水煤漿氣化激冷水泵機(jī)械密封泄漏原因分析及對策

高海松，鄭 軍

(中石化齊魯分公司第二化肥廠，山東淄博 255400)

1 激冷水泵工藝流程

水煤漿和氧氣經(jīng)德士古燒嘴充分混合霧化后進(jìn)入氣化爐燃燒室，在約1 400 ℃條件下進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成以CO和H2為有效成分的粗合成氣，粗合成氣和熔融灰渣一起向下，經(jīng)均布激冷水的激冷環(huán)，沿下降管進(jìn)入激冷室的水浴中。激冷水泵從洗滌塔中抽取黑水送至氣化爐激冷環(huán)和文丘里洗滌器，激冷水(7.2 MPa，248 ℃，156.8 t/h)經(jīng)激冷水過濾器濾去可能堵塞激冷環(huán)的固體顆粒，然后送入位于下降管上部的激冷環(huán)，激冷水呈螺旋狀沿下降管的管壁流下，進(jìn)入激冷室。從激冷室出來的合成氣進(jìn)入文丘里洗滌器，與從激冷水泵來的洗滌塔黑水混合，使合成氣夾帶的固體顆粒完全濕潤，以便在洗滌塔內(nèi)能徹底脫除。激冷水泵工藝流程見圖1。

圖1 激冷水泵工藝流程

激冷水泵的運(yùn)行狀態(tài)將會直接影響氣化爐的安全運(yùn)行。2008年10月24日煤氣化裝置開車以來，共發(fā)生2次因激冷水泵出現(xiàn)問題而導(dǎo)致的氣化爐停車事故，其中一次是因?yàn)闄C(jī)械密封泄漏量太大。由于激冷水中含灰渣較多，當(dāng)運(yùn)行泵出現(xiàn)問題需要啟動備用泵時(shí)，備用泵入口管線內(nèi)的灰渣就會進(jìn)入激冷環(huán)，導(dǎo)致激冷環(huán)壓差升高，其后果就是激冷水水量受限，氣化爐無法高負(fù)荷運(yùn)行。若管道有結(jié)垢的情況，則故障泵出入口切斷閥關(guān)不嚴(yán)，可能導(dǎo)致故障泵不能安全切出檢修，最終結(jié)果是氣化爐被迫停車。因此，激冷水泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行成為制約氣化爐長周期運(yùn)行的瓶頸。

2 機(jī)械密封簡介

機(jī)械密封是一種旋轉(zhuǎn)軸用的接觸式動密封，其在流體介質(zhì)和彈性元件的作用下，2個(gè)垂直于軸心線的密封端面緊貼著相對旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到密封的效果。其優(yōu)點(diǎn)是密封性能可靠、泄漏量極小、摩擦功率損耗小、工作狀況穩(wěn)定、緩沖性好、使用周期長以及使用范圍廣，可適用于多種工況；其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度高、裝配要求高、維修不方便以及價(jià)格高。通用離心泵機(jī)械密封種類繁多，型號各異，但它們的泄漏都表現(xiàn)在制造質(zhì)量不好、安裝質(zhì)量不穩(wěn)定、工藝操作不當(dāng)及工況的改變等[1]。機(jī)械密封泄漏點(diǎn)主要有五處：軸套與軸間的密封處，動環(huán)與軸套間的密封處，摩擦副即動、靜環(huán)間的密封處，對靜環(huán)與靜環(huán)座間的密封處，密封端蓋與泵體間的密封處[2-3]。

機(jī)械密封主要元件結(jié)構(gòu)示意見圖2，機(jī)械密封的泄漏與它們的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)系。

圖2 機(jī)械密封主要元件結(jié)構(gòu)示意

機(jī)械密封的故障主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①密封端面的故障，如磨損和熱裂等；②彈簧的故障，如松弛、斷裂和腐蝕等；③輔助密封圈的故障，如有裂口、碰傷、變形、硬化和變質(zhì)等；④間隙配合不好。

3 激冷水泵機(jī)械密封泄漏原因分析

3.1 工藝及操作方面的原因

3.1.1 設(shè)計(jì)原因

在氣化爐投料前，洗滌塔壓力要求小于0.4 MPa(一般為了一次投料成功壓力都控制在0.1 MPa 以下)，但從除氧器經(jīng)洗滌塔給料泵補(bǔ)至洗滌塔的高壓灰水溫度達(dá)到了120 ℃。由于高壓灰水飽和蒸汽壓大于泵入口壓力，進(jìn)入洗滌塔的高壓灰水就不可避免地發(fā)生汽蝕，對泵體尤其是機(jī)械密封造成嚴(yán)重?fù)p害。另外，為了保證系統(tǒng)中氧體積分?jǐn)?shù)低于0.5%，投料之前需要對系統(tǒng)進(jìn)行氮?dú)庵脫Q。當(dāng)洗滌塔液位過高時(shí)，充入的大量氮?dú)鉄o法進(jìn)行有效分離，會造成塔內(nèi)冷水夾帶大量氣泡。

