WLO-60MS 齒輪泵故障原因分析與改進(jìn)

顧文麗

( 中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司化工部，200540)

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司化工部聚乙烯醇(PVA)裝置于20 世紀(jì)70 年代從日本可樂(lè)麗公司引進(jìn)，裝置原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為33 kt/a，經(jīng)過(guò)1995 年和1998 年的兩次改造后，生產(chǎn)能力達(dá)到43 kt/a。WLO -60MS 齒輪泵是PVA 裝置的聚合釜出泵，該齒輪泵的工藝流程為:第1 聚合釜中醋酸乙烯(酯類(lèi))與甲醇發(fā)生聚合反應(yīng)生成聚醋酸乙烯，當(dāng)聚合率達(dá)到27%時(shí)，齒輪泵將第1聚合釜中混合料液送入第2 聚合釜繼續(xù)進(jìn)行聚合反應(yīng)。當(dāng)醋酸乙烯聚合成聚醋酸乙烯時(shí)其黏度會(huì)急劇升高，此時(shí)如聚合齒輪泵發(fā)生故障，處理不及時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致物料在聚合釜與輸送管路中自聚凝固，不僅會(huì)造成齒輪泵的損壞，還會(huì)直接影響PVA 產(chǎn)品的聚合度。因此加強(qiáng)齒輪泵的管理，提高其使用壽命，對(duì)PVA 裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行具有重要意義。

1 齒輪泵損壞情況及原因分析

WLO-60MS 齒輪泵由日本大晃機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社制作，操作溫度66 ℃，操作壓力0.7 MPa，設(shè)備材質(zhì)為SUS304，物料為無(wú)色透明的聚合黏液，隨著產(chǎn)品的調(diào)整，物料中的酯含量和黏度會(huì)改變。齒輪泵主要由泵殼、前后側(cè)蓋、齒輪軸、軸承和軸封組成，齒輪泵的工作容積由泵體、齒輪的齒槽及具有側(cè)板功能的軸承構(gòu)成。工作時(shí)，依靠主、從動(dòng)齒輪的相互嚙合，聚合物料進(jìn)入吸入腔兩齒輪的齒槽中，隨著齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，物料從兩側(cè)被帶入排出腔，齒輪再度嚙合，使齒槽中的物料被擠出排出腔，壓送到出口管道。泵的主要易損部件為1 對(duì)主從動(dòng)齒輪軸、8 套開(kāi)式深溝球軸承和1 套軸封(由4 套彈簧機(jī)械密封和6 件骨架油封組成)，拆卸前必須進(jìn)行化學(xué)浸泡清除殘留聚合物料，檢修時(shí)間通常為1 ～3 周。

2012 年6 月16 日PVA 裝置聚合齒輪泵發(fā)生跳停，經(jīng)檢查屬瞬間電機(jī)過(guò)載保護(hù)。重新啟動(dòng)后電流下降到正常值21 A，在維持了3 d 后電流又緩慢上升。6 月22 日中午，PVA 裝置中央控制室集散控制系統(tǒng)(DCS)中聚合齒輪泵電流上限報(bào)警。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)泵振動(dòng)偏大，泵體發(fā)燙，東側(cè)2 套機(jī)械密封漏出黃色粉末狀物。用紅外線測(cè)溫儀測(cè)得4 套機(jī)械密封處的溫度分別為:東上68 ℃，東下66 ℃，西上46 ℃，西下47 ℃，均超出了正常值(40 ～45 ℃的范圍)。為防止設(shè)備零件在高溫下受損傷，立即接橡皮管，用29 ℃的冷卻水進(jìn)行外沖洗冷卻。沖洗后齒輪泵電流在30.23 ～23.14 A 區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。6 月24 日下午，電流波動(dòng)幅度下降至23 ～25 A 的區(qū)間內(nèi)，而機(jī)械密封開(kāi)始大量泄漏聚合黏液。

經(jīng)過(guò)查找資料和分析，并且對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行校對(duì)，認(rèn)為齒輪泵電流波動(dòng)大的原因有:物料黏度過(guò)大、齒輪泵裝配不良、軸或軸承磨損。

對(duì)齒輪泵進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)4 套機(jī)械密封的動(dòng)靜環(huán)O 形密封圈都出現(xiàn)不同程度的損傷，動(dòng)靜環(huán)的密封端面無(wú)明顯磨損痕跡，兩齒輪寬度一致，嚙合接觸點(diǎn)均勻無(wú)磨損，齒輪驅(qū)動(dòng)軸與從動(dòng)軸的機(jī)械密封動(dòng)環(huán)與軸凸肩頂住，拆卸艱難，彈簧已不能伸縮，內(nèi)部凝結(jié)著殘留介質(zhì)，呈土黃色，彈簧座上的緊定螺釘失效，緊靠彈簧座部位軸凸肩磨損。

