高壓往復(fù)注水泵故障分析及解決措施

高松林（四川石化有限責(zé)任公司）

高壓往復(fù)注水泵故障分析及解決措施

高松林（四川石化有限責(zé)任公司）

渣油加氫脫硫裝置的3臺(tái)高壓往復(fù)注水泵經(jīng)常發(fā)生故障，維修頻次較高，導(dǎo)致反應(yīng)高壓空冷注水中斷，不利于渣油加氫裝置的安全平穩(wěn)生產(chǎn)。對(duì)渣油加氫高壓往復(fù)注水泵運(yùn)行中遇到的柱塞斷裂、柱塞表面磨損拉毛以及填料泄漏等三種常見故障進(jìn)行分析，得出柱塞斷裂是由于柱塞材質(zhì)內(nèi)部存在缺陷、柱塞頭強(qiáng)度不夠、附加應(yīng)力造成；柱塞拉毛磨損是由于柱塞和柱塞襯套之間以及填料箱之間的裝配間隙不匹配造成；填料泄漏是由于冷卻水中斷及填料選材不合理造成，針對(duì)以上原因提出了相應(yīng)解決措施。

高壓往復(fù)注水泵柱塞斷裂表面磨損填料泄漏

中國石油四川石化的300×104t/a渣油加氫脫硫裝置共有3臺(tái)高壓注水泵，兩開一備，是渣油裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一。泵型號(hào)：TITANO314OQ（Φ70× 120）；最大沖程：120mm；最大流量：22.9m3/h；最大設(shè)計(jì)壓力：20MPa；沖程頻率（往復(fù)運(yùn)動(dòng)的次數(shù)）：174r/min；由五級(jí)缸串級(jí)組成，通過逐級(jí)壓縮將0.347MPa的除氧水壓縮至16MPa左右，主要以連續(xù)注水的方式注入渣油加氫高壓空冷入口以溶解銨鹽，防止銨鹽結(jié)晶堵塞管束，對(duì)生產(chǎn)造成不利影響。

1　注水泵故障情況

高壓往復(fù)注水泵在運(yùn)行中常見的故障有柱塞根部發(fā)生斷裂，目前為止已發(fā)生2次（圖1、圖2）。第一次發(fā)生在二級(jí)柱塞、第二次發(fā)生在第五級(jí)；其次是柱塞表面磨損拉毛，如圖3所示；再次是填料密封老化經(jīng)常發(fā)生泄漏。

圖1　柱塞新舊對(duì)比

圖3　柱塞表面磨損拉毛

2　故障分析及措施

2.1柱塞斷裂

高壓往復(fù)注水泵密封采用兩級(jí)盤根填料，柱塞桿通過螺紋、半卡環(huán)連接，并通過2個(gè)半卡傳遞拉力帶動(dòng)柱塞做功。其斷裂破壞形式如圖1所示，柱塞尾部整體斷裂，柱塞斷裂處為柱塞與半卡接觸處，柱塞在此尺寸發(fā)生突變，加之變徑處沒有明顯的過渡，很容易在軸徑突變處產(chǎn)生應(yīng)力集中造成柱塞斷裂［1］。

1）斷面總是發(fā)生在金屬組織最薄弱的地方。從圖2可知，斷裂面的金屬組織有細(xì)小裂紋，金屬強(qiáng)度降低。隨著柱塞不斷地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柱塞承受往復(fù)交替的拉力、壓力傳遞至柱塞頭部，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)造成柱塞斷裂。要想避免柱塞的斷裂，要求材質(zhì)內(nèi)部無缺陷；選用高強(qiáng)度的柱塞材料。

2）柱塞裝配間隙調(diào)整不當(dāng)也會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，如圖4所示，柱塞頭與十字頭內(nèi)墊鐵采用曲面接觸，若卡盤、螺紋環(huán)、半卡及墊鐵間隙大，就會(huì)造成柱塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中承受的沖擊力變大。合理的裝配可以使作用在柱塞根部的應(yīng)力降低。從設(shè)計(jì)上可以將接觸由球面改為平面接觸，避免因松動(dòng)造成附加應(yīng)力。

圖4　柱塞連接結(jié)構(gòu)

3）柱塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中起破壞作用的是拉應(yīng)力。提高柱塞的抗拉強(qiáng)度，可以避免柱塞斷裂。柱塞的斷裂發(fā)生在變徑處，只要增大尺寸添加過渡圓弧就可以避免從此處斷裂［1］。

2.2柱塞表面磨損拉毛

檢查拆下的柱塞表面發(fā)現(xiàn)柱塞前部約1/3面積發(fā)生表面磨損拉毛的情況。如圖3所示。同時(shí)檢查填料襯套發(fā)現(xiàn)柱塞襯套內(nèi)壁底部偏左出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，磨損達(dá)2～3mm。如圖5所示。

圖5　柱塞襯套磨損

1）柱塞和柱塞襯套之間以及填料箱之間的裝配間隙不合理，將會(huì)造成柱塞不對(duì)中與柱塞襯套偏磨，導(dǎo)致填料箱溫度升高，嚴(yán)重的會(huì)拉傷柱塞表面，造成泄漏。2014年11月17日，從填料冷卻水回水處發(fā)現(xiàn)水壓比正常情況高、泄露水量明顯增加，發(fā)現(xiàn)二級(jí)填料壓蓋端面有泄露。對(duì)泵進(jìn)行檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)泄露級(jí)柱塞表面有明顯的傷痕、痕跡與柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向一致，而柱塞襯套的內(nèi)表面有明顯的摩擦痕跡，說明柱塞襯套和柱塞發(fā)生了摩擦［2］。偏磨的位置發(fā)生在底部偏左，可以排除柱塞因重力作用下沉導(dǎo)致其與柱塞襯套摩擦的可能性。

