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軸承知識

石腦油泵機封改造失效原因分析及措施

2021-01-01
王彥江,王長青,王健偉,鄧聯新,陶義
(獨山子石化公司設備檢修公司)
主要內容:石腦油泵是“高危泵機封改造項目”主要改造設備之一,該泵改造后僅運行4 個月就發生機封失效、大量泄漏事故。通過對該泵進行分析,找出原因,并采取針對性的有效的措施進行再次改造,將原來的雙端面帶壓干氣式機械密封PLAN74 方案改造為標準串聯雙端面密封PLAN11+53A 方案,確保設備能夠長周期穩定的運行。
關鍵詞:石腦油泵;雙端面帶壓干氣密封;PLAN74;PLAN11+53A
0 引言
該石腦油輸送泵屬于危險介質泵改造為雙端面密封項目之一,該泵按改造計劃進行了密封和輔助系統的改造安裝,一直平穩運轉了4 個多月,直至某日凌晨該設備機械密封(簡稱“機封”)突然失效,大量泄漏并著火。調取控制室數據顯示先是非驅動端密封系統密封氣高流量報警,2 s 后驅動端密封系統密封氣低壓報警現象,設備4 min 左右自行停止運轉。在設備滅火完成后,發現機械密封及輔助系統、軸承箱燃燒損壞。按API 682—2014 標準,干氣機械密封的運行周期應為36個月。為解決改造后機械密封運行壽命短的問題,對泄漏原因進行了分析,并采取了有效的改造措施,確保設備能夠長周期穩定運行。
1 故障原因分析
石腦油輸送泵為雙殼多級泵,型號為HTD100-120×4B,設備級數為4 級,主要參數見表1。
表1 石腦油輸送泵的主要技術參數
1.1 機泵及密封拆解情況
對該雙端面干氣機械密封拆解發現,非驅動端介質側機械密封的動靜環表面光滑、動環有裂痕、運轉表面有油;大氣側機械密封的動靜環有微運轉磨痕、動環碎裂;動環O 形圈受熱擠出、大氣側靜環O 形圈受熱粘黏、靜環背后彈簧卡滯;拆下的非驅動端機械密封軸套內外表面全部光滑無拉傷。驅動端介質側機械密封動環碎裂、靜環被磨沒、密封附件(彈簧、O 形圈、卡環)都已被磨損受熱熔化;大氣側機械密封動靜環都已磨碎,密封完全失效;驅動端機械密封軸套與轉子有相對轉動且磨損嚴重,驅動端軸瓦損壞嚴重,巴氏合金完全脫落,軸頸和油封嚴重磨損。
1.2 機泵及密封失效原因分析
非驅動端密封失效原因是碳化硅材料的內部缺陷造成密封動環碎裂,密封氣(氮氣)大量外泄,出現高流量報警,密封腔內無法保住壓力,形成反壓。由于干氣密封密封環帶面比濕密封寬很多,形成不了非接觸,密封面打不開后造成干磨,導致密封瞬時失效泄漏。
驅動端密封在非驅動端密封出現高流量報警情況下,導致大量氮氣體往非驅動端密封泄漏,使驅動端密封供氣壓力不足,動靜環之間未形成氣膜,進而造成動環與靜環之間的直接接觸并發生干磨現象。因為該密封為非接觸式干氣密封,干磨后產生大量熱,造成密封環表面密封面出現熱裂紋和碎裂,密封環嚴重損壞,密封失效,發生大量介質泄漏并引起著火,著火后油杯燒損,造成軸瓦運行缺油磨損;軸瓦磨損后造成轉軸沉降,油封發生磨損,轉軸磨損,機械密封軸套磨損。
1.3 密封輔助系統分析
石腦油輸送泵在上次“危險介質泵改造為雙端面密封項目”中,采用的是PLAN74 沖洗方案的雙端面帶壓干氣密封。該結構在密封正常運行時可以做到完全阻隔工藝介質做到零泄漏,主要適用于溫度不高但含有不能泄漏的易燃易爆或有毒有害介質場合,也適用于對可靠性要求非常高的場合,尤其適用于氣液混合的介質。該方案對石腦油輸送泵的運行工況也完全適用的,但在使用過程中應注意,如果出現流量高報或壓力低報的情況,應及時停車處理。
不過,這種純干氣密封對密封氣源的要求很嚴格:①進入干氣密封的密封氣必須足夠清潔,不能含有液體或顆粒,否則可能會導致氣膜變成液膜產生大量的熱使脆性材料的動環瞬間崩裂;②密封氣的壓力也必須高于密封腔壓力,如果密封氣供給不足,容易導致密封氣壓力與介質壓力接近,動、靜環之間無法形成氣膜,進而造成動環與靜環之間的直接接觸并發生干磨現象,造成密封失效。
