聚丙烯裝置軸流泵機(jī)械密封損壞分析及處理措施

謝樸貴，劉 燕，顧興坤

（1.中國(guó)石化 青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266500；2.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；3.山東易陽(yáng)石化節(jié)能裝備有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

某煉化企業(yè)20萬(wàn)t/a聚丙烯裝置采用國(guó)產(chǎn)化第二代環(huán)管聚丙烯技術(shù)工藝，設(shè)置有2組串聯(lián)的環(huán)管反應(yīng)器R201、R202，在每個(gè)環(huán)管反應(yīng)器底部分別配置1臺(tái)大功率水平軸流式循環(huán)泵 （簡(jiǎn)稱軸流泵）P201、P202。通過(guò)軸流泵強(qiáng)制循環(huán)，使環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)的物料以7 m/s的線速度高速流動(dòng)循環(huán)，將反應(yīng)器內(nèi)的丙烯單體、聚合物粉料及各種催化劑充分?jǐn)嚢杈鶆颍瑢?shí)現(xiàn)聚合反應(yīng)均勻、聚合物粉料質(zhì)量均勻穩(wěn)定的連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程。軸流泵安全平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)于環(huán)管反應(yīng)器的正常操作極其重要[1-3]，一旦因軸流泵故障發(fā)生停車，將使反應(yīng)介質(zhì)突然停止流動(dòng)循環(huán)，極易發(fā)生環(huán)管爆聚的嚴(yán)重生產(chǎn)事故。軸流泵長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵在于機(jī)械密封的性能及其運(yùn)行可靠性，機(jī)械密封導(dǎo)致的軸流泵故障將造成生產(chǎn)裝置非計(jì)劃停工檢修，嚴(yán)重影響裝置生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。

該企業(yè)近幾年發(fā)生了2起軸流泵機(jī)械密封損壞事故，筆者通過(guò)分析軸流泵密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，查找事故發(fā)生原因，總結(jié)處理方案，得出了預(yù)防此類機(jī)械密封損壞的有效措施。

1 軸流泵結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

軸流泵P201、P202為美國(guó)LAWRENCE PUMPS INC.公司生產(chǎn)的24″9500系列水平軸流泵，由殼體（90°彎頭）、葉輪、主軸、軸承箱和機(jī)械密封等組成,軸流泵結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 軸流泵結(jié)構(gòu)示圖

軸流泵揚(yáng)程19 m，軸功率425 kW，設(shè)計(jì)體積流量7 000 m3/h，轉(zhuǎn)速1 500 r/min。泵內(nèi)介質(zhì)為聚丙烯粉料+液相丙烯+催化劑（主催化劑+三乙基鋁+白油+給電子體），介質(zhì)密度530～560 kg/m3，正常操作時(shí)介質(zhì)溫度60～70℃。泵入口壓力額定值/最大值為3.4 MPa/4.4 MPa，泵出口壓力額定值/最大值為3.504 MPa/4.504 MPa。

環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)的介質(zhì)包含丙烯、主催化劑、給電子體、三乙基鋁和白油等，除了白油外，其它幾種組分都是易燃、易爆介質(zhì)，特別是三乙基鋁遇空氣就燃燒、遇水就爆炸，絕不允許出現(xiàn)泄漏。因此，軸流泵中配置了比較復(fù)雜的進(jìn)口John Crane主密封，即內(nèi)部密封、外部密封和安全密封三重機(jī)械密封系統(tǒng)，沖洗油選用的是68號(hào)工業(yè)白油，液相丙烯的汽化壓力為3.09 MPa（A），沖洗丙烯的質(zhì)量流量為800 kg/h。

2 軸流泵機(jī)械密封系統(tǒng)

聚丙烯裝置軸流泵機(jī)械密封沖洗系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2[7]。

圖2 軸流泵機(jī)械密封沖洗系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

主密封包括的內(nèi)部密封和外部密封，是加壓的背靠背密封系統(tǒng)，一個(gè)安裝在泵彎管里面最靠近葉輪的筒殼式密封組件，包括1組單端面機(jī)械密封、雙列向心滾珠軸承、節(jié)流套筒、泵送環(huán)及嘴型密封；另一個(gè)安裝在泵彎管外面另一端的筒殼式密封組件，包括1組單端面機(jī)械密封。采用Plan53C方案的密封沖洗油進(jìn)入內(nèi)部密封腔，經(jīng)泵送環(huán)沿軸方向流向外部密封（沿泵軸流向驅(qū)動(dòng)端），從外部密封流出進(jìn)入主密封油罐上部，再?gòu)闹髅芊庥凸尴虏苛鞒鲞M(jìn)入內(nèi)密封，完成一個(gè)沖洗油循環(huán)過(guò)程。在此循環(huán)過(guò)程中，一方面將內(nèi)部密封和外部密封產(chǎn)生的熱量帶走，另一方面潤(rùn)滑和冷卻雙列向心滾珠軸承和主軸。

