丙烯高速泵機(jī)封故障原因分析及改進(jìn)

宋捍東

(吉化集團(tuán)吉林市錦江油化廠(chǎng)，吉林 吉林 132022)

一、基本情況

2003年3月，脫乙烷塔塔頂回流泵P-102A，更新為F型高速泵。最大揚(yáng)程130m，最大流量12m3/h；泵內(nèi)介質(zhì)為丙烯，介質(zhì)溫度42～45℃；泵入口壓2.0MPa，泵出口壓力2.8MPa。配套機(jī)封是DTM40A型多彈簧機(jī)封。

F型丙烯高速泵投用后，發(fā)現(xiàn)其機(jī)封有泄漏。在拆解檢修中未發(fā)現(xiàn)機(jī)封的動(dòng)靜密封環(huán)有明顯磨損痕跡及其他異常情況。精心裝配后，機(jī)封泄漏狀況無(wú)明顯改善。最后，回制造廠(chǎng)檢修處理，效果并不明顯。

二、泄漏原因分析

從泄漏現(xiàn)象和機(jī)封拆卸情況分析，輔助密封件完好、動(dòng)靜環(huán)完好。因此，初步判斷有以下幾種因素可能導(dǎo)致密封失效。

(1)密封端面比壓Pc不合適，導(dǎo)致密封副失效

端面比壓可以選擇在0.5～0.7MPa；如果介質(zhì)黏度小，端面比壓可以選擇在0.3～0.45MPa。只有具有合適的密封端面比壓，才能保證密封副始終處于閉合狀態(tài)。

(2)密封PcV值不合適，導(dǎo)致密封副失效

PcV值，是端面壓力Pc與密封端面平均滑動(dòng)速度V的乘積，它必須許用于[PcV]值，以保證密封的可靠性和使用壽命。靜環(huán)是碳化鎢。[PcV]的最大許用值是90MPa·m/s，安全許用值[PcV]=(0.2～0.025)×900=180～225kg·m/cm2·s。

(3)密封端面相態(tài)不穩(wěn)，導(dǎo)致密封副失效

液態(tài)烴泵的單端面是接觸式機(jī)械密封，沒(méi)有完整的液膜，可導(dǎo)致密封面溫度升高，而使液膜氣化相變。其次，由于介質(zhì)流經(jīng)密封端面間隙時(shí)發(fā)生氣化相變，致使密封失效。

(4)工況變化，導(dǎo)致密封開(kāi)啟失效

當(dāng)外部溫度和壓力發(fā)生劇烈變化，機(jī)械密封會(huì)發(fā)生密封液膜抽空閃蒸，存在密封端面開(kāi)啟失效的危險(xiǎn)。如果密封的追隨性性能較差，就可能發(fā)生密封失效。

三、機(jī)封基本參數(shù)的核算

丙烯高速泵入口壓力2.0MPa，出口壓力2.8MPa。機(jī)封工作溫度42℃。動(dòng)環(huán)材質(zhì)是石墨，靜環(huán)材質(zhì)是碳化鎢。密封面內(nèi)徑D1=33.6mm；密封面外徑D2=43.6mm；密封平衡直徑D3=38mm。機(jī)封配小彈簧數(shù)量m=6，彈簧最大變形量Lmax=2.94mm，最大負(fù)荷FnⅡ=1.490kg。

(1)端面比壓Pc的核算

①機(jī)封的彈簧比壓Psp估算

總彈簧力F=Fn×m=(FnⅡ2/Lmax)×m=6.06kg

彈簧比壓Psp=F/S=6.06kg/6.06cm2=1.000kg/cm2

②機(jī)封的端面比壓Pc估算

∵平衡比B=(D22-DB2)/(D22-D12)=0.591 9；反壓系數(shù)λ=0.5；

∴Pc=Psp+(B-λ)×Ps=0.283 8MPa

③端面比壓的數(shù)值判斷

機(jī)封的端面比壓Pc合適的數(shù)值在0.3～0.45MPa。最佳數(shù)值應(yīng)該是大于等于0.4MPa，而實(shí)際Pc=0.283 8＜0.3MPa，所以機(jī)封易泄漏。

