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渣油泵机械密封失效分析及技术改进

   乙烯装置渣油泵是裂解燃料油气提塔的塔底外送泵,它将经柴油组分混合的渣油液输送到成品罐区。该泵在实际运行中,频繁发生泄漏,机械密封在安装运行一周左右开始微漏, 1 ~ 2 个月内泄漏量增大,无法继续使用。严重影响了装置的环保达标和长期稳定运行。
1 基本情况:
   该渣油泵为单吸悬臂卧式离心泵,主要技术参数如下表:
介质     介质温度     介质粘度     流量     扬程      吸入 / 排出压力     轴功率     电机转数
渣油     170 ℃        7.15mm2/s  8.9m3 /h    76m    0.091MPa/0.785MPa     15KW        2950r/m

其损坏情况如下:
( 1 )动环和动环座、轴套间的间隙被阻塞
( 2 )动环和静环有环状磨损痕迹
( 3 )密封腔内有粘稠状聚合物、焦状颗粒等杂质
( 4 )弹簧锈蚀严重,被杂质和聚合物卡涩,弹性不足
2 失效分析:
  一般造成密封失效的主要原因有端面液膜失效、材料与介质不相容,以及制造和安装问题等。端面比压是机械密封的重要性能参数,端面比压要在设计的范围之内(内装式机械密封一般为 0.4 MPa ~ 0.7 MPa ) , 以保证机械密封端面良好配合,使密封面间形成有效液膜。
端面比压的计算公式为:
             
Pb = Pt + Pp - Pm
             
Pb = Pt +( K-λ ) P

其中 :  d2 = 72mm   d1 = 37mm   d2 = 34mm
弹簧比压 Pt = Ft (弹簧力)/[ π / 4 ( d22 - d02 )]= 0.45MPa( 厂家设计值 )

载荷系数 K =( d22 - d02 )/( d22 - d12 )= 1.056
膜压系数 λ=0.742
密封腔内介质压力 P = ( 入口压力 + 出口压力 )/2=0.438MPa
可以计算出原 8B1-P 型机械密封端面比压 Pb 为 0.586 MPa, 是符合设计规范的 , 在正常工作条件下是能够满足生产要求的。这和实际情况相吻合 , 在使用初期机械密封并不泄漏 , 那导致其失效的原因又是什么呢 ? 这就必须从机械密封的工作环境入手 , 进行综合分析。
   
   E-GA103 泵冲洗液来自该泵出口,经过滤器后注入 E-GA103 泵。在实际生产过程中,由于渣油粘度比较大,流动性差,并且渣油介质中含有粒状和粉沫状结焦物,在摩擦副周围不可避免地存在着结焦物,这对摩擦副的危害相当大。通过对冲洗系统彻底检查,发现冲洗液管严重结焦阻塞。由于该泵处于气提塔底部,管道和设备的锈蚀物以及杂质和重组份聚合物都沉积在塔底 , 进入泵体内的渣油含有大量的杂质和聚合物,同时由于冲洗量不足,使这些杂质和聚合物不可避免地沉积于密封腔内,造成使动环和动环座、轴套间的间隙被阻塞,导致动环在轴向的动作不灵活甚至被卡死,弹簧被卡涩,不能提供原设计 0.586MPa 的端面比压,导致密封面不能良好地贴和 , 液膜平衡被破坏 , 这时密封就会出现微漏,随着聚合物和杂质颗粒进入摩擦副端面,密封面逐渐被磨损,再加上动环轴向补偿不灵,造成密封泄漏量增加,最终导致密封彻底失效。
3 改进措施
根据密封的失效原因,我们有针对性地从以下几个方面进行了技术改造:
3.1 改变密封结构形式
根据渣油泵的具体工况条件,我们选用了艾志 318 型卡式单端面机械密封(集装式),其主要特点如下 :
  l 通过自动锁紧环实现精确定心。
  可调节式压盖可直接配合常用螺栓使用 , 集装式结构安装方便。 l
  l 弹簧位于辅助密封圈外侧,与介质完全隔开,避免了弹簧的卡涩。
  l 动环采用的是整体浮动式非镶嵌,静环是通过计算机分析,设计的 Z 形,其优点是散热好,热量不宜积聚。  
3.2 用柴油组分作冲洗液
由于渣油组分过重并含有较多的杂质和聚合物,使冲洗管线堵死而造成机械密封损坏,所以必须选用合适的冲洗液。按照乙烯工艺流程, E-DA103 塔内的混合柴油组分将与渣油混合,生成最终产品,我们认为用混合柴油作为冲洗液比较合适,原因如下:
(1) 混合柴油组分清洁,并与渣油相容性好。
(2) 混合柴油组分的压力和温度都适合渣油泵工况。混合柴油组分为 300 ℃ 以上的馏分,而渣油的工作温度为 170 ℃ ,混合柴油作冲洗液不会汽化,有效地避免了泵的汽蚀。 E-DA103 的塔底循环泵 E-GA105 泵出口压力为 0.54MPa, 出口温度 80 ℃ 。 E-GA103 泵其密封腔中的压力可由以下公式估算 :
P = ( 入口压力 + 出口压力 )/2=0.438MPa
冲洗液压力比密封腔中的压力大 0.1 MPa 左右 , 是非常合适的 , 直接从 E-GA105 泵出口引入密封腔即可。
3 用混合柴油组分作冲洗液是最经济的,几乎没用增加任何投入,因为这部分柴油组分最终还是要与渣油混合。
E-GA103 两台泵自 2001 年 1 月开始使用卡式机械密封,从现场情况来看密封效果非常好,运行至今仍没有任何泄漏迹象,使用寿命达到了 2 年以上。原 8B1-P 机封每套价格为 960 元,卡式机械密封每套 2500 元 , 两年内仅机封备件费就节约 1 万余元,通过去除密封冲洗 , 提高了泵的有效流量 , 经济效益是显而易见的。
4 结束语
   通过对渣油泵机械密封结构的改造,并合理选用冲洗液,提高了机械密封的使用性能,解决了机械密封频繁泄漏的问题,降低了设备维护和维修费用,保证了装置的连续稳定生产
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