內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)及軸承示意圖見(jiàn)圖3[7]。

圖3 內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)及軸承示圖

在內(nèi)部密封襯套內(nèi)設(shè)置有1套雙列向心滾珠軸承，是主軸的另一個(gè)支撐點(diǎn)，用于控制軸的徑向跳動(dòng)，使主密封端面保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。在內(nèi)部密封襯套里，工藝介質(zhì)和密封面之間還裝有長(zhǎng)度200 mm的節(jié)流襯套，節(jié)流套筒的半徑間隙在0.45～0.5 mm。在節(jié)流套筒后端外接Plan32丙烯沖洗方案，沖洗壓力比泵出口壓力高0.1～0.2 MPa，沖洗丙烯過(guò)濾等級(jí)3 μm。采用該沖洗方案可以阻擋聚丙烯粉料進(jìn)入內(nèi)部密封腔，預(yù)防聚丙烯粉料破壞密封面[7]。

安全密封包含在外部密封襯套中，為1組單端面機(jī)械密封，沖洗方案Plan52，沖洗介質(zhì)為68號(hào)工業(yè)白油。

外部密封及安全密封示意圖見(jiàn)圖4[7]。

圖4 外部密封及安全密封示意圖

通過(guò)內(nèi)部密封、外部密封、安全密封這3組機(jī)械密封串聯(lián)以及輔助沖洗隔離液的循環(huán)，可有效保證軸流泵的安全可靠運(yùn)行。

3 機(jī)械密封故障現(xiàn)象及原因分析

3.1 故障1

3.1.1 現(xiàn)象描述

2018-07-28夜間巡檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)軸流泵P202附近不定時(shí)出現(xiàn)間歇性運(yùn)行雜音，同時(shí)有泵體振動(dòng)偏大等現(xiàn)象。初步分析系環(huán)管內(nèi)不凝氣影響所致，于是在環(huán)管頂部持續(xù)排不凝氣，環(huán)管壓力提高了0.15 MPa。07-29早晨檢查基本聽不到雜音，泵的前后振動(dòng)烈度均為1.8 mm/s，但進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)密封沖洗油溫度偏高，顏色發(fā)黑且含有黃色金屬粉末。分析判斷為密封油導(dǎo)流環(huán)和機(jī)械密封磨損，使機(jī)械密封壓力平衡活塞按11 mm/h上升，沖洗白油泄漏量增大，11：30時(shí)P202再次頻繁出現(xiàn)雜音，13：00該裝置緊急非計(jì)劃停工。

隨后拆解軸流泵P202，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部筒體式機(jī)械密封組件已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p壞，密封動(dòng)環(huán)、靜環(huán)磨損嚴(yán)重，密封軸套與泵軸抱死，密封組件無(wú)法取下。委托專業(yè)廠家采用破壞性方法取出軸套后，檢測(cè)主軸彎曲度為0.28 mm，軸嚴(yán)重磨損，密封筒體末端軸向被磨掉20 mm，紫銅泵送環(huán)基本磨掉，軸承保持架和滾珠已經(jīng)磨碎，機(jī)械密封腔磨出寬20 mm、深6 mm的溝槽，密封套筒內(nèi)和沖洗系統(tǒng)有大量鐵屑和銅屑。

P202內(nèi)部筒體式機(jī)械密封組件磨損前后形貌見(jiàn)圖5，機(jī)械密封腔磨損情況見(jiàn)圖6。

圖5 P202內(nèi)部筒體式機(jī)械密封組件磨損前后形貌

圖6 P202機(jī)械密封腔磨損情況

進(jìn)一步拆解軸流泵P201，宏觀觀察內(nèi)部筒體式密封組件沒(méi)有發(fā)生磨損，但仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)向心滾珠軸承保持架已經(jīng)斷裂變形 （圖7），如果繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，必然發(fā)生與P202相同的故障現(xiàn)象。

圖7 P201向心滾珠軸承保持架破損圖片

2臺(tái)軸流泵外部筒體密封組件 （包括外部密封、安全密封）運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)檢查沒(méi)有發(fā)生磨損。