察看現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)齒輪泵和電機(jī)找正以及調(diào)平符合標(biāo)準(zhǔn)，基礎(chǔ)上碳鋼底板有腐蝕，地腳螺栓有松動(dòng)跡象;機(jī)械密封冷卻系統(tǒng)中，東側(cè)上下兩套的冷卻水管堵塞。

1.1 機(jī)械密封故障的原因分析

機(jī)械密封是允許旋轉(zhuǎn)軸穿過(guò)靜止的密封腔體，但不會(huì)引起不可控制泄漏的部件，由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、輔助密封(O 形密封圈)和軸向補(bǔ)償元件(彈簧和支撐件、緊定螺栓)組成。O 形密封圈失效時(shí)，介質(zhì)從動(dòng)環(huán)與軸之間的間隙中泄漏，并使動(dòng)環(huán)具有一定的浮動(dòng)性，動(dòng)環(huán)受壓，彈簧比壓失衡，彈簧負(fù)載超過(guò)緊定螺釘?shù)牧?，使彈簧座發(fā)生蠕動(dòng)，泄漏物進(jìn)入彈簧后發(fā)生自聚，影響彈簧伸縮，與軸肩發(fā)生機(jī)械摩擦，導(dǎo)致設(shè)備溫度上升，DCS 電流值達(dá)到報(bào)警極限。當(dāng)O 形密封圈完全失效時(shí)，應(yīng)力釋放，電流值反而穩(wěn)定，此時(shí)物料大量泄漏。介質(zhì)在密封腔自聚成固體，被旋轉(zhuǎn)部件擠壓并研磨時(shí)溫度升高，炙烤后顏色變黃，齒輪泵導(dǎo)致機(jī)械密封初始泄漏物呈現(xiàn)黃色粉狀固體。

橡膠O 形密封圈是機(jī)械密封中最典型的主輔助密封，是支撐并接觸主密封環(huán)以阻止密封環(huán)或密封端蓋與軸之間泄漏的元件。檢查發(fā)現(xiàn)O形密封圈已變形和磨損，其具體損傷情況見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 動(dòng)環(huán)O 形密封圈損傷情況

圖2 靜環(huán)O 形密封圈損傷情況

從圖1 和圖2 可見(jiàn):受損O 形密封圈有粗糙破壞的邊緣，其原因是間隙和壓力過(guò)大，材料硬度或彈性太低，溝槽空間太小，間隙尺寸不規(guī)則，溝槽邊角過(guò)于鋒利以及密封件尺寸不合適。受損O形密封圈發(fā)生了永久壓縮變形，其原因可能是壓力過(guò)大、溫度過(guò)高，材料沒(méi)有完成硫化處理，材料本身發(fā)生永久變形率高以及材料在化學(xué)介質(zhì)中過(guò)度膨脹。

聚合齒輪泵通常使用的O 形密封圈材質(zhì)有丁腈橡膠和氟橡膠兩種，損傷的O 形密封圈材質(zhì)為氟橡膠。由于進(jìn)行PVA 新品種的生產(chǎn)，運(yùn)行介質(zhì)中醋酸乙烯的含量增加，對(duì)材質(zhì)的腐蝕性造成一定的影響。為了對(duì)介質(zhì)耐腐蝕性有更好的了解，進(jìn)行了試驗(yàn):各取2 件內(nèi)徑為Φ100 mm、線徑分別為5.7 mm 的氟橡膠和5.5 mm 的丁腈橡膠的O 形密封圈，浸入醋酸乙烯溶液，48 h 后取出。取出后發(fā)現(xiàn)經(jīng)浸泡的氟橡膠彈性變差，線徑尺寸擴(kuò)大1.5 mm，O 形圈發(fā)生了溶脹;而丁腈橡膠的線徑尺寸縮小0.1 mm，O 形圈沒(méi)有溶脹。此現(xiàn)象說(shuō)明氟橡膠材質(zhì)對(duì)介質(zhì)的耐腐蝕性能較差，產(chǎn)生較明顯的變形。

