聚丙烯軸流泵機(jī)械密封泄漏原因分析及措施

王旭峰 (中石化寧波新材料研究院有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

某煉化公司300 kt/y聚丙烯裝置環(huán)管反應(yīng)器軸流泵P201/P202是美國勞倫斯公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，規(guī)格型號為24"SERIES 9500，揚(yáng)程27 m，軸功率510 kW，體積流量10 260 m3/h，轉(zhuǎn)速1 450 r/min。泵滿液操作，內(nèi)部介質(zhì)主要是粉料+液相丙烯+催化劑漿液，密度530～560 kg/m3。該泵是反應(yīng)單元的動力心臟和關(guān)鍵設(shè)備，作用是使反應(yīng)介質(zhì)充分混合，獲得均布的物料和溫度，避免生成的聚合物發(fā)生沉淀，一旦發(fā)生故障停運(yùn)，會引起裝置停車，處理不及時物料甚至?xí)侪h(huán)管內(nèi)結(jié)塊“爆聚”，給后續(xù)檢修帶來極大困難[1]。裝置投用以來曾發(fā)生多次機(jī)械密封失效，造成軸流泵無法正常運(yùn)行、裝置停車，最終環(huán)管置換交出連夜搶修，打亂了公司生產(chǎn)計(jì)劃和物料平衡，造成巨大的人力和物力損失。

某次停工消缺后運(yùn)行不久，現(xiàn)場人員巡檢時發(fā)現(xiàn)P201機(jī)械密封壓力活塞Z201泄漏加快、加油頻次增加。技術(shù)人員經(jīng)過現(xiàn)場對故障現(xiàn)象跟蹤觀察、機(jī)械密封圖紙分析，列出可能的故障原因并逐一排查，終于找到故障原因，并通過對流程詳細(xì)分析，創(chuàng)造性提出并聯(lián)一個壓力活塞、在線切換的方法，有效避免一次非計(jì)劃停車，實(shí)現(xiàn)裝置平穩(wěn)生產(chǎn)，為今后處置同類設(shè)備故障，保障企業(yè)正常生產(chǎn)積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 軸流泵機(jī)械密封及壓力活塞簡介

軸流泵P201的機(jī)械密封由內(nèi)側(cè)的主密封系統(tǒng)和外側(cè)的安全密封系統(tǒng)組成。沿軸從介質(zhì)側(cè)到軸承箱側(cè)，一共有三道機(jī)械密封，分別為內(nèi)密封、中間密封和安全密封。內(nèi)密封和中間密封背靠背構(gòu)成主密封系統(tǒng)，起密封工藝介質(zhì)的作用，其動環(huán)材質(zhì)為石墨，靜環(huán)為碳化鎢。安全密封系統(tǒng)用于防止主密封系統(tǒng)失效時工藝介質(zhì)或高壓密封油直接向外泄漏，其動環(huán)材質(zhì)為碳化鎢，靜環(huán)材質(zhì)為石墨，補(bǔ)償機(jī)構(gòu)均為不銹鋼材質(zhì)多彈簧形式，輔助密封O形圈材質(zhì)為氟橡膠。主密封和安全密封系統(tǒng)各自有一套獨(dú)立的自循環(huán)密封油沖洗系統(tǒng)，沖洗方式是PLAN32+PLAN53C+PLAN52，對密封進(jìn)行潤滑、沖洗和冷卻[2]。

內(nèi)側(cè)密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。唇型密封(圖1-95)裝于主機(jī)械密封內(nèi)側(cè)，開口朝外，用以密封聚丙烯漿料，防止進(jìn)入密封腔。緊靠唇型密封外側(cè)有一節(jié)流襯套(圖1-24)。其沖洗方案按照API682 PLAN32設(shè)計(jì)，從管口Z處外接高于工作介質(zhì)壓力的潔凈液態(tài)丙烯沖洗，防止聚合物接觸和進(jìn)入機(jī)械密封，致使密封損壞，同時冷卻軸套，防止軸套與軸承座之間堵塞聚合物。靜環(huán)(圖1-14)和動環(huán)(圖1-15)構(gòu)成密封端面，在外側(cè)有調(diào)心滾柱軸承，控制主軸的徑向竄動，使主密封端面能夠在相對穩(wěn)定的狀態(tài)下運(yùn)行，再往外有一個泵送環(huán)，旋轉(zhuǎn)加壓提供動力使密封油向外側(cè)流動。

