焦化循環(huán)氨水泵機(jī)械密封頻繁失效故障分析

王德偉

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東 日照276800）

1 前 言

機(jī)械密封作為循環(huán)氨水泵密封裝置的關(guān)鍵部件之一，是一種用來解決旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)體之間密封的裝置，主要依靠在軸垂直方向上發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的密封端面進(jìn)行密封，所以又叫端面密封。在國家對(duì)機(jī)械密封的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，進(jìn)行了如下定義:由至少一對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力（或磁力）的作用下，借助輔助密封的配合保持貼合并相對(duì)滑動(dòng)而構(gòu)成防止流體泄漏的裝置。機(jī)械密封的頻繁失效，無論是從設(shè)備的生產(chǎn)、安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)角度等分析，都會(huì)帶來較大的影響。機(jī)械密封的平均壽命在1周左右，其中最短壽命為剛開啟泵瞬間機(jī)封便出現(xiàn)破碎失效，導(dǎo)致泵無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，影響生產(chǎn)。同時(shí)75 ℃循環(huán)氨水外漏，存在重大安全、環(huán)保隱患等問題，因此需要對(duì)機(jī)械密封的改進(jìn)予以高度重視。

2 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)和工作原理

循環(huán)氨水泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖1 所示。機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)主要由4部分組成:1）由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成的密封端面，行業(yè)內(nèi)又叫摩擦副。2）輔助密封（以O(shè) 型圈常用為例），包括動(dòng)環(huán)密封圈、靜環(huán)密封圈、軸套O 形圈，起浮動(dòng)和緩沖作用。3）由彈性元件（比較常用件彈簧）、介質(zhì)壓力等組成的補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，其作用是起預(yù)緊、補(bǔ)償、緩沖，保證摩擦副時(shí)刻緊密貼合。4）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證動(dòng)環(huán)跟隨軸一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 循環(huán)氨水泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

軸通過傳動(dòng)座和推環(huán)帶動(dòng)動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)，靜環(huán)固定不動(dòng)，依靠介質(zhì)壓力和彈簧力使動(dòng)靜環(huán)之間的密封端面緊密貼合，阻止了介質(zhì)的泄漏。當(dāng)摩擦副之間不能緊密貼合時(shí)，在彈簧彈力和流體壓力的作用下實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。動(dòng)環(huán)密封圈實(shí)現(xiàn)了防止介質(zhì)從動(dòng)環(huán)與軸或軸套之間泄漏，靜環(huán)密封圈保證了靜環(huán)與壓蓋之間的密封性，通過各個(gè)零部件的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)密封功能。

3 機(jī)械密封頻繁失效的故障分析及改進(jìn)

焦化煤氣凈化工藝焦油氨水分離工序配置3臺(tái)循環(huán)氨水泵（開2 備1），流量1 170 m3/h，揚(yáng)程65 m，機(jī)械密封采用單端面結(jié)構(gòu)。在設(shè)備運(yùn)行過程中，3臺(tái)循環(huán)氨水泵機(jī)封頻繁失效。檢修完成，在倒機(jī)過程中，泵剛開啟的瞬間，機(jī)封破碎，泵內(nèi)液體（氨水）飛濺而出，給操作人員帶來重大安全隱患。通過查看設(shè)備故障記錄，發(fā)現(xiàn)整體平均壽命僅僅為7 d 左右。該機(jī)封頻繁失效造成了生產(chǎn)被動(dòng)，存在安全隱患，同時(shí)也影響了設(shè)備本體的完整性以及操作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境衛(wèi)生。破碎機(jī)封見圖2。

圖2 破碎機(jī)封

造成機(jī)封失效的原因有很多種情況，例如機(jī)封選型不當(dāng)、安裝精度未達(dá)到要求、機(jī)封質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、機(jī)封冷卻水不暢造成干磨等。通常判斷機(jī)封失效原因最關(guān)鍵的一步是從目測(cè)檢查開始，一旦盲目地拆卸，會(huì)造成征兆丟失，跡象無法還原，不利于快速有效地查找原因。通過查閱設(shè)備資料，了解到3臺(tái)循環(huán)氨水泵均采用單端面機(jī)封，兩點(diǎn)傳動(dòng)，材質(zhì)為碳化硅，O型圈采用氟橡膠。通過對(duì)故障機(jī)封的自身質(zhì)量、設(shè)計(jì)選型、安裝精度等多角度進(jìn)行失效原因分析，逐一排查，調(diào)出3套故障機(jī)封進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)每次都是從兩個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)處破裂，其他部位完好。根據(jù)材料力學(xué)中的扭矩力知識(shí)分析，機(jī)封破碎的主要原因是局部瞬間扭矩力過大，因機(jī)封受力點(diǎn)過少，造成機(jī)封在傳動(dòng)點(diǎn)處一分為二。通過對(duì)故障部位和故障機(jī)理的分析，初步判斷機(jī)封頻繁失效的原因是機(jī)封結(jié)構(gòu)不合理所致。

對(duì)機(jī)封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，將兩點(diǎn)傳動(dòng)的機(jī)封改為六點(diǎn)傳動(dòng)，見圖3。增加受力點(diǎn)，平分扭矩力，降低機(jī)封本身扭矩負(fù)荷。經(jīng)過改造重新安裝完成，觀察運(yùn)轉(zhuǎn)效果非常好，至今機(jī)封沒有任何泄漏，平均壽命達(dá)到2 a 多，保證了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)以及工藝的順行，消除了安全、生產(chǎn)、環(huán)保、設(shè)備等隱患。

圖3 改造前后機(jī)封傳動(dòng)點(diǎn)

4 改造效果

通過本次對(duì)機(jī)封結(jié)構(gòu)的改造，大大延長了機(jī)封的使用壽命，投入使用至今泵運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，未出現(xiàn)任何檢修故障。徹底解決機(jī)封頻繁失效的問題，減輕了職工操作壓力和檢修勞動(dòng)強(qiáng)度，保證焦油氨水分離工序平穩(wěn)運(yùn)行。消除因機(jī)封失效造成氨水泄漏外噴的重大安全隱患，避免了安全事故的發(fā)生?，F(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境、設(shè)備衛(wèi)生情況得到極大改善，解決了氨水頻繁外漏帶來的環(huán)保壓力。通過改造，每年節(jié)省備件費(fèi)用約50 萬元，節(jié)約了大量備件資金成本。