2）填料壓蓋過緊導(dǎo)致柱塞表面與接觸到的填料及隔圈摩擦增大，最后導(dǎo)致柱塞拉毛，因此要及時(shí)調(diào)節(jié)填料壓蓋的松緊，防止柱塞拉毛［3］。填料若裝偏，將導(dǎo)致柱塞偏移，運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)發(fā)生與填料襯套摩擦。

3）柱塞表面拉毛磨損，另一方面說明了柱塞的選材及加工工藝不能滿足生產(chǎn)的實(shí)際要求。需要選用含C和Cr較高的馬氏體時(shí)效鋼（9Crl8MoV）為柱塞材料，此鋼缺口韌性、耐疲勞和耐磨性好。在柱塞加工過程中，取消表面噴涂氧化鉻層工藝，采用表面氮化處理［4］。

4）如果填料安裝得不正確，其使用壽命將會(huì)縮短15%～20%［2］。填料的安裝應(yīng)按檢修手冊(cè)要求進(jìn)行安裝。注意填料密封內(nèi)表面和側(cè)面應(yīng)光滑平整，填料環(huán)的切口塞填時(shí)應(yīng)互為120°或180°，用潤滑油涂抹柱塞表面，并把柱塞插入填料箱，用手將填料壓蓋壓人填料箱內(nèi)，防止因偏斜被填料箱口部掛牢。

2.3填料泄漏

良好的冷卻環(huán)境是機(jī)械長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)鍵。高壓往復(fù)泵在運(yùn)動(dòng)過程中，柱塞與填料之間不可避免產(chǎn)生摩擦熱。產(chǎn)生的熱量會(huì)加速填料的老化，導(dǎo)致泄露發(fā)生。往復(fù)泵填料由兩級(jí)組成，前段填料主要靠壓縮介質(zhì)冷卻，后段填料由外置除鹽水冷卻。在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)冷卻水回水中斷，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)由于填料冷卻水含有雜質(zhì)（圖6），將冷卻上水管線堵塞。經(jīng)確認(rèn)雜質(zhì)主要由3mm左右的小石子組成，后端填料得不到很好的冷卻，壽命大大縮短。

從填料更換的情況來看，前端填料運(yùn)行一段時(shí)間會(huì)發(fā)硬，不具有新填料的彈性，填料密封效果變差。填料的選材不能滿足長(zhǎng)周期運(yùn)行要求。所以，填料冷卻水中斷及填料選材不合理是填料發(fā)生泄漏的主要原因。

填料冷卻水加裝濾網(wǎng)，以阻止雜質(zhì)進(jìn)入填料。同時(shí)聯(lián)系填料冷卻水供水方，解決除鹽水含雜質(zhì)問題、定期切換注水泵對(duì)過濾器進(jìn)行清洗。

圖6　冷卻水雜質(zhì)

正確選擇合適的密封填料對(duì)提高密封性能和使用壽命是至關(guān)重要的。由聚四氟乙烯纖維與柔性石墨以特定的生產(chǎn)工藝制成的復(fù)合密封填料，既克服了聚四氟乙烯纖維彈性低、氣密性差的缺點(diǎn)，又彌補(bǔ)了柔性石墨抗剪切、耐沖擊性能低的不足，具有良好的回彈性能、氣密性和耐沖擊性等綜合性能，可明顯改善密封的工作性能，提高使用壽命［5］。

3　結(jié)論

1）針對(duì)柱塞斷裂問題，選材要求材質(zhì)內(nèi)部無缺陷；降低或消除作用在柱塞頭部的附加應(yīng)力，將曲面接觸改為平面接觸、將柱塞變徑處尺寸增加，并有明顯過渡。

2）柱塞拉毛磨損可以從填料的安裝確保柱塞和柱塞襯套之間以及填料箱之間的裝配間隙合理不偏磨；填料的松緊合適；選用含C和Cr較高的馬氏體時(shí)效鋼（9Crl8MoV）為柱塞材料，加工工藝采用表面氮化處理。

3）優(yōu)化填料冷卻水水質(zhì)、改善填料環(huán)境，填料材質(zhì)選用聚四氟乙烯纖維與柔性石墨以特定的生產(chǎn)工藝制成的復(fù)合密封填料，來改善填料泄漏。

［1］劉福，季冬.高壓往復(fù)泵柱塞斷裂故障分析及解決方案［J］.科技博覽，2013（25）：68.

［2］劉明洪.高壓往復(fù)泵填料泄漏原因分析及改進(jìn)措施［J］.廣州化工，2013，41（11）：210.

［3］李振輝.氨泵柱塞漏氨的原因及對(duì)策［J］.小氮肥，2008，36（12）：20-21.

［4］陣尊禹.小型往復(fù)泵的柱塞改造［J］.大氮肥，1991（5）：345-346.

［5］葛京鵬，郝木明，陳遜.液氨柱塞泵密封失效分析及技術(shù)改進(jìn)［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2000，21（5）：47-50.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.003.013

2015-01-05）

高松林，工程師，2005年畢業(yè)于新疆大學(xué)，從事渣油加氫工作，E-mail：52538366@163.com，地址：四川成都彭州石化北路1#四川石化生產(chǎn)二部，611930。