O 形密封圈的破壞形式主要是其在溝槽的間隙中擠出撕裂，因此溝槽的高度和寬度尺寸會(huì)導(dǎo)致O 形密封圈損壞，其受力情況分析見(jiàn)圖3。

圖3 O 形密封圈與溝槽寬度中受力分析

從供應(yīng)商提供的資料《解讀AP1682 離心和旋轉(zhuǎn)泵用軸密封系統(tǒng)》中查閱O 形密封圈溝槽尺寸的設(shè)計(jì)推薦，溝槽在孔內(nèi)時(shí)，按軸徑Φ100 mm選等同或大一檔的O 形密封圈線徑，應(yīng)為5.3 mm(符合我國(guó)目前使用的標(biāo)準(zhǔn)GB 3452.1—2007);對(duì)應(yīng)的齒槽寬度7.2 mm，可實(shí)際測(cè)得O 形密封圈線徑5.7 mm(符合舊國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 1235—1976)，齒槽寬度為6.5 mm，沒(méi)有考慮遇介質(zhì)后溶脹的因素，顯然故障O 形密封圈與溝槽的設(shè)計(jì)不合理。

由此推斷O 形密封圈的損傷原因?yàn)?材質(zhì)不耐介質(zhì)腐蝕，導(dǎo)致溶脹、變形;O 形密封圈與溝槽的設(shè)計(jì)不合理，使O 形密封圈被擠入密封間隙而引起的撕裂;失效后，內(nèi)部元件發(fā)生摩擦、過(guò)載，出現(xiàn)局部高溫和高應(yīng)力，使損傷加劇。

1.2 軸凸肩磨損情況和原因分析

齒輪泵的兩根軸上都安裝了齒輪、軸承、機(jī)械密封和油封，為了便于軸上零件的拆裝、定位以及避免應(yīng)力的集中，在齒輪兩側(cè)設(shè)置了軸凸肩。檢查發(fā)現(xiàn)，主、從動(dòng)軸的軸凸肩都有不同程度的磨損，主動(dòng)軸磨損更嚴(yán)重些，具體見(jiàn)圖4。

圖4 主動(dòng)齒輪軸凸肩磨損情況

從圖4 中可以明顯看到:彈簧座把軸磨損得非常嚴(yán)重，產(chǎn)生了很多軸向的深溝，由于彈簧座和軸之間發(fā)生了圓周方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。過(guò)載、壓緊力的改變導(dǎo)致齒輪泵發(fā)熱和電流高，兩表面直接接觸的干摩擦以及摩擦因子減小，導(dǎo)致軸面磨損與燒傷。

正常情況下，彈簧座利用緊定螺釘緊固在軸套上，動(dòng)環(huán)座和彈簧座之間通過(guò)撥叉?zhèn)鲃?dòng)，彈簧座和動(dòng)環(huán)座隨著軸套一起軸向旋轉(zhuǎn)，彈簧座和軸之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)環(huán)座和軸之間只有軸向微量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

彈簧座和軸之間產(chǎn)生圓周方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原因如下:

(1)彈簧座上的緊定螺釘沒(méi)有緊固到位，查看軸上有緊定螺釘打滑的模糊痕跡。

(2)彈簧座和動(dòng)環(huán)座之間靠撥叉?zhèn)鲃?dòng)，安裝時(shí)，要把兩者的撥叉彼此凹凸對(duì)應(yīng)，并且壓縮到需要的工作高度。假如兩者凸凸相對(duì)，就不能保證動(dòng)環(huán)座被傳動(dòng)的效果，彈簧座上的緊定螺釘緊固在軸上的印子的位置會(huì)比正常遠(yuǎn)一些，造成彈簧的壓縮量不夠。

(3)O 形密封圈失效后，物料沿軸泄漏進(jìn)入密封腔，自聚凝固，使彈簧失效，應(yīng)力集中于緊定螺釘，過(guò)載使螺釘位移。

(4)在泄漏故障開(kāi)始時(shí)泵振動(dòng)偏大，在拆卸時(shí)發(fā)現(xiàn)齒輪泵與基礎(chǔ)地腳螺栓有松動(dòng)跡象，這是直接造成振動(dòng)偏大的原因。泵的振動(dòng)和竄動(dòng)如有超標(biāo)，也會(huì)出現(xiàn)以上結(jié)果，察看密封端面和齒輪嚙合面都未出現(xiàn)明顯磨損，更有8 套深溝球軸承定位，排除軸竄動(dòng)超標(biāo)。

