反應(yīng)器進(jìn)料泵機械密封失效分析及改進(jìn)

高鵬翔，宋 濤，魏敬省, 王晶晶

（撫順石化公司乙烯化工廠，遼寧 撫順113004）

反應(yīng)器進(jìn)料泵機械密封失效分析及改進(jìn)

高鵬翔，宋 濤，魏敬省, 王晶晶

（撫順石化公司乙烯化工廠，遼寧 撫順113004）

通過對聚乙烯裝置反應(yīng)器進(jìn)料泵機械密封失效過程的講述，對失效的原因進(jìn)行了分析。結(jié)合反應(yīng)器進(jìn)料泵的工作條件，根據(jù)機械密封和干氣密封的自身特點，提出對反應(yīng)器進(jìn)料泵機械密封的改進(jìn)措施，為今后裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

離心泵；機械密封；失效分析；改進(jìn)措施

聚乙烯反應(yīng)器進(jìn)料泵P-GA-104是聚乙烯裝置核心設(shè)備，它是一臺12級高壓離心泵，其出口操作壓力為18.0 MPa，介質(zhì)為環(huán)己烷和乙烯，流量為105 m3/h。制造廠為SULZER BINGHAM PUMP INC.［1］在今年4月至6月的運行過程中，發(fā)生兩次密封泄漏，引起裝置停車。

兩次密封泄漏現(xiàn)象及原因有著相似之處，在本文當(dāng)中歸納為同一種原因進(jìn)行分析總結(jié)。另外，本文對機械密封［2］、干氣密封［3］的工作原理及失效原因［4］也做了淺析。通過對機械密封與干氣密封的結(jié)構(gòu)和原理［5］對比，討論了改進(jìn)措施的可行性。

為了平穩(wěn)、安全的保證反應(yīng)器進(jìn)料泵正常運行，結(jié)合HSE管理體系的實際，車間對該設(shè)備做出故障模式及影響分析（FMEA），從故障產(chǎn)生的因果關(guān)系出發(fā)，找出系統(tǒng)潛在的故障原因，分析故障原因?qū)ο到y(tǒng)造成的影響，并采取措施［6］減少和預(yù)防故障對系統(tǒng)造成的影響。

1 密封泄漏過程

1.1 第一次泄漏

2011年4月28日15：00由于 P-GA-104電流忽然上漲至超量程，同時現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)P-GA-104電機端密封泄漏，伴有強烈震動及噪音，緊急手動停泵。

1.1.1 拆檢情況簡介

（1）拆開時發(fā)現(xiàn)電機端軸承甩油盤已和軸粘連在一起，密封已炸裂，發(fā)現(xiàn)第一級葉輪入口有硬物堵塞，中間平衡腰瓦磨損嚴(yán)重，而且泵軸已多處磨損，葉輪口環(huán)間隙均在0.8 mm左右，正常值為0.45~0.55 mm。

（2） 堵塞在一級葉輪入口處的硬物外觀為塊狀，分析為聚乙烯樹脂結(jié)塊所致。泵殼體、軸、及葉輪周圍表面干凈，沒有其它雜質(zhì)。

1.1.2 修復(fù)后運行情況

由于當(dāng)時庫存有1件2005年修復(fù)的轉(zhuǎn)子及進(jìn)口密封，為保正及時恢復(fù)生產(chǎn)，當(dāng)天連夜更換了轉(zhuǎn)子、密封、甩油環(huán)等易損件。復(fù)位后，4月29日2:20投入運行，各參數(shù)均正常。

1.2 第二次泄漏

6月1日16：00，車間接調(diào)度指令停車，停反應(yīng)器進(jìn)料泵。6月4日10:00，在各條件具備的情況下，啟動反應(yīng)器進(jìn)料泵，12:00投料開車。18:52，反應(yīng)器進(jìn)料泵P-GA-104電流波動，上漲趨勢加快達(dá)到高報100 A,同時伴有震動、密封泄漏，車間緊急停車。拆檢后密封磨損但沒有炸裂，一級葉輪入口堵塞，口環(huán)間隙0.7 mm，軸彎曲0.22 mm。

1.3 兩次泄漏總結(jié)

從4月到6月的兩次密封泄漏，現(xiàn)象基本相同，第二次密封沒有第一次更嚴(yán)重，有磨損，但是沒有炸裂。6月13日處理后回裝原密封，14:00，現(xiàn)場復(fù)位P-GA-104轉(zhuǎn)子，21:14啟動P-GA-104，密封只是有輕微泄漏，運行正常。