圖1. 內(nèi)側(cè)密封結(jié)構(gòu)

主密封油系統(tǒng)按PLAN 53C沖洗方案設(shè)計(jì)，為高壓油系統(tǒng)，包括壓力活塞組件、密封油罐、隔離閥門、安全閥等部件。壓力活塞是一立式的罐體加活塞桿組合，與活塞桿并立設(shè)有刻度標(biāo)尺和低位報(bào)警裝置。壓力活塞上部加入干凈白油，入口管線上設(shè)有安全閥，防止加油時管線超壓。其下部通入沖洗用的潔凈液態(tài)丙烯作為壓力源，通過中間壓力活塞使密封油獲得一個密封壓力。在這個壓力下，密封油才能起正常的密封、潤滑作用。壓力活塞上下力平衡公式如下[3]：

式中：P1A1和P2A2是主要平衡力，G油、G活塞相對很小，在實(shí)際應(yīng)用過程中可忽略不計(jì)，因此，活塞力平衡公式可簡化為：P1A1=P2A2，查圖紙可知d1=203 mm，d2=60 mm，A1=1.1A2，故可知P2=1.1P1，即密封白油壓力比沖洗丙烯壓力高10%[4]。壓力活塞設(shè)有低液位和低低液位報(bào)警，當(dāng)沖洗油系統(tǒng)密封油泄漏致使壓力活塞液位到達(dá)低液位報(bào)警值時需安排加油。密封油進(jìn)入主密封油罐后再進(jìn)入主密封腔，對密封端面和軸承冷卻、沖洗和潤滑，再通過泵送環(huán)加壓強(qiáng)制導(dǎo)流至中間密封腔再回流到主封油罐，主密封油罐裝有冷卻用的夾套，經(jīng)循環(huán)水冷卻后重新進(jìn)入主密封腔。外側(cè)有兩套密封，其中，內(nèi)側(cè)靜環(huán)和動環(huán)組成中間密封；外側(cè)靜環(huán)和動環(huán)組成安全密封。安全密封腔里用白油作為沖洗液。

安全密封沖洗系統(tǒng)按PLAN 52沖洗方案設(shè)計(jì)，主要由安全密封油罐、液位計(jì)、壓力計(jì)、壓力開關(guān)和泄壓閥等部件組成，頂部與火炬管線相連，背壓為火炬壓力。密封油罐有液位低報(bào)警和壓力高報(bào)警。當(dāng)主密封系統(tǒng)泄漏時，若少量丙烯進(jìn)入安全密封油腔，再隨著密封油循環(huán)進(jìn)入密封油罐，就會氣化排入火炬系統(tǒng)中，如果泄漏量較大，油罐壓力增大，就會觸發(fā)報(bào)警，需停泵檢修。白油依靠熱虹吸和重力原理在密封油罐與密封腔內(nèi)循環(huán)流動[5]。

2 故障現(xiàn)象及分析

某次停工檢修后運(yùn)行1個月，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)P201壓力活塞Z201加油頻次加快，從原來每次加油間隔6天加快到1天，最后甚至2小時就得加一次，每次加油量1.5 美加侖(約5.68 L)。如果再不采取有效措施，軸流泵將因機(jī)械密封沖洗系統(tǒng)補(bǔ)液不及時停車，造成生產(chǎn)系統(tǒng)停產(chǎn)。出現(xiàn)異常后，現(xiàn)場技術(shù)人員非常重視，馬上檢查泵運(yùn)行狀態(tài)，和公司專家診斷后判斷泵運(yùn)行正常，現(xiàn)場對壓力活塞液位、下部沖洗丙烯壓力、上部密封油壓力等數(shù)據(jù)跟蹤記錄，對照圖紙研究分析、查擺問題，得出加油頻次加快可能原因有以下4點(diǎn)：

