導(dǎo)熱油循環(huán)泵機(jī)械密封故障分析及處理

趙 雄，劉 榮，劉萬軍，陳海平，于海洋

（中廣核太陽能德令哈有限公司，青海德令哈 817000）

0 引言

槽式光熱電站導(dǎo)熱油循環(huán)泵為動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)核心設(shè)備，該類型泵輸送介質(zhì)溫度高，且介質(zhì)具有較強(qiáng)滲透性及低腐蝕性，該類型泵所配置機(jī)械密封及循環(huán)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)屬于適配期，無成熟穩(wěn)定的實(shí)際應(yīng)用范例。目前國(guó)內(nèi)廣泛用于導(dǎo)熱油輸送的離心泵，其運(yùn)行溫度均在200 ℃左右，而槽式光熱電站配用離心式導(dǎo)熱油輸送泵運(yùn)行設(shè)計(jì)溫度最高達(dá)293 ℃，因此對(duì)泵所配置機(jī)械密封及附屬系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的要求更為嚴(yán)苛。因槽式光熱電站導(dǎo)熱油循環(huán)泵運(yùn)行工況的特殊性，該類型泵配置集裝式雙端面機(jī)械密封，根據(jù)兩年多現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，機(jī)械密封運(yùn)行中故障頻率高、運(yùn)行周期短等問題突出。針對(duì)運(yùn)行、檢修中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，制定相應(yīng)的改進(jìn)方案及預(yù)控措施，使機(jī)械密封達(dá)到正常使用壽命。

1 導(dǎo)熱油循環(huán)泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)及工作原理

導(dǎo)熱油循環(huán)泵屬單級(jí)、臥式、中心線支撐離心泵，用于導(dǎo)熱油（聯(lián)苯-聯(lián)苯醚）的輸送，葉輪為徑向、閉式葉輪，泵體與轉(zhuǎn)動(dòng)部分采用集裝串聯(lián)雙端面機(jī)械密封，泵蓋配置冷卻腔，對(duì)軸密封腔體進(jìn)行冷卻，防止介質(zhì)在機(jī)械密封附近發(fā)生汽化。導(dǎo)熱油循環(huán)泵運(yùn)行最高流量3001.5 m3/h，揚(yáng)程305 m，最高轉(zhuǎn)速2012 r/min，介質(zhì)運(yùn)行溫度293 ℃。

該泵采用的集裝串聯(lián)雙端面機(jī)械密封的原理與單端面機(jī)械密封原理基本相同，都是靠垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面（摩擦副）在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力的作用以及輔助密封的配合下、保持貼合并相對(duì)滑動(dòng)而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置（圖1）。工作時(shí)，在流體壓力（介質(zhì)壓力）和彈性元件的彈力等合力的作用下，在密封環(huán)的端面產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)膲壕o力，使兩個(gè)接觸端面（動(dòng)環(huán)、靜環(huán)端面）相互緊密貼合，并在兩端面間維持液膜，達(dá)到密封的目的。雙端面機(jī)械密封有兩道端面密封，若一級(jí)密封失效，二級(jí)密封仍然可密封防止泄漏。配置一套外置循環(huán)系統(tǒng)，向密封腔內(nèi)引入封液進(jìn)行堵封、潤(rùn)滑和冷卻，循環(huán)液同樣使用導(dǎo)熱油，用于沖洗、冷卻摩擦副，改善機(jī)械密封工作環(huán)境，同時(shí)作為一級(jí)密封面是否失效的重要檢測(cè)手段[1]。

圖1 串聯(lián)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

雙端面機(jī)械密封由兩套摩擦副串聯(lián)布置，機(jī)封冷卻循環(huán)系統(tǒng)的壓力一般比一級(jí)密封前的壓力高0.01～0.03 MPa，循環(huán)液設(shè)計(jì)流量15 L/min。當(dāng)一級(jí)密封泄漏時(shí)，循環(huán)液會(huì)進(jìn)入泵內(nèi)，確保泵內(nèi)介質(zhì)不會(huì)外泄。由于循環(huán)液進(jìn)入泵內(nèi)，循環(huán)液系統(tǒng)壓力、液位均降低，可以實(shí)現(xiàn)密封的泄漏監(jiān)測(cè)和報(bào)警。串聯(lián)式機(jī)械密封布置方式使密封腔的壓力逐級(jí)降低，介質(zhì)外漏量減少。一級(jí)密封采用波紋管連接，可補(bǔ)償及緩沖動(dòng)環(huán)因磨損、軸向串量及振動(dòng)等原因產(chǎn)生的軸向位移，同時(shí)動(dòng)環(huán)隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)時(shí)使密封面產(chǎn)生一定的比壓。