2 泄漏原因分析

2.1 機械密封簡介

機械密封又稱端面密封，是采用兩個密封元件即動環(huán)和靜環(huán)安裝在垂直軸的光潔而平直的表面上，在介質(zhì)的靜壓力和彈簧力的作用下，相互結(jié)貼作相對運動而達(dá)成密封的目的。

2.1.1 機械密封的主要特點

（1）泄漏量可以限制到很少。只要主密封面的表面粗糙度和平直度能保證達(dá)到要求，只要材料耐磨性好，機械密封可以達(dá)到很少泄露量，甚至達(dá)到看不見泄漏。

（2）壽命長。在機械密封中，主要磨損部分是密封摩擦副端面。因為密封端面的磨損量在正常工作條件下不大，一般可以連續(xù)使用1~2 a，個別場合也有用到5~10 a。

（3）運轉(zhuǎn)中不用調(diào)整。由于機械密封靠彈簧力和流體壓力使摩擦副貼合，在運轉(zhuǎn)中自動保持接觸，裝配后就不用像普通軟填料那樣需要調(diào)整。

（4）耐震性比徑向密封好。一般在n=3 000 r/min下最大振幅不超過0.05 mm。

（5）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆裝不便。

2.1.2 機械密封的泄漏標(biāo)準(zhǔn)

機械密封的泄漏標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 各國機械密封泄露行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The industry standard of Mechanical seal’s leak

2.2 介質(zhì)溫度和雜質(zhì)對密封的影響

本案例中P-GA-104泵轉(zhuǎn)數(shù)6 400 r/min，流量105 m3/h，介質(zhì)為環(huán)己烷和乙烯的混合溶液，介質(zhì)黏度大；潤滑性差；工作壓力大；運轉(zhuǎn)速度高；介質(zhì)中可能含有雜質(zhì)；機泵輸送介質(zhì)的以上特點，對于機械密封的長期性安全運轉(zhuǎn)是不利的。特別是P-GA-104泵，當(dāng)輸送介質(zhì)的溫度升高時，機械密封密封腔的溫度將升高，動環(huán)、靜環(huán)端面溫度升高，動環(huán)、靜環(huán)端面溫度升高，動環(huán)和靜環(huán)端面間的液膜受熱破壞，使動靜環(huán)的端面產(chǎn)生強烈摩擦，致使密封失效；由于密封沖洗介質(zhì)中可能有懸浮顆粒雜質(zhì)，機械密封在運轉(zhuǎn)過程中，這些雜質(zhì)進(jìn)入動靜密封面，使動靜環(huán)端面因雜質(zhì)磨損而造成密封失效。

2.3 施工、安裝對機械密封的影響

據(jù)專家對密封失效原因統(tǒng)計：由于密封本身原因僅占34.5%，而由于安裝和使用方面的原因占41.6%。由此可見，密封失效排第一位原因并非密封本身的問題，很大程度上取決于安裝和使用方面的原因。

由于反復(fù)判斷停泵原因，對反應(yīng)器進(jìn)料泵P-GA-104泵動靜密封反復(fù)拆裝導(dǎo)致動靜環(huán)接觸表面不平，安裝時碰損傷、損壞密封面,造成在工作中密封面急劇摩擦，泄漏量逐漸加大。

2.4 密封材料對密封失效的影響

摩擦副所用的材料耐磨性差、摩擦系數(shù)大都會縮短機械密封的使用壽命。反應(yīng)器進(jìn)料泵P-GA-104泵，南北兩側(cè)的密封泄漏量，北側(cè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于南側(cè)原因為選用了國產(chǎn)密封進(jìn)口密封，在同等非正常工作條件下，國產(chǎn)密封耐用性遠(yuǎn)比進(jìn)口密封差。

2.5 工藝條件對密封失效的影響

本案例提到的兩次密封失效，直接原因都是由于一級入口堵塞造成的。第一次入口堵塞后，拆檢看見的只是一個點，一塊小硬物堵在泵入口，為保生產(chǎn)及時復(fù)位后運行也正常，泵入口有濾網(wǎng)，我們也對濾網(wǎng)進(jìn)行了徹底更換清掃。第二次密封失效后，判斷為管線內(nèi)有樹脂掛壁。車間拆檢從P-103出口至P-104入口管線，徹底清理管線內(nèi)掛壁的樹脂后復(fù)位。

3 密封改進(jìn)措施

3.1 引入干氣密封

干氣密封是20世紀(jì)60年代末期從氣體動壓軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型非接觸式密封。該密封利用流體動力學(xué)原理，通過在密封端面上開設(shè)動壓槽而實現(xiàn)密封端面的非接觸運行。干氣密封最初是為解決高速離心壓縮機軸封問題而出現(xiàn)的，由于密封非接觸運行，因此密封摩擦副材料基本不受pv值的限制，特別適合作為高速、高壓設(shè)備的軸封