(1)機(jī)械密封系統(tǒng)外部泄漏?，F(xiàn)場觀察軸流泵機(jī)械密封僅外側(cè)壓蓋法蘭少量油漬，無滴漏情況，沖洗系統(tǒng)管線、法蘭接口及壓力活塞均無明顯油污，不存在外漏痕跡，由此判斷外側(cè)機(jī)械密封正常，無外部泄漏。

(2)中間機(jī)械密封泄漏，密封白油泄漏到安全密封。一旦密封油泄漏到安全密封側(cè)，如果泄漏量較多，安全密封油罐的液位會有較大變化，巡檢時排油頻次會增加[6]，如果不及時排液，白油會從罐頂部進(jìn)入火炬系統(tǒng)導(dǎo)致壓力升高。連續(xù)觀察安全密封油罐油位多日，排油頻次和排油量沒有明顯變化，頂部壓力表顯示也沒有變化，說明中間機(jī)械密封也沒有泄漏增加。

(3)主機(jī)械密封泄漏，由于密封白油壓力比沖洗丙烯和環(huán)管壓力高，隔離油如果泄漏會進(jìn)入到環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部，與物料混合到下工段。白油與聚丙烯漿料物料有相容性，不會發(fā)生任何反應(yīng)，也不會對反應(yīng)器內(nèi)原物料反應(yīng)造成明顯影響，故不能從反應(yīng)情況觀察推測，現(xiàn)場無檢測手段輔助判斷，只能作為一個未解原因放置一邊，安排操作人員跟蹤觀察。

(4)壓力活塞內(nèi)部泄漏，上部密封油泄漏到下部沖洗丙烯側(cè)。壓力活塞內(nèi)部是帶桿的活塞體，邊緣是用橡膠制成的O型圈密封，如果O型圈外表有缺陷或與活塞表面接觸不好會引發(fā)泄漏。由于隔離油壓力比沖洗丙烯壓力高10%，油會泄漏到丙烯側(cè)，逐漸在活塞底部積聚，或隨著沖洗丙烯管線進(jìn)入到環(huán)管內(nèi)。想要驗(yàn)證這點(diǎn)，只要打開活塞底部排氣閥查看有無白油即可。此項(xiàng)操作風(fēng)險較大，排氣閥門開度較大會引起活塞底部壓力泄空，造成密封油系統(tǒng)壓力波動，環(huán)管物料可能會進(jìn)入主機(jī)械密封造成密封損壞。操作時務(wù)必控制好閥門開度。安排技術(shù)人員指導(dǎo)下操作人員緩慢打開底部排氣閥至20%開度，看到有白油冒出，約2 L后都未排盡，說明活塞底部有較多積油，可判斷活塞內(nèi)部發(fā)生泄漏。

3 處理措施

3.1 處理方案

壓力活塞是維持機(jī)械密封沖洗系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，如果交出檢修，機(jī)械密封無法正常運(yùn)行必須要停泵，同時對環(huán)管置換交出檢修，這樣整套裝置就要停車，就算24小時不間斷搶修，從停車、置換、檢修到再次開車至少也要4天，會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全環(huán)保隱患。因此，要考慮在不停車的情況下維持沖洗系統(tǒng)和機(jī)械密封正常工作?？紤]上次大修后還有一臺修復(fù)備用的壓力活塞，故需要想辦法現(xiàn)場并聯(lián)一個壓力活塞，代替泄漏的壓力活塞維持密封壓力。