2 故障現(xiàn)象及分析

電站配置的3 臺(tái)導(dǎo)熱油循環(huán)泵投運(yùn)第一年，連續(xù)8 次因機(jī)械密封失效發(fā)生泄漏使設(shè)備退出運(yùn)行，機(jī)械密封最短運(yùn)行周期甚至未超過1 個(gè)月，對(duì)電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成較大影響。

2.1 故障現(xiàn)象

2.1.1 內(nèi)漏

（1）機(jī)械密封增壓缸活塞升起，無法判斷增壓缸液位，需人工頻繁啟動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)維持。機(jī)械密封增壓缸內(nèi)液位無法維持，說明機(jī)封一級(jí)密封摩擦副已失效發(fā)生微量?jī)?nèi)漏，增壓缸內(nèi)循環(huán)液流入泵內(nèi)使增壓缸液位下降，需頻繁補(bǔ)液維持。

（2）在機(jī)封冷卻系統(tǒng)投運(yùn)正常工況下，機(jī)封循環(huán)液溫度逐漸升高，達(dá)到機(jī)封最高運(yùn)行設(shè)定溫度（保護(hù)動(dòng)作值80 ℃）。該現(xiàn)象說明一級(jí)密封摩擦副失效泄漏量已達(dá)到較嚴(yán)重程度，泵內(nèi)高溫導(dǎo)熱油外泄至機(jī)封循環(huán)液腔室內(nèi)，超過機(jī)封循環(huán)液冷卻系統(tǒng)負(fù)載而達(dá)到溫度限值。

（3）機(jī)封循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行壓力不正常下降或與泵入口壓力一致。正常工況下機(jī)封循環(huán)液壓力高于泵入口壓力0.01～0.03 MPa，在機(jī)封摩擦副失效泄漏的情況下，循環(huán)液與泵入口壓差則無法維持，壓力呈非正常下降趨勢(shì)。

（4）機(jī)封配套循環(huán)系統(tǒng)流量達(dá)不到設(shè)計(jì)水平（設(shè)計(jì)流量15 L/min），且流量波動(dòng)較大。機(jī)械密封摩擦副失效情況下，由于增壓缸液位無法維持，機(jī)封循環(huán)泵發(fā)生汽蝕，引起流量的波動(dòng)。

2.1.2 外漏

（1）導(dǎo)熱油循環(huán)泵軸端有導(dǎo)熱油或油氣外泄現(xiàn)象。在二級(jí)密封摩擦副失效工況下，系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)熱油延軸端泄漏或機(jī)封檢漏系統(tǒng)排液管路不斷有導(dǎo)熱油漏出。

（2）機(jī)封循環(huán)系統(tǒng)壓力低于泵入口壓力。二級(jí)密封摩擦副失效漏量大，則會(huì)使循環(huán)液系統(tǒng)壓力無法維持，甚至低于泵入口壓力。

2.2 原因分析

（1）泵運(yùn)行工況變化引起振動(dòng)增大。泵運(yùn)行中由于汽蝕、入口流量不足等非正常運(yùn)行工況，造成泵軸向推力變大或軸向位移變化，致使動(dòng)環(huán)、靜環(huán)密封面出現(xiàn)擠壓、碰撞，密封面碳化硅損傷[2]。

（2）機(jī)械密封制造設(shè)計(jì)因素。機(jī)械密封運(yùn)行中局部卡澀，摩擦副、波紋管等部件發(fā)生傾斜，造成摩擦副損壞及波紋管局部開焊及拉裂現(xiàn)象。另外，波紋管是由數(shù)層膜片焊接而成，膜片剛度及應(yīng)力能否滿足設(shè)計(jì)要求對(duì)其使用壽命至關(guān)重要，結(jié)合機(jī)械密封解體檢查情況，波紋管開焊、破裂缺陷是密封失效的一個(gè)重要因素。

（3）機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。根據(jù)運(yùn)行中機(jī)封循環(huán)泵存在不規(guī)律異聲，運(yùn)行流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的情況，可判斷機(jī)封循環(huán)泵存在設(shè)計(jì)及選型缺陷，致使機(jī)封冷卻、潤(rùn)滑不足，加劇密封失效。