3.1.1 干氣密封與機械密封的結(jié)構(gòu)對比

（1）機械密封的零件數(shù)量多，要求精密，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。特別是在裝配方面較困難，拆裝時要從軸端抽出密封環(huán)，必須把機械部分轉(zhuǎn)子部分全部拆解。機械密封結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 典型機械密封結(jié)構(gòu)Fig. 1 Mechanical seal’s configuration

（2）干氣密封結(jié)構(gòu)包含有靜環(huán)、動環(huán)組件（旋轉(zhuǎn)環(huán)）、副密封O形圈、靜密封、彈簧和彈簧座（腔體）等零部件。靜環(huán)位于不銹鋼彈簧座內(nèi)，用副密封O形圈密封。彈簧在密封無負(fù)荷狀態(tài)下使靜環(huán)與固定在轉(zhuǎn)子上的動環(huán)組件配合，如圖2。

圖2 典型干氣密封結(jié)構(gòu)Fig. 2 Dry gas seal’s configuration

3.1.2 干氣密封比機械密封的優(yōu)勢

干氣密封與接觸式機械密封串聯(lián)使用，機械密封為主密封，干氣密封為次密封。干氣密封與主密封間通入氮氣，保證主密封具有一定背壓，增大密封端面液相面積，改善端面潤滑條件，極大地延長主密封的使用壽命。主密封泄漏的工藝介質(zhì)隨密封氣排入火炬，保證工藝介質(zhì)不向大氣泄漏，是一種環(huán)保型密封。主密封失效后，干氣密封短時間內(nèi)起到主密封作用，防止工藝介質(zhì)向大氣大量泄漏。

3.2 結(jié)合HSE管理體系進(jìn)行科學(xué)管理

為了平穩(wěn)、安全的保證正常運行，結(jié)合HSE管理體系的實際，選擇定期填寫故障發(fā)生頻率分類表，任何系統(tǒng)的故障和造成這一故障的元素之間都存在著必然的因果關(guān)系。故障模式及影響分析（FMEA）就是從這種因果關(guān)系出發(fā)，找出系統(tǒng)潛在的故障原因，分析故障原因?qū)ο到y(tǒng)造成的影響，并采取措施減少和預(yù)防故障對系統(tǒng)造成的影響。

4 結(jié)束語

通過以上淺析可看出，對P-GA-104等關(guān)鍵的設(shè)備管理模式應(yīng)符合現(xiàn)代的檢查為先、預(yù)防為主、主動維護(hù)、及時檢修的預(yù)防性檢修策略。FMEA的實施是一個持續(xù)改進(jìn)的過程，在對某一個故障類型采取相應(yīng)的糾正預(yù)防措施后，需要重新評價發(fā)生頻率、嚴(yán)重性、可檢測性，計算新的危險優(yōu)先數(shù)，并決定是否采取進(jìn)一步的糾正預(yù)防措施，如此循環(huán)，直到危險優(yōu)先數(shù)在可接受的范圍內(nèi)。

［1］撫順石化公司.聚乙烯操作規(guī)程[S].2004．

［2］孫見君.密封泄露預(yù)測理論應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社，2010.

［3］姚寶瑞.丁二烯萃取精餾塔釜離心泵的干氣密封改造[M]. 北京:機械化出版社，2005．

［4］李新華.密封元件選用手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［5］李國斌.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].天津:機械工業(yè)出版社，2000．

［6］袁周,黃志堅.工業(yè)泵常見維修及技巧[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

Failure Analysis and Improvement of Mechanical Seal for Reactor Feed-in Pumps

GAO Peng-xiang，SONG Tao，WEI Jing-sheng，WANG Jing-jing
(PetroChina Fushun Petrochemical Company Ethylene Plant, Liaoning Fushan 113004,China）

Failure process of mechanical seal for reactor feed-in pumps of polyethylene plant was introduced,failure causes were analyzed. Combined with working conditions of reactor feed-in pumps, based on characteristics of the mechanical seal and the dry gas seal, improvement measures of the mechanical seal for reactor feed-in pumps were put forward, which can lay a foundation for steady production of the polyethylene plant in the future.

Pump; Mechanical seal; Failure analysis; Improvement measures

TQ 051

A

1671-0460（2011）11-1155-03

2011-10-21

高鵬翔（1985-），男，遼寧撫順人，助理工程師，2009畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)，研究方向：從事石油化工技術(shù)工作。E-mail：642604131@qq.com。