高溫循環(huán)冷卻洗滌水泵機(jī)械密封技術(shù)改造

陳樹磊

（云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司，云南 開遠(yuǎn) 661600）

我公司高溫循環(huán)冷卻洗滌水泵是氣化爐出口粗煤氣洗滌、冷卻單元的重要設(shè)備（汞技術(shù)參數(shù)見表1）。該泵的作用是輸送含酚水進(jìn)入噴淋洗滌冷卻器，將氣化爐出口的含粉塵粗煤氣進(jìn)行洗滌、冷卻。含酚水（簡稱酚水）經(jīng)過后續(xù)的洗滌、冷卻裝置（如廢熱鍋爐、文丘里）的底部回到泵入口，泵將酚水進(jìn)行循環(huán)加壓后再利用。洗滌清潔后的粗煤氣送變換工段進(jìn)入下一工藝環(huán)節(jié)。該泵的運(yùn)行情況直接影響送出煤氣的潔凈度，進(jìn)而影響變換工段的處理能力。工段上最重要的工作是保障氣化工段內(nèi)酚水管線暢通，避免因酚水管線被煤氣中所帶出物堵塞后被迫停爐。該泵是保證酚水管線暢通的重要設(shè)備。該泵自投運(yùn)以來年檢修頻次極高，主要是機(jī)械密封泄漏失效。經(jīng)統(tǒng)計年檢修頻率為24次/臺，全年必須保證3臺循環(huán)冷卻洗滌水泵連續(xù)工作，年檢修總次數(shù)為72次，年檢修費179280元。

該泵為單級單吸懸臂式離心泵，原配普通單端面鑲裝硬質(zhì)合金機(jī)械密封。在氣化爐壓力波動頻繁、煤氣帶出大量粉塵時，原機(jī)械密封使用壽命僅有7～15d。

表1 高溫循環(huán)冷卻洗滌水泵技術(shù)參數(shù)表

1 原機(jī)械密封存在的問題分析

1.1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)及其失效現(xiàn)象

原機(jī)械密封采用內(nèi)裝式單端面平衡型密封，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。動、靜環(huán)為鑲嵌硬質(zhì)合金環(huán)，機(jī)封沖洗系統(tǒng)采用簡化的API32方案，沖洗水使用高于阻隔介質(zhì)0.2MPa的渣池水。

圖1 原機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

該密封在使用過程中頻繁出現(xiàn)下列現(xiàn)象：密封面外緣處常有1.5mm左右寬的環(huán)形黑帶（稱之為燒邊）；靜環(huán)面內(nèi)圓有深度0.05至0.2mm的環(huán)形磨損凹槽；非接觸摩擦邊界上可見明顯龜裂紋；彈簧座、彈簧、軸套附著較硬的垢狀物；動環(huán)O形圈、靜環(huán)O形圈明顯溶脹變形。

1.2 失效原因分析

1）輸送介質(zhì)的特殊性。循環(huán)冷卻洗滌水泵輸送的介質(zhì)特殊，水介質(zhì)中含有酚等化工介質(zhì)，并含有量固體顆粒，溫度和壓力也較高。介質(zhì)有特殊腐蝕性、固體顆粒磨損性和易汽化性。

2）機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的不合理性。原機(jī)械密封采用散裝結(jié)構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但不能適應(yīng)該工況的特殊性。原機(jī)械密封動環(huán)和靜環(huán)均采用鑲裝的硬質(zhì)合金環(huán)。盡管硬質(zhì)合金環(huán)能抵抗固體顆粒的磨損，但硬質(zhì)合金鑲裝時，一般均采用較大的過盈量，通過熱鑲而成。硬質(zhì)合金環(huán)與金屬環(huán)座之間存在著內(nèi)應(yīng)力（殘余應(yīng)力），而這種內(nèi)應(yīng)力（殘余應(yīng)力）并不均衡，且該內(nèi)應(yīng)力會隨著時間的延長逐步釋放，使密封端面發(fā)生不均勻變形，結(jié)果是密封端面的平面度滿足不了使用要求，出現(xiàn)泄漏［1］。