1.3 冷卻水管堵塞原因分析

齒輪泵的密封封腔裝有冷卻夾套，每套機(jī)械密封單獨(dú)配備，通過(guò)裝置循環(huán)冷卻水溫度來(lái)置換熱量，以降低密封腔的工作溫度，冷卻水采用公稱直徑6.5 mm 的小口徑管道輸送，進(jìn)出口并列分布，壓力0.3 MPa，溫度為27 ～31 ℃，流量達(dá)到4 L/min。正常情況冷卻出口溫度在40 ～45 ℃，故障時(shí)冷卻出口溫度偏高。檢查發(fā)現(xiàn)東側(cè)冷卻水小管堵塞，清理出聚合物，考慮到泵介質(zhì)與冷卻是隔離的系統(tǒng)，而且?jiàn)A套檢查完好，分析原因應(yīng)該是小管內(nèi)聚合物來(lái)自齒輪泵拆卸前浸泡過(guò)程，廢料從管接口處進(jìn)入夾套，在安裝時(shí)沒(méi)有仔細(xì)清理造成。

2 改進(jìn)措施

2.1 O 形密封圈材質(zhì)選型推薦

O 形密封圈屬于機(jī)械密封組件中的輔助密封，要求其材質(zhì)首先要有良好的彈性，硬度合適且壓縮永久變形小;其次是耐高低溫的老化性能好，耐介質(zhì)腐蝕、溶解、熔脹、溶縮及硬化;還要具備較小的摩擦因子，耐磨耗，有一定的抗撕裂強(qiáng)度。

對(duì)O 形密封圈3 種常用合成橡膠性能進(jìn)行對(duì)比。丁腈橡膠(-40 ～120 ℃)耐油，抗老化性良好，并且又耐熱、耐磨、耐一定腐蝕，廣泛用于接觸汽油及其他油類(lèi)設(shè)備，也耐堿、非氧化性稀酸，不耐氧化性酸(如硝酸、鉻酸)、芳烴、酯、酮、醚、鹵代烴等。氟橡膠可在250 ℃以下長(zhǎng)期使用，300 ℃以下短期使用，其耐蝕性是橡膠中最好的，但低溫性能差，價(jià)格貴，不宜在酮類(lèi)、酯類(lèi)溶液中使用，壓縮永久變形大。乙丙橡膠(-40 ～150 ℃)特別能耐磷酸酯系液壓油、酮、醇溶液和酸、堿，同時(shí)耐高壓水蒸氣，耐候性、耐臭氧性好，但在礦物油和潤(rùn)滑油中膨脹大，不宜使用［1］。

對(duì)照以上3 種材料，發(fā)現(xiàn)乙丙橡膠耐酯和醇溶液性能比較好，更適合PVA 聚合齒輪泵的介質(zhì)。用乙丙橡膠O 形密封圈浸入醋酸乙烯溶液，72 h 后取出，表面光滑，拿捏時(shí)手感彈性沒(méi)有差異，測(cè)得O 形圈線徑無(wú)變化。

因此建議選用乙丙橡膠來(lái)代替原來(lái)的氟橡膠和丁腈橡膠制作聚合齒輪泵的機(jī)械密封O 形密封圈。

2.2 備件的檢查與維修

檢修質(zhì)量對(duì)齒輪泵的使用壽命影響較大，在裝配前應(yīng)先檢查零件的質(zhì)量。

(1)針對(duì)泵軸凸肩磨損，通過(guò)機(jī)械鑲套修復(fù)至原來(lái)尺寸，為保證軸的疲勞強(qiáng)度，加大軸肩處的過(guò)度圓半徑r，r/d ＞0.1，以減小直徑差D/d ＜(1.15～1.2)(其中D 和d 分別是軸肩外徑和內(nèi)徑)［2］。檢修時(shí)將r 值由原來(lái)的5 mm 加大到8 mm，再對(duì)軸表面進(jìn)行熱處理噴鍍，以提高軸的表面質(zhì)量和抗疲勞強(qiáng)度;用千分尺或千分表測(cè)量軸頸和軸承座的不柱度和不圓度，檢查軸頸和軸承座孔的表面有無(wú)毛刺、裂紋或凹凸不平，表面有毛刺可用油石或砂皮磨一下。

(2)檢查滾動(dòng)軸承，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有損壞可以繼續(xù)使用。安裝前放在熱機(jī)油中使殘油熔化，再用煤油沖洗，最后用汽油洗凈，并用白布擦干。