(2)PcV值的核算

①機(jī)封PcV值的核算和判斷

轉(zhuǎn)速n=8 000r/min，V=16.13m/s；Pc=0.283 8MPa；所以PcV=45.77kg.m/cm2·s＜[PcV]。因此，可以判定：動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的材質(zhì)選擇合理。

②改進(jìn)后的機(jī)封PcV值的核算和判斷

如果采取增加面積比B和彈簧比壓的辦法，并使端面比壓Pc=0.4MPa；那么，n=8 000r/min，V=16.13m/s；改進(jìn)后PcV=0.4×16.13=64.520kg·m/cm2·s＜[PcV]。因此，可以判定：動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的材質(zhì)，仍可滿(mǎn)足工作要求。

(3)相變理論相關(guān)參數(shù)核算

①氣相體積比α估算

式中，介質(zhì)溫度t≈42℃，丙烯飽和蒸汽壓pB=1.724 4MPa；飽和液體運(yùn)動(dòng)黏度γl=1.715 405×10-7m2/s；飽和蒸汽運(yùn)動(dòng)黏度γg=2.644 418×10-7m2/s；p1=0.101MPa；p2=2.101MPa；經(jīng)計(jì)算得，α=0.597 2。

②相對(duì)飽和蒸汽壓β值估算

∵ps=p2-p1=2.0MPa；pB=1.724 4MPa；

∴β=pB/ps=0.862 2；

③膜壓系數(shù)Km值估算

Km=1/2(1-α+β)+α×β/6=0.718 3

④最小面積比Bmin估算

∵Bmin=Km-Psp/Ps=0.668 3＞B=0.591 9；即，B＜Bmin，實(shí)際平衡面積比小于最小面積平衡比；

∴密封面會(huì)發(fā)生開(kāi)啟失效。

⑤液膜介質(zhì)相態(tài)及穩(wěn)定性判斷

在通常溫度比范圍內(nèi)，丙烯介質(zhì)機(jī)封的αmk=0.32～0.375;Kmmax=0.73～0.76；根據(jù)①和③計(jì)算數(shù)據(jù)可得：αmk=0.375＜α=0.597 2＜1；Km=0.718 3＜Kmmax。

因此判定：液膜介質(zhì)處于不穩(wěn)定似氣相相態(tài)，密封狀態(tài)不正常。

四、改進(jìn)措施

第一，重新設(shè)計(jì)機(jī)封，適當(dāng)增大面積比B和密封端面比壓Pc，確保密封滿(mǎn)足工作要求。

經(jīng)原因分析和機(jī)封參數(shù)核算，第一應(yīng)增大面積比B達(dá)到0.7～0.75，保證機(jī)封平衡面積比大于最小面積比，以避免產(chǎn)生密封開(kāi)啟失效。第二應(yīng)該重新較核端面比壓，確保其達(dá)到0.4MPa左右。第三必須同步進(jìn)行相變理論相關(guān)參數(shù)的核算，以?，F(xiàn)密封穩(wěn)定正常工作。

第二，增加密封沖洗管路，降低介質(zhì)溫度，保證密封液膜工作相態(tài)穩(wěn)定。

增加沖洗液流量對(duì)于降低介質(zhì)溫度，穩(wěn)定液膜相態(tài)，具有極大的好處。如果密封介質(zhì)溫度降低到35℃，可使α值達(dá)到0.45以下；Km=0.697 0；Bmin=0.647 0。使機(jī)封工作處于設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)。

第三，精心操作，減少突變工況的發(fā)生次數(shù)，確保丙烯泵工況連續(xù)穩(wěn)定。

五、改進(jìn)效果

2003年6月，對(duì)密封進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造。同年9月，該泵完成機(jī)封改造投入運(yùn)行。截止到2005年8月31日，該泵運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)已達(dá)到15 000h，改造效果良好。

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