另外，密封端面的兩側(cè)（介質(zhì)側(cè)和大氣側(cè) ）存在溫度差，密封端面的摩擦也產(chǎn)生熱量。存在溫差就會產(chǎn)生熱變形，這使得密封端面的變形更為復(fù)雜。機(jī)械密封環(huán)既有內(nèi)外壓差產(chǎn)生的力變形，也有溫差產(chǎn)生的熱變形，還有殘余應(yīng)力產(chǎn)生的變形。這些變形一般情況下，很難預(yù)測和控制，尤其是殘余應(yīng)力引起的變形。由于溫度較高，酚水通過密封端面時還會產(chǎn)生汽化，進(jìn)一步降低了密封端面的潤滑性能，使得密封端面發(fā)熱嚴(yán)重。密封端面間產(chǎn)生的激烈摩擦，使得硬質(zhì)合金屬環(huán)面在極高的熱應(yīng)力狀態(tài)下工作，最終環(huán)面磨損加劇、并形成龜裂及疤痕［1］。

再者，酚水中的固體顆粒沉積在動環(huán)形密封圈處，使得O形圈不能移動。同時，介質(zhì)中的煤焦油與顆粒，沉積在彈簧處，堵塞彈簧使其失效。O形圈或彈簧的堵塞，使動環(huán)失去了浮動性，造成了泄漏。

3）機(jī)械密封輔助系統(tǒng)的沖洗水水質(zhì)達(dá)不到要求。該泵機(jī)械密封的沖洗水是采用冷卻氣化爐而排出的渣池水，該水的水質(zhì)較差，并含有固體顆粒，溫度約為35℃。該沖洗水通過ZDF50X7多級離心泵加壓后，引至機(jī)械密封冷卻水進(jìn)口。該機(jī)械密封采用外供沖洗冷卻水的API32方案，本意為迅速帶走密封環(huán)摩擦所產(chǎn)生的熱量，防止端面液膜氣化。但從實際效果來看，由于沖洗水固體顆粒含量較高，黏度較大，溫度也較高，對機(jī)械密封的冷卻效果不明顯，并會形成水垢和固體物沉積，并且加劇了動環(huán)O形圈、彈簧等堵塞，使得密封環(huán)的浮動性喪失。

4）動、靜環(huán)輔助密封材料選擇不合理。原機(jī)械密封配置的動、靜環(huán)輔助密封圈材質(zhì)為氟橡膠。雖然氟橡膠耐大多數(shù)化工介質(zhì)，但酚水介質(zhì)成分復(fù)雜，含有能使氟橡膠溶脹的成分。從使用效果來看，氟橡膠在酚水介質(zhì)中溶脹明顯。氟橡膠O型圈的過度溶脹使得動環(huán)浮動困難，從而導(dǎo)致密封泄漏失效。

2 機(jī)械密封改造的技術(shù)方案與實施效果

2.1 機(jī)械密封技術(shù)改造方案

為了解決原機(jī)械密封存在的問題，在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，對該機(jī)械密封進(jìn)行了技術(shù)改造。技術(shù)改造的技術(shù)方案如下：

1）采用集裝式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)。為了提高機(jī)械密封安裝精度和使用可靠性，采用集裝式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，新的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。該集裝式機(jī)械密封設(shè)置了兩套不同的機(jī)械密封，屬于雙密封結(jié)構(gòu)。一套是介質(zhì)側(cè)機(jī)械密封，屬于主密封。另一套是空氣側(cè)機(jī)械密封，屬于副密封。主密封承擔(dān)密封腔的壓力，副密封承擔(dān)清潔沖洗水的密封。在兩套密封之間引入清潔的低壓水進(jìn)行循環(huán)冷卻，屬于API55沖洗方案。主密封、副密封均采用整體環(huán)結(jié)構(gòu)。介質(zhì)側(cè)輔助密封圈選用全氟橡膠（FFKM）。采用集裝式機(jī)械密封有如下優(yōu)點：整體拆裝，安裝方便。無需現(xiàn)場調(diào)整機(jī)械密封彈簧壓縮量，減小維修安裝時的人為誤差，保證安裝精度。