(3)機(jī)械密封損壞嚴(yán)重，需更換，并對(duì)新機(jī)械密封的部件進(jìn)行檢查，檢查項(xiàng)目詳見(jiàn)表1。

(4)檢查密封腔夾套無(wú)泄漏，逐一用壓縮空氣吹掃，確保清潔、暢通。

表1 機(jī)械密封備件檢查項(xiàng)目與結(jié)果

2.3 齒輪泵的安裝與檢修

在齒輪傳動(dòng)裝置的裝配中要保證兩嚙合齒輪的中心距標(biāo)準(zhǔn)、軸線平行，嚙合間隙適中，接觸面積適宜。這些都是齒輪泵能正常工作和確保工作質(zhì)量的主要因素，在安裝檢修中不容忽視。

為了減少摩擦阻力，軸上安裝機(jī)械密封的部位薄薄地涂上一層油。在固定壓蓋之前，用手推補(bǔ)償環(huán)作軸向壓縮，松開(kāi)后補(bǔ)償環(huán)能自動(dòng)彈回?zé)o卡滯現(xiàn)象，然后將壓蓋螺栓均勻地鎖緊。彈簧座的緊定螺釘分幾次均勻擰緊，齒輪嚙合的部位最好在檢修前后保持不變，拆泵時(shí)在齒輪上打出記號(hào)。

齒輪泵在檢修時(shí)主要測(cè)量的間隙包括:

(1)齒輪端面與泵殼的軸向間隙，一般情況下取0.2 mm，用壓鉛法測(cè)得;

(2)齒輪的外圓與泵殼的徑向間隙，一般半徑方向上取0.1 ～0.15 mm，也可按直徑的0.003～0.005 倍選取(總間隙)，用塞尺測(cè)量。

(3)兩齒輪嚙合處間隙一般取0.30 mm，如間隙過(guò)大會(huì)加速磨損，如過(guò)小會(huì)引起發(fā)熱咬住，用壓鉛法測(cè)量。

齒輪泵組裝后盤(pán)車(chē)無(wú)異常，進(jìn)行0.8 MPa 試壓試驗(yàn)。

根據(jù)《石油化工設(shè)備維護(hù)檢修規(guī)程》通用設(shè)備齒輪泵維護(hù)檢修的規(guī)程，同時(shí)參照標(biāo)準(zhǔn)SHS 01017—2004，小修項(xiàng)目是檢查軸封，必要時(shí)更換密封元件，調(diào)整壓蓋間隙或修理機(jī)械密封，正常檢修周期為6 個(gè)月;大修項(xiàng)目包括解體檢查各零部件磨損情況并修理，正常檢修周期為24 個(gè)月。

為提高齒輪泵的使用壽命，采取如下措施:

(1)遇到泵故障或因工藝應(yīng)急切換備臺(tái)的，馬上更換，解體清洗后重新組裝，以免因熔體物料固化，造成軸承潤(rùn)滑不暢而使泵損壞。

(2)將腐蝕部分的底板修復(fù)，消除地腳螺栓松動(dòng)隱患。

(3)在就位時(shí)，聯(lián)軸器必須很精確地找正對(duì)中，避免在運(yùn)行時(shí)軸和聯(lián)軸器中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，影響軸、軸承和其他零件的使用壽命。

(4)泵啟動(dòng)時(shí)，控制出口壓力的變化，不要使壓力急劇上升，以免引起振動(dòng)，損傷軸承或使物料堵塞潤(rùn)滑通道。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)WLO -60MS 齒輪泵故障中發(fā)生的泄漏、發(fā)燙、振動(dòng)和磨損等原因分析，有針對(duì)性地采取了改進(jìn)措施。根據(jù)聚合介質(zhì)中含酯的特殊工況，改進(jìn)了O 形密封圈材質(zhì)，在維修中注重裝配間隙，優(yōu)化處理了設(shè)備運(yùn)行環(huán)境。在采取以上維修措施后，齒輪泵投入運(yùn)行7 個(gè)多月來(lái)，觀察電流顯示平穩(wěn)，無(wú)泄漏現(xiàn)象。在裝置生產(chǎn)中，加強(qiáng)設(shè)備管理，積累維修經(jīng)驗(yàn)，會(huì)減少設(shè)備故障，使腐蝕和磨損最小化，最大限度的減少泄漏與停機(jī)時(shí)間，減少維修并且延長(zhǎng)設(shè)備的壽命，從而降低使用成本。

［1］ 顧永泉.機(jī)械密封實(shí)用技術(shù)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001:212 -213.

［2］ 聞幫椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:40 -44.