煤氣水泵機(jī)械密封泄漏原因分析及技術(shù)改造

周學(xué)東

(云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司， 云南開遠(yuǎn) 661600)

煤氣水泵是“造氣”的主要設(shè)備，來自氣化爐噴淋器的噴淋酚水和入爐蒸汽(未分解反應(yīng)部分)，經(jīng)廢熱鍋爐進(jìn)行換熱、分離，回收至酚水中心罐，再由煤氣水泵送到煤化工。在運(yùn)行過程中，機(jī)械密封泄漏會造成環(huán)境污染，導(dǎo)致煤水泵不能長周期運(yùn)行，且機(jī)械密封價格較高，頻繁停車對機(jī)械密封進(jìn)行更換造成檢修費用高，檢修人員的勞動強(qiáng)度增加[1-2]。

筆者從煤氣水泵機(jī)械密封的原理、輸送介質(zhì)、結(jié)構(gòu)、材料等方面分析機(jī)械密封存在的問題，并提出相應(yīng)的改造措施。

1 設(shè)備概況

該煤氣水泵為單級臥式離心泵，型號為PC80-3400-75，材質(zhì)為304鋼，由大連大耐泵業(yè)有限公司生產(chǎn)；機(jī)械密封為119B/119B-60型串聯(lián)式雙橋面機(jī)械密封，機(jī)械密封腔內(nèi)配有冷卻水管。煤氣水泵的額定參數(shù)見表1，機(jī)械密封裝配結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 煤氣水泵額定參數(shù)

1—軸套；2—靜環(huán)；3—靜環(huán)密封圈；4—機(jī)封壓蓋；5—密封圈；6—動環(huán)座；7—冷卻進(jìn)水；8—泵殼；9—彈簧；10—動環(huán)密封圈；11—冷卻出水；12—動環(huán)。圖1 機(jī)械密封裝配結(jié)構(gòu)

2 存在的問題

從現(xiàn)場情況來看，該煤氣水泵安裝運(yùn)行后經(jīng)常出現(xiàn)泄漏，運(yùn)行周期短。每次更換機(jī)械密封后，最多運(yùn)行1個月，有時運(yùn)行1周左右就損壞。

機(jī)械密封泄漏主要表現(xiàn)在：(1)冷卻水管中有酚水，內(nèi)機(jī)械密封泄漏；(2)動靜環(huán)有徑向裂紋；(3) 動靜環(huán)密封圈老化，失去彈性，發(fā)生碎裂或斷裂；(4)動環(huán)彈簧變形、斷裂；(5)軸套磨損，更換頻繁；(6) 機(jī)械密封裝配難，每次檢修都需裝配幾次才能保證內(nèi)外機(jī)械密封不漏，且檢修時間長。

煤氣水泵實際運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2。

表2 煤氣水泵實際運(yùn)行數(shù)據(jù)

3 原因分析

3.1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)不適用泵工作介質(zhì)要求

由于工藝介質(zhì)是酚水,酚水在泵葉輪作用下,使泵在瞬間不打液,產(chǎn)生壓力波動,泵軸向竄動頻繁,造成內(nèi)機(jī)械密封泄漏。泄漏的酚水與機(jī)械密封冷卻水相混產(chǎn)生放熱反應(yīng),使機(jī)械密封腔內(nèi)溫度升高,導(dǎo)致動靜環(huán)密封面燒壞及動靜環(huán)密封圈碎裂。軸向竄動頻繁是軸套磨損的原因,另外,內(nèi)機(jī)械密封沒有設(shè)置沖洗、平衡降壓管，使內(nèi)機(jī)械密封承受壓力接近泵出口壓力且易有污泥雜質(zhì)沉積在機(jī)械密封腔內(nèi)，使內(nèi)機(jī)械密封產(chǎn)生泄漏[3]。因此，采用水冷卻機(jī)械密封和串聯(lián)雙端面密封是造成機(jī)械密封泄漏、更換頻繁的主要原因[4]。

3.2 機(jī)械密封動靜環(huán)及輔助元件材料不適用

119B/119B-60型機(jī)械密封動、靜環(huán)材料為碳化鎢硬質(zhì)合金，其沖擊韌性低(在高溫時沖擊韌性更小)、耐磨性能好、摩擦因數(shù)低，適用于重載、固體顆粒易結(jié)晶的介質(zhì)，可焊接或粘接，但價格較貴且放置時間長易變形。

由于機(jī)械密封長期放置變形，在裝配后難以保證機(jī)械密封不泄漏；機(jī)械密封微量泄漏，酚水與水混合放熱，機(jī)械密封摩擦熱難以散發(fā)；材料沖擊韌性低，軸向竄動量大、頻繁；因此，動靜環(huán)易燒壞、碎裂，導(dǎo)致密封失效。

由于軸向竄動量大、頻繁，包覆動環(huán)密封圈的聚四氟烯材料易脫落，且氟橡膠抗酚水性、沖擊性差，易使密封圈老化變形、碎裂，導(dǎo)致密封失效。

3.3 動靜環(huán)密封圈材料選用不合理

動靜環(huán)密封圈材料為氟橡膠，外表包覆2層聚四氟乙烯材料，氟橡膠耐溫性好、耐老化、氣密性好、伸長率高，但抗沖擊性差、抗酚水能力差，在酚水中易受侵害發(fā)脆。

3.4 機(jī)械密封彈簧選用不合理

機(jī)械密封的彈性元件為周向布置的多圓柱螺旋彈簧。由于彈簧較細(xì)，在葉輪轉(zhuǎn)子的軸向竄動下，使用一段時間后彈簧磨損變形并有部分?jǐn)嗔眩箍倧椈闪Σ蛔?，動靜環(huán)摩擦副受力不均，密封面貼合不好致使機(jī)械密封產(chǎn)生泄漏。