查看流程圖和對照現(xiàn)場管線，討論后得出方案：在主密封油罐頂部排氣管線位置焊接一法蘭并接管使之與壓力活塞備臺(后稱Z201備臺)密封油管線相連，密封油可通過此管線補(bǔ)充到主密封油罐內(nèi)，并在管線上加一壓力表，便于觀察密封油壓力。在Z201安全閥底部焊接一個等徑三通接一條管線與Z201備臺補(bǔ)油管線相連，當(dāng)壓力活塞上部密封油油位低時可以補(bǔ)油。在P201沖洗丙烯管線壓力表導(dǎo)淋底部接一管線與Z201備臺底部沖洗丙烯管線相連，以維持Z201備臺壓力。為保證并聯(lián)的壓力活塞安全可靠，能正常投用，在安裝前要對壓力活塞試壓查漏，保證其密封性。方案如下：

(1)打開閥V2(活塞上部排氣閥)、閥V3(活塞下部排放閥)、閥V4(活塞接氮?dú)忾y)，通過閥V1(活塞上部加油閥)處管線加入干凈白油，使活塞壓至最底部，注意活塞下降速度要緩慢，等到閥V2處有油漏出確認(rèn)活塞上部加滿油關(guān)閉閥V1、閥V2。

(2)閥V4管線處連接中壓氮?dú)夤芫€，以便對壓力活塞充氮加壓。

(3)打開閥V2和閥V4，關(guān)閉閥V1和閥V3，緩慢打開中壓氮?dú)忾y門(5%開度)給壓力活塞底部加壓，加壓至閥V2處有油排出。當(dāng)活塞頂?shù)?5%位置時，關(guān)閉閥V2和閥V4,并記錄上下壓力表值。

(4)靜態(tài)試壓30 min，觀察上下兩只壓力表值及活塞位置并記錄，若無變化，則繼續(xù)按相同步驟測試活塞在50%、75%各個位置的情況。在各個位置情況下壓力表值和位置刻度均沒有變化可判斷壓力活塞密封性能合格。備臺試壓合格后預(yù)制底座并安裝，完畢后投用。

3.2 注意事項(xiàng)

壓力活塞切換時風(fēng)險極大，操作不當(dāng)可能導(dǎo)致隔離液壓力降低，環(huán)管內(nèi)漿料倒竄回機(jī)械密封內(nèi)，引起唇形密封圈和密封副損壞。故需注意：

(1)投用前將Z201備臺加油管線和與主密封油罐連接管線內(nèi)氣體盡量排凈。

(2)投用時注意Z201備臺與主密封油罐連接管線上壓力表指示，必須高于主密封油罐壓力時再緩慢打開閥門，避免密封油從主密封油罐倒竄回Z201備臺，引起壓力波動和機(jī)械密封損壞。

(3)壓力活塞補(bǔ)油方法：提高加油幅度由2.0～3.5美加侖(7.57～13.25 L)提高到2.0～4.0美加侖(7.57～15.16 L)，以減少加油頻次。

(4)為避免現(xiàn)場誤操作導(dǎo)致沖洗系統(tǒng)管線關(guān)閉或者壓力波動，將原Z201相關(guān)部分存在誤動可能的手閥閥柄拆除，并掛上禁動牌，提醒相關(guān)人員不要誤動。投用后壓力活塞運(yùn)行正常，加油頻次由2小時/次變?yōu)?0天/次，P201泵的運(yùn)行和機(jī)械密封均正常。

4 結(jié)語

壓力活塞Z201備臺投用后，使用效果非常理想，加油頻次穩(wěn)定在10天/次，這為裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)提供了有力保障，避免了一次非計(jì)劃停車。更重要的是，這種在軸流泵運(yùn)行時出現(xiàn)機(jī)械密封故障，增加壓力活塞備臺的方法，是聚丙烯裝置反應(yīng)器不停車置換交出情況下處理壓力活塞泄漏的一次創(chuàng)新嘗試，并取得良好預(yù)期效果，為同類裝置設(shè)備運(yùn)行和檢修提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。