3.1.2 操作原因

激冷水泵檢修后，其機(jī)械密封壽命不長，甚至有一次氣化爐剛投料完成就發(fā)生較大量的泄漏(使用壽命僅2 h)。這與投用時(shí)的操作密切相關(guān)，主要表現(xiàn)在以下方面：①密封水閥、泵入口閥的打開順序不正確。正確的順序是首先打開泵體排氣閥，然后投用密封水閥，最后打開泵入口閥。由于該泵操作時(shí)一般約4人共同完成，在沒有統(tǒng)一的指揮時(shí)，常會發(fā)生密封水閥還未開而泵入口閥已打開的情況，導(dǎo)致約 240 ℃的激冷水進(jìn)入機(jī)械密封腔體，損壞輔助密封；再加上激冷水中固含量高，泵運(yùn)行時(shí)加劇摩擦副的磨損，導(dǎo)致機(jī)械密封短期失效。②閥門開得太快、開度太大。在此情況下，因泵內(nèi)還沒有壓力，大量高壓密封水直接沖入密封腔體，摩擦副端面脫開，損壞機(jī)械密封，此類事故也曾有發(fā)生。③由于原始設(shè)計(jì)機(jī)械密封沖洗水管線缺少流量計(jì)，操作人員投用機(jī)械密封沖洗水時(shí)沒有一個(gè)定量的概念。當(dāng)沖洗水量不足時(shí)，摩擦副長期運(yùn)行后發(fā)生磨損而造成泄漏。

3.2 泵體方面原因

3.2.1 暖泵線故障

由于激冷水溫度高，之前暖泵線經(jīng)常堵塞，造成備用泵自啟時(shí)不能充分暖泵，泵部件在溫度急劇升高的情況下產(chǎn)生裂紋，從而引起泵體振動過大，最終結(jié)果就是造成密封損壞。

3.2.2 泵振動過大

動平衡不良、軸承損壞、摩擦、汽蝕、基礎(chǔ)松動等原因都可能引起泵體振動過大，過大的振動不可避免地會對機(jī)械密封使用造成不良影響。

3.3 密封質(zhì)量原因

激冷水泵采用單端面高壓機(jī)械密封，有幾次故障后，拆卸集裝式機(jī)械密封，發(fā)現(xiàn)聚四氟乙烯環(huán)有高溫磨損現(xiàn)象。

4 機(jī)械密封失效對策

4.1 改進(jìn)操作方法

正常生產(chǎn)時(shí)，除氧器至洗滌塔的水溫在125 ℃左右，盡可能降低洗滌塔的溫度是最好、最直接的方法。除氧器的熱源主要有脫鹽水和凈化裝置來的低壓冷凝液，但是為了保證凈化裝置液位的穩(wěn)定和環(huán)保的要求，低壓冷凝液已基本不再調(diào)節(jié)，而且為了保障系統(tǒng)水質(zhì)，精制水不宜減少。經(jīng)協(xié)商，決定在氣化爐投料時(shí)采用高壓灰水泵提供的事故激冷水進(jìn)行開車，當(dāng)系統(tǒng)壓力升高到0.2 MPa后再啟動激冷水泵，從根源上消除了泵汽蝕的可能。

4.2 嚴(yán)格按照操作規(guī)程操作

在開泵前，先打開排氣閥，再打開密封沖洗水閥，并控制密封水壓高于入口壓力0.05 MPa，最后打開泵入口閥。

4.3 暖泵線改造

激冷水泵的暖泵線是泵出口單向閥跨線。該跨線設(shè)計(jì)采用DN 25 mm管線且彎頭較多，由于黑水中灰渣較多，暖泵線極易堵塞而造成備用泵不熱備。若泵因故自啟，泵體部件如導(dǎo)葉、襯板、葉輪等會因熱應(yīng)力產(chǎn)生損壞，由此產(chǎn)生的過大振動會對機(jī)械密封造成致命損壞。技術(shù)人員對暖泵線實(shí)施了改造，一方面減少暖泵線的長度并減少彎頭數(shù)；另一方面在暖泵線上增加中壓鍋爐水作為沖洗水，當(dāng)暖泵線堵塞時(shí)，打開沖洗水進(jìn)行疏通，可保證備用泵時(shí)刻處于備用狀態(tài)。

4.4 機(jī)械密封改進(jìn)

因機(jī)械密封聚四氟乙烯環(huán)有高溫磨損現(xiàn)象而造成密封失效，與密封生產(chǎn)廠家溝通后進(jìn)行改造?，F(xiàn)采用耐溫300 ℃的全氟醚O形密封圈代替聚四氟乙烯環(huán)。

4.5 機(jī)械密封沖洗水管線增加流量計(jì)

在機(jī)械密封沖洗水切斷閥后增加了轉(zhuǎn)子流量計(jì)，操作時(shí)控制沖洗水量在1.0～1.5 m3/h，避免沖洗水量太小而失去沖洗效果。

5 結(jié)語

煤氣化激冷水泵機(jī)械密封泄漏的原因是多方面的，要解決這個(gè)生產(chǎn)難題不僅要從機(jī)械密封本身查找原因，更要從其所處的工藝條件著手，另外操作問題、檢修質(zhì)量也會對其造成一定影響。只有不斷在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，才能找到機(jī)械密封失效的原因，從而采取有效的措施解決問題，保障激冷水泵的安全、可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧中華.4112-P3激冷水泵機(jī)械密封失效原因分析及對策[J].機(jī)械，2009，36(9)：74- 77.

[2] 彭德遲，余良旺.水泵機(jī)械密封失效分析及對策[J].給水排水，2006，32(5)：90- 92.

[3] 王彥海，周夏.離心式熱氨泵機(jī)械密封失效原因分析及改造措施[J].化肥工業(yè)，2008，35(2)：62- 63.