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聚丙烯装置进料泵泄漏原因分析

2020-07-16
王溆天、荣超、段青国
  一、概述
  陕西延长中煤榆林能源化工有限公司是一个拥有30kt/a 聚丙烯生产能力的大型石化厂,开厂至今已经成长为了一个现代化的聚丙烯生产厂。其使用的 P301B 立式泵作为一种高速泵,包含了电动机、增速泵、一个强制润滑机件、循环流体密封系统等组件。自2013年12月投入使用该泵,一再发生润滑油流失、密封液与丙烯产品泄漏等故障。尽管多次修理并更换机械密封,可是效果甚微。不仅造成了大量的丙烯的损失,增加了维护成本,对车间的聚丙烯产品的稳定生产是一个很大的风险。因此,彻底解决 P301B 泵的渗漏难题是十分紧迫的。
  二、问题分析
  在使用该泵一段时间之后,密封泄漏一再发生,表现为储液装置液位迅速下降并且密封液发生轴间泄漏,临近介质一面密封摩擦副磨损严重,对机械密封件拆卸后在和密封件内部发现大量的聚丙烯悬浮微粒,见图1和图2。
  在排除了安装错误和材料选择不合理的问题后,根据具体条件对机械密封的大部分结构设计做出了分析后发现了根源,原来机械密封泄漏有以下几方面的缺陷。
  1)从工艺角度可以知道流体输送过程中确定有严重的杂质,沿轴间所造成的过大的摩擦力作用到摩擦副上就是机械密封过度泄漏和摩擦副磨损严重的主要原因。在生产车间调查后得知,由于工艺方面的要求,该泵的实际进口压力是1.8MPa,出口压力达到了5.7MPa,一直高于设计压力工作。而封液压力仍按照设定的4.4MPa,因此,就导致了密封液的压力比实际出液压力低,在悬浮的颗粒附近可以快速破坏摩擦副并造成不利影响。
  2)流体一侧固定环底座十分薄,仅为4mm,并且固定环和固定环座轴向刚性面相接触,静止环密封 O 形圈在径向上与固定环一致。通过打压测试机械密封发现,当在腔室中的压力是4.4MPa 时,台面易于变形,之后的压力超过4.4MPa,静环发 生更明显变形更容易传递到固定环内侧引起固定环的变形,与内摩擦固定环座冲突导致渗漏是内密封件渗漏的直接原因。
  (3)另外,大气一侧的密封同样存在上述问题,也有密封面端面压力过低的情况:
  由机械设计手册知,端面比压 
  pC=pS+(K-λ)pL   (1)
  式中 :pS—弹簧比压;K—载荷系数;λ—液膜反压系数;pL—内外侧介质压差。
  原机封相关结构尺寸如下:
  动环端面外径79.5mm;动环端面内径70.5mm;平衡直径 75mm。
  已知密封腔压力 pL=4.4MPa,根据设计手册推荐值取弹簧比压 pS=0.20~0.25。
  端面比压计算如下:
  载荷系数  K=(D22–D02)/(D22–D12)=0.515  (2)
  液膜反压系数  λ=(2D2+D1)/3(D2+D1)=0.51  (3)
  端面比压  pC=pS+(K-λ)pL=0.267 5MPa   (4)
  可以通过上述计算得到表面压力已经高于正常范围(0.5~ 0.7MPa),K 值过小引起介质压力施加在密封端面方向的轴向载荷太小,液膜压力很容易使端面位移,进而增加泄漏量引起大气侧密封泄漏。
  三、改进措施
  为了解决这些问题,针对机械密封本身的结构做出了改进,该改进的结构见图3。
  1、降低轴的摆动
  把一、二级叶轮上面的平衡孔的螺纹实行螺纹扩孔,然后用螺钉和金属黏结剂对其堵塞。使平衡孔堵塞,可引起轴向力过大,高压泵在110℃的温度下,轴承中就会出现了三级平衡孔被堵塞的现象。
  2、对机械密封进行改良
  机械部分密封件以前是部分平衡的,现在将其换成完全平衡结构的机械密封件,以降低热密封面的磨损,以形成良好的液态膜,能够承受高达60MPa 的压力。原预装机械密封和补偿原件作为一个整体,安装容易,非常适合在中压和高压设备外使用。改良之后的机械密封(双向平衡型)如图3。
  改善的特性:能够平衡作用在整个端面上的液体压力,但平衡负载因子是0≤ K<1,优化密封是0.35的 K 值,约0.23~0.25 的表面压力,端面压力随流体压强增加而缓慢增加从而最终降低表面磨损。动环采用进口的浸金属石墨,耐磨性能和传热性能非常好。改良之前的机械密封(部分平衡型)如图4。
  改良的特点:仅部分地平衡作用在端面上的流体压力,其内部的端面压力伴随液体压力变大而增加。改进之前的密封为1.2的 K 值,表面压力为0.4~0.5,在更高的流体压力时,表面压力增加较大,容易磨损。动环采用普通石墨,耐磨性能和传热性能一般。
  3、对介质侧静环座进行加厚
  在允许的轴向尺寸的条件下,确保在高压下端盖的稳定性将其加厚到10mm。也对内圈做了加厚工艺,对固定环和固定环配合底座做了改进,把原始刚性面的直接接触转变为间接接触,O 形环密封件可以用作缓冲器,降低变形转移到固定环上,最大化地确保内密封件摩擦副稳固可靠的保护。在改进后,固定环和固定环底座能够以稳定的状态保持到4.0MPa 而不变形。
  四、结论
  在2018年7月和8月,按照上述方案对其进行了改造,投产运行后到目前为止,两套机械密封没有出现任何泄漏,运行情况良好,振动变化小,解决了机组的稳定运行的潜在风险,减少了丙烯损失和维护成本。
素材来源:《化工设计通讯》

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