漏都表現在制造質量不好、安裝質量不穩定、工藝操作不當及工況的改變等[1]。機械密封泄漏點主要有五處：軸套與軸間的密封處，動環與軸套間的密封處，摩擦副即動、靜環間的密封處，對靜環與靜環座間的密封處，密封端蓋與泵體間的密封處[2-3]。

機械密封主要元件結構示意見圖2，機械密封的泄漏與它們的運行狀態有關系。

圖2 機械密封主要元件結構示意

機械密封的故障主要表現在以下幾個方面：①密封端面的故障，如磨損和熱裂等；②彈簧的故障，如松弛、斷裂和腐蝕等；③輔助密封圈的故障，如有裂口、碰傷、變形、硬化和變質等；④間隙配合不好。

3 激冷水泵機械密封泄漏原因分析

3.1 工藝及操作方面的原因

3.1.1 設計原因

在氣化爐投料前，洗滌塔壓力要求小于0.4 MPa(一般為了一次投料成功壓力都控制在0.1 MPa 以下)，但從除氧器經洗滌塔給料泵補至洗滌塔的高壓灰水溫度達到了120 ℃。由于高壓灰水飽和蒸汽壓大于泵入口壓力，進入洗滌塔的高壓灰水就不可避免地發生汽蝕，對泵體尤其是機械密封造成嚴重損害。另外，為了保證系統中氧體積分數低于0.5%，投料之前需要對系統進行氮氣置換。當洗滌塔液位過高時，充入的大量氮氣無法進行有效分離，會造成塔內冷水夾帶大量氣泡。

3.1.2 操作原因

激冷水泵檢修后，其機械密封壽命不長，甚至有一次氣化爐剛投料完成就發生較大量的泄漏(使用壽命僅2 h)。這與投用時的操作密切相關，主要表現在以下方面：①密封水閥、泵入口閥的打開順序不正確。正確的順序是首先打開泵體排氣閥，然后投用密封水閥，最后打開泵入口閥。由于該泵操作時一般約4人共同完成，在沒有統一的指揮時，常會發生密封水閥還未開而泵入口閥已打開的情況，導致約 240 ℃的激冷水進入機械密封腔體，損壞輔助密封；再加上激冷水中固含量高，泵運行時加劇摩擦副的磨損，導致機械密封短期失效。②閥門開得太快、開度太大。在此情況下，因泵內還沒有壓力，大量高壓密封水直接沖入密封腔體，摩擦副端面脫開，損壞機械密封，此類事故也曾有發生。③由于原始設計機械密封沖洗水管線缺少流量計，操作人員投用機械密封沖洗水時沒有一個定量的概念。當沖洗水量不足時，摩擦副長期運行后發生磨損而造成泄漏。

3.2 泵體方面原因

3.2.1 暖泵線故障

由于激冷水溫度高，之前暖泵線經常堵塞，造成備用泵自啟時不能充分暖泵，泵部件在溫度急劇升高的情況下產生裂紋，從而引起泵體振動過大，最終結果就是造成密封損壞。

3.2.2 泵振動過大

動平衡不良、軸承損壞、摩擦、汽蝕、基礎松動等原因都可能引起泵體振動過大，過大的振動不可避免地會對機械密封使用造成不良影響。

3.3 密封質量原因

激冷水泵采用單端面高壓機械密封，有幾次故障后，拆卸集裝式機械密封，發現聚四氟乙烯環有高溫磨損現象。

4 機械密封失效對策

4.1 改進操作方法

正常生產時，除氧器至洗滌塔的水溫在125 ℃左右，盡可能降低洗滌塔的溫度是最好、最直接的方法。除氧器的熱源主要有脫鹽水和凈化裝置來的低壓冷凝液，但是為了保證凈化裝置液位的穩定和環保的要求，低壓冷凝液已基本不再調節，而且為了保障系統水質，精制水不宜減少。經協商，決定在氣化爐投料時采用高壓灰水泵提供的事故激冷水進行開車，當系統壓力升高到0.2 MPa后再啟動激冷水泵，從根源上消除了泵汽蝕的可能。

4.2 嚴格按照操作規程操作

在開泵前，先打開排氣閥，再打開密封沖洗水閥，并控制密封水壓高于入口壓力0.05 MPa，最后打開泵入口閥。

4.3 暖泵線改造

激冷水泵的暖泵線是泵出口單向閥跨線。該跨線設計采用DN 25 mm管線且彎頭較多，由于黑水中灰渣較多，暖泵線極易堵塞而造成備用泵不熱備。若泵因故自啟，泵體部件如導葉、襯板、葉輪等會因熱應力產生損壞，由此產生的過大振動會對機械密封造成致命損壞。技術人員對暖泵線實施了改造，一方面減少暖泵線的長度并減少彎頭數；另一方面在暖泵線上增加中壓鍋爐水作為沖洗水，當暖泵線堵塞時，打開沖洗水進行疏通，可保證備用泵時刻處于備用狀態。

4.4 機械密封改進

因機械密封聚四氟乙烯環有高溫磨損現象而造成密封失效，與密封生產廠家溝通后進行改造?，F采用耐溫300 ℃的全氟醚O形密封圈代替聚四氟乙烯環。

4.5 機械密封沖洗水管線增加流量計

在機械密封沖洗水切斷閥后增加了轉子流量計，操作時控制沖洗水量在1.0～1.5 m3/h，避免沖洗水量太小而失去沖洗效果。

5 結語

煤氣化激冷水泵機械密封泄漏的原因是多方面的，要解決這個生產難題不僅要從機械密封本身查找原因，更要從其所處的工藝條件著手，另外操作問題、檢修質量也會對其造成一定影響。只有不斷在實踐中發現問題、總結經驗，才能找到機械密封失效的原因，從而采取有效的措施解決問題，保障激冷水泵的安全、可靠運行。

參考文獻

[1] 顧中華.4112-P3激冷水泵機械密封失效原因分析及對策[J].機械，2009，36(9)：74- 77.

[2] 彭德遲，余良旺.水泵機械密封失效分析及對策[J].給水排水，2006，32(5)：90- 92.

[3] 王彥海，周夏.離心式熱氨泵機械密封失效原因分析及改造措施[J].化肥工業，2008，35(2)：62- 63.