3.1.2 原因分析

軸流泵P201、P202的機(jī)械密封都是2015年大檢修時(shí)更換的，運(yùn)行已經(jīng)超過(guò)3 a，達(dá)到了ANSI/API 682—2004 《Pumps-shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps》[8]規(guī)定的使用壽命，即在采用正確的沖洗方案的情況下，機(jī)械密封能夠連續(xù)運(yùn)行25 000 h。比較2臺(tái)軸流泵內(nèi)部密封損壞現(xiàn)象，向心滾珠軸承保持架首先發(fā)生疲勞斷裂，破碎的保持架在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中將滾珠、軸承外圈及軸承外筒體打碎研磨，同時(shí)磨損紫銅泵送環(huán)，金屬細(xì)粉被沖洗油循環(huán)帶到整個(gè)沖洗系統(tǒng)，從主密封油罐排出大量金屬細(xì)粉。分析認(rèn)為造成向心滾珠軸承保持架疲勞損壞的原因有：①主軸彎曲度實(shí)測(cè)達(dá)到0.28 mm，超過(guò)了技術(shù)要求0.05 mm的規(guī)定值。②主密封油罐表面實(shí)測(cè)溫度65℃，說(shuō)明儲(chǔ)罐冷卻能力下降，沖洗油溫度高，導(dǎo)致向心軸承溫度升高，潤(rùn)滑性能變差。③向心滾珠軸承保持架已經(jīng)達(dá)到運(yùn)行壽命。

3.2 故障2

3.2.1 現(xiàn)象描述

故障2發(fā)生在國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封替代進(jìn)口機(jī)械密封組件的試運(yùn)行階段。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)化機(jī)械密封的改造與使用越來(lái)越普遍[9-12]。該公司2019年大檢修時(shí)在軸流泵P202上試用國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封，該國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封已在其它同型號(hào)的軸流泵上成功應(yīng)用，達(dá)到了3 a使用壽命[12]。安裝國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封前采用廠家提供的專用工裝進(jìn)行氮?dú)庠噳?，安裝后對(duì)機(jī)械密封系統(tǒng)進(jìn)行0.8 MPa靜態(tài)試驗(yàn)，一切正常。

國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖8。國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封將原三重密封改為波紋管式密封，將雙列向心滾珠軸承改為FAG球面滾柱軸承，以提高軸承軸向推力，靜密封點(diǎn)O型圈材質(zhì)采用進(jìn)口氟橡膠。

圖8 國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示圖

2019-08-04 下午啟動(dòng)軸流泵P202，發(fā)現(xiàn)泵產(chǎn)生間歇性雜音，但泵的振動(dòng)、電機(jī)功率均無(wú)明顯異常，為安全起見(jiàn)即刻停運(yùn)軸流泵，并于2019-08-05上午再次啟動(dòng)P202進(jìn)行診斷。P202再啟動(dòng)后仍有間歇性雜音，為防止機(jī)械密封突然失效，遂停運(yùn)軸流泵，將環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)丙烯退出，對(duì)泵進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)主密封軸承損壞，保持架變形，密封軸套抱軸，見(jiàn)圖9。

圖9 國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封損壞情況

3.2.2 原因分析

國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封僅運(yùn)行0.5 h就出現(xiàn)軸承損壞、密封軸套抱軸事故，初步分析判斷軸承保持架破損導(dǎo)致軸承散架是運(yùn)行之初泵出現(xiàn)異常聲音的主要原因。軸承安裝位置不正致使的軸承傾斜、過(guò)盈力太大等容易造成軸承的游隙減小，表面軟化，加劇與機(jī)械密封的摩擦產(chǎn)熱，導(dǎo)致軸承表面表皮脫落進(jìn)入保持架中，加重保持架運(yùn)轉(zhuǎn)阻力和轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)荷，使保持架磨損。如此惡性循環(huán)，就有可能導(dǎo)致軸承保持架斷裂。

此外，安裝軸套鎖緊螺栓松動(dòng)造成內(nèi)圈摩擦高溫抱軸，以及沖洗油循環(huán)不良，密封摩擦熱和軸承熱不能被冷卻帶走，導(dǎo)致密封和軸承溫度高也是機(jī)械密封故障產(chǎn)生的原因。