圖2 集裝式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

2）改進(jìn)沖洗方案。保留原API 32沖洗方案，但沖洗水采用經(jīng)過沉淀、分離后的新鮮酚水（溫度：85℃）直接從沖洗口（F）進(jìn)入泵的密封腔內(nèi)，對介質(zhì)側(cè)的主密封環(huán)進(jìn)行沖洗冷卻。沖洗水壓力稍微大于密封腔內(nèi)壓力0.1MPa以上。既能夠使沖洗水進(jìn)入密封腔的量最少，又能阻隔泵的輸送介質(zhì)進(jìn)入密封腔，使得主密封端面處的介質(zhì)環(huán)境相對清潔、低溫［2］。主密封端面接觸介質(zhì)溫度由160～175℃降低至85℃左右。該沖洗水與泵輸送介質(zhì)相同，并不增加污水處理成本。

另外，在介質(zhì)側(cè)增加一段螺旋密封，其作用是使沖洗水迅速進(jìn)入密封腔，確保泵輸送的介質(zhì)不會返混到主密封端面，同時可降低沖洗水的壓力要求。沖洗水和螺旋密封阻止了酚水中的顆粒物沉積在主密封附近的沉積，改善了主密封的工作環(huán)境。

另外，在主密封和副密封之間，引入清潔的水對主密封內(nèi)側(cè)和副密封外側(cè)進(jìn)行冷卻潤滑。即新增API 55沖洗方案。該沖洗水為低壓的清潔循環(huán)水，壓力為0.2～0.3MPa。從沖洗水入口（LBI）進(jìn)入，從沖洗水出口（LBO）流出。該沖洗水對在冷卻潤滑主密封、副密封的同時，帶走了從主密封泄漏的介質(zhì)，確保了密封環(huán)境的清潔。

3）密封端面采用螺旋槽上游泵送結(jié)構(gòu)。為進(jìn)一步改善密封端面的潤滑狀況，在主密封、副密封的一個端面上加工雙密封壩螺旋淺槽。如圖3所示。螺旋槽的作用實現(xiàn)上游泵送功能［3］。對于主密封，將泄漏的介質(zhì)泵送回密封腔，或?qū)⑶鍧嵉乃盟腿朊芊舛嗣?。對于副密封，將泄漏的清潔水泵送回兩密封之間的腔體，減少清潔循環(huán)水空氣側(cè)的泄漏。

圖3 雙壩螺旋槽密封端面

2.2 技術(shù)改造實施效果

該技改項目于2018年3月完成技術(shù)改造，投入運(yùn)行后效果明顯。系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，全年必須保證3臺循環(huán)冷卻洗滌水泵連續(xù)工作。自2018年3月改造完成后，統(tǒng)計至2019年3月。該泵總檢修6次。每年循環(huán)冷卻洗滌水泵共節(jié)約成本141120元。通過此次技術(shù)改造，達(dá)到了降低生產(chǎn)成本的，改善環(huán)境，降低勞動強(qiáng)度的效果，并為今后此類機(jī)械密封的技術(shù)改造提供了經(jīng)驗和技術(shù)支持。

3 結(jié)語

該技術(shù)改造項目采用了許多機(jī)械密封的新技術(shù)，如集裝式結(jié)構(gòu)、整體環(huán)技術(shù)、螺旋槽上游泵送技術(shù)、復(fù)合沖洗方案、多種密封配合等。項目組成功地對循環(huán)冷卻洗滌水泵機(jī)械密封和密封輔助系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造改。2018年3月至2019年3月之間，五臺泵的檢修情況表明，改造后機(jī)械密封平均使用壽命達(dá)到8個月，達(dá)到了技改的預(yù)期目的。這次技改的經(jīng)驗表明，對于用在特殊環(huán)境介質(zhì)中的機(jī)械密封進(jìn)行技改，需要同時對機(jī)械密封結(jié)構(gòu)和沖洗方案進(jìn)行技術(shù)改造。同時也表明，在含固體顆粒高溫循環(huán)洗滌水泵上采用集裝式雙端面螺旋槽機(jī)械密封技術(shù)是可行的，也驗證了螺旋槽密封技術(shù)對含固體顆粒介質(zhì)的有效性。機(jī)械密封新技術(shù)的應(yīng)用不僅保證了氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行，同時降低了備品備件的消耗和開支。通過此次技術(shù)改造不僅達(dá)到了降低生產(chǎn)成本的目的，而且為今后此類機(jī)械密封問題的解決提供了經(jīng)驗和技術(shù)支持。