針對本次石腦油輸送泵出現的問題,考慮PLAN74 方案并聯式的兩套干氣密封共用一套供氣系統。系統供給氣源壓力等參數對密封失效的影響),同時雙支撐泵驅動端或非驅動端一端泄漏會對另一端氣源壓力產生很大影響,所以采用PLAN11+53A 的沖洗方案。該方案適用于不允許輸送介質泄漏到大氣中的情況,通過現場氮氣源為封液罐提供壓力源,保證封液壓力始終高于密封腔壓力,阻止密封介質的泄漏。該系統使密封承受液膜潤滑,使用時要保證封液罐壓力始終高于密封腔壓力,以便為密封端面提供潔凈的潤滑液,保證密封的使用性能,否則介質中的顆粒容易進入到密封端面內造成密封失效。而此類系統只對氣源的壓力有要求,安全性更有保證。同時采用壓力開關對氣源壓力進行監測,采用液位開關對密封泄漏情況進行監測。由于封液帶壓會有微量通過密封泄漏到介質和大氣中,因此要選擇清潔、干凈對工藝介質無影響且不污染環境的潤滑液作為封液。
2 改造方案
通過對引起該設備機械密封泄漏原因的分析,提出的如下改造措施。
2.1 機械密封結構改造方案
(1)選用技術成熟的標準串聯雙端面密封型式,密封符合API 682 標準,特別適合易揮發介質、輕烴化合物等,密封使用壽命長,可靠性高。
(2)補償型式選用了多彈簧結構,彈力均勻,確保密封面更好的貼合,也使密封在軸向上更加緊湊。同時結構采用了平衡型,適用于較高壓力。
(3)介質側密封芯采用雙向承壓設計,可以適用于介質壓力高于封液壓力,也可適用于封液壓力高于介質壓力,該結構可有效保證密封適應設備運轉過程中可能出現的壓力波動。
(4)密封型式為雙端面串聯密封,兩套密封芯間密封腔壓力高于介質壓力,有效保證介質不會泄漏到大氣中,提高設備安全性。
2.2 輔助沖洗系統方案
針對該多級泵輸送的輕石腦油介質特性,對現場人員安全及環境污染都存在很大的安全隱患,提出改造后采用PLAN 11+53A 沖洗系統的方案,可有效保證介質不會泄漏到大氣中,提高設備運轉的安全性(圖1)。本方案不允許出現輸送介質泄漏的情況,通過現場氮氣源為封液罐提供壓力源,保證封液壓力始終高于密封腔壓力,阻止密封介質泄漏。同時,采用壓力開關對氣源壓力進行監測,采用高低液位開關對密封泄漏情況進行監測。由于封液帶壓,會有微量通過密封泄漏到介質和大氣中,因此該泵以白油潤滑液作為封液。
2.3 密封材料方案
(1)摩擦副材料選用石墨對碳化硅,能很好地應對該工況。
(2)輔助密封材料選擇氟橡膠O 形圈。
(3)密封芯金屬件材料選用316 不銹鋼,彈簧材料選用哈C合金,軸套、端蓋、腔體材料選用316 不銹鋼。
以上材料均可以滿足該泵的工況要求,保證密封的長周期運轉。
3 結論
改造后運行狀態良好,長周期運行24 個月無異常波動。
上次石腦油輸送泵機封改造采用了密封沖洗方案為PLAN74 的雙端面帶壓干氣式機械密封,而且兩套并聯式干氣密封共用一套供氣系統,導致系統對氮氣源要求特別高。同時雙支撐多級泵驅動端或非驅動端一端泄漏會對另一端氣源壓力產生很大影響。本次改造采用PLAN11+53A 的沖洗方案的標準串聯雙端面密封,以現場氮氣源為封液罐提供壓力源,同時采用壓力開關、高低液位開關對氣源壓力和密封泄漏情況進行監測,有效地避免了密封泄漏故障。本次機械密封的成功改造,提高了整個裝置的安全性,延長了設備的運行周期,降低了檢修頻次,減少了因頻繁檢修造成的經濟損失,對石化公司創建無污染企業具有積極的作用。同時,它對于同類型機泵在機械密封改造選型方面提供了一定參考,具有一定的推廣價值。
圖1 Plan11+53A 密封沖洗系統
 
來源:《設備管理與維修》 2020年05期

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