4 軸流泵機(jī)械密封故障處理措施

2018-07-28 因軸流泵P202機(jī)械密封損壞造成聚丙烯裝置緊急非計(jì)劃停工后，搶修更換了備用主軸、三重密封、整套軸承和葉輪。因機(jī)械密封腔磨出寬20 mm、深6 mm的槽，內(nèi)部密封第三道靜密封圈在此位置密封失效，故臨時(shí)將該密封圈位置向內(nèi)移動(dòng)8 mm，加工出O型圈槽，填補(bǔ)此道靜密封（圖5a標(biāo)注3處）。徹底清洗了沖洗油系統(tǒng)不銹鋼粉末和紫銅粉末[13]，將P202的主密封油罐切割開進(jìn)行徹底清垢，同步更換了P201的三重機(jī)械密封和軸承。2019-06大修時(shí)委托某公司采用激光熔覆法修復(fù)了P202機(jī)械密封腔。

安裝三重機(jī)械密封時(shí)，要求由高水平技師負(fù)責(zé)安裝、指導(dǎo)檢修軸流泵，檢修中必須嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)要求，做到密封安裝位置準(zhǔn)確、找正精細(xì)、緊固可靠。按照技術(shù)要求進(jìn)行試運(yùn)前的靜壓試驗(yàn)，靜壓試驗(yàn)合格后才能回裝葉輪和軸流泵入口短節(jié)。

啟動(dòng)軸流泵前，要對(duì)機(jī)械密封沖洗系統(tǒng)充分盤車排氣，嚴(yán)格按照操作規(guī)程投用沖洗系統(tǒng)Plan53C，環(huán)管反應(yīng)器充壓需超過(guò)3.1 MPa，以防止氣蝕現(xiàn)象破壞密封。開工初期，將環(huán)管反應(yīng)器介質(zhì)密度控制在520～530 kg/m3，要定期排放環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部積聚的不凝氣，否則容易引起軸流泵功率波動(dòng)、軸流泵振動(dòng)增大，對(duì)機(jī)械密封產(chǎn)生破壞。禁止機(jī)械密封在沒(méi)有潤(rùn)滑的條件下干運(yùn)轉(zhuǎn)。

2019年開工初期P202試用國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封不成功，只能將軸流泵停運(yùn)。重新安裝原配置的進(jìn)口John Crane三重機(jī)械密封后，聚丙烯裝置順利開工，沒(méi)有造成嚴(yán)重?fù)p失。

在軸流泵日常運(yùn)行期間，應(yīng)采取以下措施來(lái)保證軸流泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行[14]：①定期排放環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部不凝氣，預(yù)防軸流泵發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。②加強(qiáng)軸流泵振動(dòng)、噪聲、主密封油罐溫度監(jiān)測(cè)。③控制平衡壓力活塞缸液位，規(guī)范補(bǔ)充沖洗油操作，防止油壓波動(dòng)破壞機(jī)械密封。④采用Plan32方案穩(wěn)定控制沖洗丙烯量。⑤定期進(jìn)行潤(rùn)滑油（沖洗油）采樣分析。

5 結(jié)語(yǔ)

從軸流泵P201、P202的使用經(jīng)驗(yàn)看，機(jī)械密封平均使用壽命為3 a，達(dá)不到聚丙烯裝置4～5 a的檢修周期要求，應(yīng)在軸流泵運(yùn)行2～3 a時(shí)進(jìn)行計(jì)劃?rùn)z修，更換機(jī)械密封，預(yù)防非計(jì)劃停工。進(jìn)口John Crane機(jī)械密封性能較為可靠，國(guó)產(chǎn)測(cè)繪改造的機(jī)械密封應(yīng)慎重試用，新購(gòu)或修復(fù)舊密封必須確保其質(zhì)量可靠。從文中2起機(jī)械密封故障看，機(jī)械密封一旦出現(xiàn)泄漏必須盡快停車處理，以免對(duì)軸流泵造成更大的破壞。做好軸流泵機(jī)械密封的日常運(yùn)行管理工作，正確使用和維護(hù)機(jī)械密封可以減少維修成本，保證軸流泵及裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn) 定 運(yùn) 行[15-20]。

軸流泵機(jī)械密封國(guó)產(chǎn)化改造勢(shì)在必行，但不能操之過(guò)急。筆者認(rèn)為，進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)深入到應(yīng)用企業(yè)中，對(duì)軸流泵及其機(jī)械密封的工作原理、結(jié)構(gòu)，已發(fā)生的故障表象等數(shù)據(jù)進(jìn)行廣泛的收集、整理和研究，高度重視機(jī)械密封的材質(zhì)和加工精度，并利用大數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行仿真模擬或利用試驗(yàn)室裝置進(jìn)行仿真試驗(yàn)，為開發(fā)出高效、可靠的軸流泵機(jī)械密封系統(tǒng)提供依據(jù)。在機(jī)械密封國(guó)產(chǎn)化改造尚不成熟的階段，應(yīng)避免在生產(chǎn)裝置上試用。