3.5 軸套材料不適合

與機(jī)械密封動環(huán)密封圈配合表面的粗糙度、硬度達(dá)不到使用要求，耐磨性差。由于動環(huán)密封圈逐漸脆化、開裂，在軸套上滑動時加劇了軸套的磨損，出現(xiàn)磨蝕現(xiàn)象，軸套使用1個月就報廢。

4 改造措施

(1) 將串聯(lián)雙端面密封改為單端面密封。

拆除葉輪端機(jī)械密封及靜環(huán)座,將靜環(huán)座改為密封結(jié)構(gòu),保證軸套與密封之間的間隙為0.15～0.25 mm，從而把雙端面機(jī)械密封改為單端面機(jī)械密封，減少1對摩擦副，減少能量損失，同時也降低備件費用和裝配難度。

(2) 取消機(jī)械密封冷卻水，增設(shè)機(jī)械密封清洗冷卻平衡管。

由于取消一級機(jī)械密封，機(jī)械密封腔內(nèi)壓力升至泵工作出口壓力，單端面密封不能滿足工作壓力。因此，從機(jī)械密封腔內(nèi)配1根DN15管至泵入口，以降低腔內(nèi)壓力至接近泵入口壓力;同時，作為葉輪平衡管減少軸向竄動。冷卻、清洗機(jī)械密封，從泵出口配1根DN10管至機(jī)械密封腔內(nèi)并用針型閥和壓力表控制，以保證機(jī)械密封腔內(nèi)介質(zhì)具有流動性。

(3) 更換機(jī)械密封型號及動靜環(huán)、密封圈材料。

由于原機(jī)械密封結(jié)構(gòu)材料不適用泵工況及介質(zhì)，且價格昂貴，因此將機(jī)械密封更換為成都流體密封件廠生產(chǎn)的59B-60MKSiC5型機(jī)械密封。將O形氟橡膠動環(huán)密封圈改為耐酚水性好、具有磨損補(bǔ)償性的聚四氟乙烯楔形環(huán)，O形氟橡膠靜環(huán)密封圈改為耐酚水性好、可重復(fù)使用的聚四氟乙烯矩形環(huán)；原機(jī)械密封動靜環(huán)材料由硬質(zhì)碳化鎢合金、不銹鋼改為單一成型、硬度高、導(dǎo)熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性好和組對性好的石墨碳化硅，使動靜環(huán)之間的摩擦因數(shù)減小，自潤滑性能增強(qiáng)，減小摩擦損耗及增強(qiáng)抗酚水性能，達(dá)到長周期運(yùn)行的目的。

(4) 改變軸套結(jié)構(gòu)尺寸，對磨擦部位進(jìn)行特殊處理，適用于更換機(jī)械密封的要求。

由于原軸套不能滿足使用要求，所以對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。動環(huán)密封圈處楔形環(huán)裝入后變形較大，將軸套外徑由64.95～65.15 mm改為64.85～64.90 mm；楔形環(huán)裝配處,長30 mm的表面進(jìn)行0.20 mm厚的熱噴涂硬質(zhì)合金處理,經(jīng)研磨使此處軸套表面粗糙度達(dá)0.8, 洛氏硬度達(dá)50HRC～60HRC,從而減小楔形環(huán)與軸套的摩擦因數(shù),增加軸套耐磨性；軸套中間段內(nèi)徑由 51 mm改為53 mm,軸套與軸的3個配合位置改為2個，由于取消內(nèi)機(jī)械密封，為保證單端面機(jī)械密封裝配精準(zhǔn)定位，因此，在軸套外徑增設(shè)機(jī)械密封定位臺階(在靠葉輪端，距離35 mm處增設(shè)5 mm厚的機(jī)械密封定位臺階),使機(jī)械密封達(dá)到裝配要求。改造后的機(jī)械密封裝配結(jié)構(gòu)圖見圖2。

1—軸套；2—靜環(huán)；3—矩形環(huán)；4—楔形環(huán)；5—墊片；6—泵出口至機(jī)封管子(包括壓力表、針型閥)；7—迷宮環(huán)；8—泵殼；9—動環(huán)座；10—動環(huán)；11—機(jī)封至泵入口管線；12—壓蓋；13—軸套噴焊硬質(zhì)合金。圖2 改造后的機(jī)械密封裝配結(jié)構(gòu)圖

5 改造效果

改造前后煤氣水泵檢修情況對比見表3。自從對該型號泵的機(jī)械密封、軸套進(jìn)行改造及增設(shè)冷卻清洗、平衡管后，泵機(jī)械密封運(yùn)行周期由1個月延長至6個月以上，年消耗機(jī)械密封由12套下降至1～2套，軸套使用周期由1個月延長至2 a以上,年消耗軸套由8個下降至0.5個以下,機(jī)械密封價格由5 400元/套(119B/119B-60型)下降為470元/套(59B-60型),軸套價格由1 200元/個下降為800元/個。

表3 改造前后煤氣水泵檢修情況對比

通過技術(shù)改造后，每年為公司節(jié)約備件消耗費用近7萬元，同時減少檢修人工投入及置換排酚水次數(shù),減少了頻繁停車對設(shè)備造成的損傷。

6 結(jié)語

通過對煤氣水泵機(jī)械密封進(jìn)行改造，使該泵的運(yùn)行周期有了顯著提高，降低了檢修費用，減少檢修勞動強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)成本，減少了由于泄漏對環(huán)境造成的污染，為系統(tǒng)設(shè)備的長周期運(yùn)行打下良好的基礎(chǔ)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。