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漿液離心泵機(jī)械密封失效原因分析及改進(jìn)措施

　　1 漿液離心泵機(jī)械密封

　　1.1 漿液離心泵

　　該裝置共有脫單塔漿液離心泵16臺(tái)，均為常規(guī)臥式離心泵，泵葉輪采用全開(kāi)式結(jié)構(gòu)，型號(hào)ID80×50-315，主體材質(zhì)SUS316，過(guò)流體部分材質(zhì)SUS316L，工作壓力0.22 MPa，工作溫度65 ℃，該種結(jié)構(gòu)離心泵在化工領(lǐng)域使用廣泛，工況適用性強(qiáng)，對(duì)于含有顆粒的聚合物漿液介質(zhì)有較好的輸送性能。

　　1.2 機(jī)械密封應(yīng)用情況

　　現(xiàn)泵軸密封采用常規(guī)雙端面機(jī)械密封，型號(hào)45KU-CU，主體材質(zhì)316 L，密封端面材質(zhì)為碳化硅—碳石墨，由四川日機(jī)密封股份有限公司制造，工作壓力0.15 MPa，密封水沖洗方案選自API610中沖洗方案PLAN52不加壓冷卻方式。

　　該種機(jī)械密封結(jié)構(gòu)為2次改進(jìn)后的密封形式，泵軸密封曾使用過(guò)單彈簧單端面機(jī)械密封、多彈簧單端面機(jī)械密封，但兩者密封性能非常有限，故障率高，且對(duì)于含有丙烯腈單體的毒害工況適用性較差，后經(jīng)與相關(guān)廠家多次研討，改進(jìn)為雙端面機(jī)械密封。

　　1.3 密封存在的問(wèn)題

　　(1)常規(guī)生產(chǎn)工況

　　聚合物漿液為含有顆粒的懸濁液，其粘度、顆粒度及分布性隨不同產(chǎn)品規(guī)格發(fā)生變化，常因泵軸機(jī)械密封各部件無(wú)法有效密封而導(dǎo)致聚合物漿液進(jìn)入軸套、彈簧及動(dòng)環(huán)座，引起動(dòng)、靜環(huán)端面受力不均，產(chǎn)生不同程度磨損，而出現(xiàn)泄漏，竄入端面間的聚合物漿液，其中顆粒物料加速了動(dòng)、靜環(huán)端面磨損。

　　(2)堿煮工況

　　脫單塔塔體、真空線、塔盤(pán)及分配器上經(jīng)常出現(xiàn)聚合物漿液結(jié)疤，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，常需要定期對(duì)脫單塔使用42%濃度的氫氧化鈉進(jìn)行堿煮除疤，堿煮工況溫度達(dá)115 ℃以上，堿煮時(shí)間為48 h，泵軸機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)端面材質(zhì)為碳化硅—碳石墨，這種密封端面材質(zhì)在高溫堿煮作用下，會(huì)出現(xiàn)不同程度過(guò)燒，在密封端面上呈現(xiàn)太陽(yáng)輻射狀條紋分布，且端面密封材料和動(dòng)靜環(huán)因材質(zhì)不同，受熱而產(chǎn)生不均勻變形，影響機(jī)械密封的密封性，造成泵軸機(jī)械密封出現(xiàn)內(nèi)漏或外漏，對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生影響，同時(shí)也對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害。

　　2 密封失效形式及原因

　　離心泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是離心泵安裝、維護(hù)及管理的薄弱環(huán)節(jié)，密封失效也是造成機(jī)泵維修的主要原因，約占機(jī)泵檢維修量55%，需要得到相關(guān)管理者的高度重視[2]。

　　2.1 密封失效形式

　　漿液離心泵機(jī)械密封常見(jiàn)失效形式包括腐蝕失效、摩擦失效、密封附件失效、壓力波動(dòng)失效及人為違規(guī)操作失效等，其中摩擦失效、密封附件失效及工藝操作失效是漿液離心泵機(jī)械密封失效主要形式。

　　2.2 失效原因

　　(1)腐蝕失效

　　腐蝕失效包括表面腐蝕、點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕、間隙腐蝕及電化學(xué)腐蝕，其中表面腐蝕、點(diǎn)蝕及間隙腐蝕曾因彈簧和定位銷材質(zhì)使用不當(dāng)出現(xiàn)過(guò);應(yīng)力腐蝕多因安裝不當(dāng)產(chǎn)生，而引起彈簧等金屬部件在應(yīng)力腐蝕作用下發(fā)生斷裂;電化學(xué)腐蝕相比較其它類型腐蝕更常見(jiàn)，對(duì)機(jī)械密封的破壞性更大，主要由工況所致。

　　(2)摩擦失效

　　機(jī)械密封的摩擦副表面之間存在聚合物漿液顆粒，或機(jī)械密封摩擦副材質(zhì)耐磨性差、摩擦系數(shù)大、動(dòng)靜環(huán)端面彈簧比壓過(guò)大，都會(huì)引起密封端面磨損，引發(fā)摩擦失效。

　　密封端面摩擦副磨損會(huì)造成機(jī)械密封局部或整體溫度過(guò)高，使得機(jī)械密封各部件因受熱而產(chǎn)生一系列問(wèn)題，如摩擦副熱變形或熱脆裂，彈簧高溫失去彈性，各部件密封圈高溫老化、變形、失彈、開(kāi)裂及斷折等問(wèn)題，對(duì)機(jī)械密封密封性產(chǎn)生一定影響，甚至導(dǎo)致密封失效。