（4）安裝機(jī)械密封工藝存在偏差。檢修安裝機(jī)械密封定位不準(zhǔn)確，形成較大的壓縮量造成摩擦副密封面磨損加劇。同時(shí)，泵與電機(jī)聯(lián)軸器中心偏差大，泵兩側(cè)徑向滑動(dòng)軸承磨損導(dǎo)致中心偏移等因素均會(huì)影響機(jī)械密封的使用壽命[3]。

3 處理措施

3.1 提高運(yùn)行工況穩(wěn)定性

導(dǎo)熱油循環(huán)泵為單級(jí)離心泵，輸送介質(zhì)為高溫導(dǎo)熱油，運(yùn)行中會(huì)存在一定的汽蝕現(xiàn)象引起泵體振動(dòng)；泵啟動(dòng)初期，泵體各部由于受熱不均產(chǎn)生振動(dòng)情況也較為明顯。由于機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)密封面材質(zhì)為碳化硅，泵振動(dòng)會(huì)造成碳化硅結(jié)合面的沖擊破損，引起機(jī)械密封泄漏，故泵啟動(dòng)前應(yīng)充分進(jìn)行暖泵、排氣等操作，泵運(yùn)行中加強(qiáng)對(duì)濾網(wǎng)前后差壓的關(guān)注，防止泵及管路系統(tǒng)運(yùn)行中振動(dòng)。運(yùn)行中加強(qiáng)對(duì)機(jī)械密封各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)督，重點(diǎn)關(guān)注機(jī)封溫度，機(jī)封循環(huán)裝置流量、壓力等參數(shù)，規(guī)范機(jī)封循環(huán)系統(tǒng)增壓罐補(bǔ)液操作，防止監(jiān)控不到位導(dǎo)致的機(jī)封損壞[4]。

3.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在解體故障機(jī)械密封過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)封內(nèi)波紋管密封卡澀偏斜導(dǎo)致機(jī)封內(nèi)漏。由于卡澀偏斜受力不均等因素造成波紋管產(chǎn)生裂紋（一部分是波紋管本身存在質(zhì)量問題），對(duì)此，由設(shè)備制造廠家對(duì)波紋管與機(jī)械密封連接部位進(jìn)行了優(yōu)化改造，消除了機(jī)械密封內(nèi)部卡澀補(bǔ)償量不足的問題。同時(shí)，機(jī)械密封使用波紋管基本依靠國(guó)外進(jìn)口（國(guó)內(nèi)有少量生產(chǎn)廠家），在機(jī)械密封修復(fù)過程中，對(duì)國(guó)外某公司生產(chǎn)波紋管與國(guó)產(chǎn)波紋管進(jìn)行對(duì)比使用，由于焊接工藝方面差異，進(jìn)口配件使用壽命明顯優(yōu)于國(guó)產(chǎn)配件，從安全性能方面考慮建議機(jī)封修復(fù)盡量使用進(jìn)口原廠配件。

3.3 冷卻循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化。

機(jī)封外置冷卻循環(huán)系統(tǒng)配置2 臺(tái)磁力泵（1 用1 備），運(yùn)行初期流量在5～8 L/min（設(shè)計(jì)15 L/min），未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)機(jī)械密封摩擦副的冷卻潤(rùn)滑效果不良。經(jīng)對(duì)磁力泵加裝變頻器改造后，機(jī)封循環(huán)泵流量逐步達(dá)到15 L/min，機(jī)械密封超溫現(xiàn)象得到一定改善。但在運(yùn)行中又發(fā)現(xiàn)增壓罐補(bǔ)液系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，存在機(jī)封循環(huán)系統(tǒng)流量不穩(wěn)定、壓力波動(dòng)等因素，對(duì)機(jī)械密封使用壽命造成一定影響，通過調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)排氣方式，減少磁力泵內(nèi)部汽蝕的方式使該問題得以解決。

3.4 提高機(jī)械密封檢修安裝水平

機(jī)械密封檢修安裝過程嚴(yán)格執(zhí)行檢修工序工藝，對(duì)泵聯(lián)軸器中心、軸承間隙、機(jī)械密封定位等工序嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)控制，防止由于檢修安裝工藝不良導(dǎo)致的機(jī)封壽命縮短。

4 結(jié)語

針對(duì)導(dǎo)熱油循環(huán)泵集裝機(jī)械密封運(yùn)行中頻繁發(fā)生密封失效的問題，通過提高運(yùn)行工況穩(wěn)定性，對(duì)機(jī)封內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化機(jī)封冷卻循環(huán)系統(tǒng)，提高檢修工藝水平等一系列措施，該類故障近1 年內(nèi)僅出現(xiàn)一次，達(dá)到設(shè)備使用正常水平，使設(shè)備運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性得到有效保障。