　　(3)密封附件失效

　　密封附件主要有軸套密封圈、動(dòng)環(huán)密封圈及靜環(huán)密封圈，各部位密封圈常采用橡膠O型圈或包氟O型圈，但實(shí)際使用中，尤其堿煮工況發(fā)現(xiàn)橡膠O型圈易老化，包氟O型圈易變形且無(wú)法及時(shí)適量回彈，而導(dǎo)致聚合物漿液通過(guò)密封失效處進(jìn)入軸套、彈簧及動(dòng)環(huán)座，加速了動(dòng)靜環(huán)端面摩擦失效。

　　(4)壓力波動(dòng)失效

　　壓力波動(dòng)失效主要指壓力波動(dòng)造成的失效，當(dāng)機(jī)封腔內(nèi)機(jī)械密封承受的壓力超過(guò)規(guī)定比壓時(shí)，會(huì)加大動(dòng)靜環(huán)端面比壓，不利于形成有效的液膜，加快了端面磨損，同時(shí)過(guò)比壓會(huì)引起端面溫度過(guò)高，會(huì)使機(jī)械密封動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈簧及端面產(chǎn)生變形。當(dāng)機(jī)封腔內(nèi)機(jī)械密封承受的壓力低于規(guī)定比壓時(shí)，會(huì)減少動(dòng)靜環(huán)端面比壓，引起動(dòng)環(huán)、靜環(huán)及彈簧波動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)環(huán)和靜環(huán)端面有效接觸，此時(shí)密封端面處于干摩擦狀態(tài)，失去了對(duì)密封端面的冷卻、沖洗及潤(rùn)滑，繼而密封端面產(chǎn)生高溫變形、磨損，甚至出現(xiàn)密封失效。

　　(5)人為違規(guī)操作失效

　　人為違規(guī)操作失效多由于操作人員違規(guī)作業(yè)，簡(jiǎn)化或不執(zhí)行規(guī)定操作規(guī)程所致，如未按規(guī)定投用機(jī)封冷卻水或冷卻水量不足，使機(jī)械密封產(chǎn)生高溫變形、磨損、裂縫或過(guò)燒剝離、脫落等，對(duì)機(jī)械密封造成不可逆損害，甚至密封失效。

　　3 外部因素對(duì)漿液離心泵機(jī)械密封的影響

　　3.1 機(jī)械冷卻水溫度過(guò)高

　　機(jī)封冷卻水來(lái)水溫度過(guò)高，經(jīng)流控制閥門(mén)狹小間隙時(shí)，較易氣化，出現(xiàn)氣泡，加之來(lái)水中所夾雜的氣泡，共同作用于機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)端面上，對(duì)端面產(chǎn)生沖蝕，使端面摩擦副產(chǎn)生破損;且因端面潤(rùn)滑液膜中含有較多氣泡，不能形成穩(wěn)定液膜，造成機(jī)械密封端面干摩擦，導(dǎo)致密封摩擦失效。

　　3.2 機(jī)泵發(fā)生汽蝕

　　漿液離心泵切換操作時(shí)，未按規(guī)定進(jìn)行灌泵或泵轉(zhuǎn)速過(guò)高，在其入口葉輪處發(fā)生汽蝕，漿液中的氣泡作用于葉輪上潰滅，對(duì)葉輪和泵軸產(chǎn)生軸向作用力，出現(xiàn)摩擦失效與壓力波動(dòng)失效疊加作用，增加動(dòng)靜環(huán)端面比壓，加快了端面磨損，甚至導(dǎo)致密封失效[3]。

　　3.3 機(jī)泵對(duì)中不足

　　漿液離心泵對(duì)中不足主要表現(xiàn)為機(jī)泵振動(dòng)較大，多由于軸承磨損、軸承跑套、聯(lián)軸器變形或聯(lián)軸器偏口、泵軸變形等原因造成。機(jī)泵振動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)通常需要檢測(cè)水平、垂直及軸向3個(gè)方向，其中軸向振動(dòng)對(duì)機(jī)泵機(jī)封影響較大，當(dāng)振動(dòng)過(guò)大，會(huì)造成機(jī)械動(dòng)靜環(huán)端面瞬間分離，使端面間液膜破碎，產(chǎn)生泄漏，如若此時(shí)動(dòng)靜環(huán)端面附近有顆粒物料存在，顆粒物料會(huì)進(jìn)入動(dòng)靜環(huán)端面摩擦副間，引起端面磨損，導(dǎo)致密封失效。

　　3.4 泵軸設(shè)計(jì)不合理

　　漿液離心泵如若使用撓度較大的泵軸，在其與電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)造成機(jī)封動(dòng)靜環(huán)端面不能完全接觸貼合密封，而出現(xiàn)線接觸或點(diǎn)接觸密封，造成密封端面受力不均，出現(xiàn)不同程度磨損，導(dǎo)致密封失效。

　　3.5 存在殘余應(yīng)力

　　漿液離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其會(huì)受到水平、垂直及軸向3個(gè)方向作用力，如果3個(gè)方向應(yīng)力不能有效合理平衡，會(huì)造成相應(yīng)方向殘余應(yīng)力，其中軸向應(yīng)力對(duì)機(jī)封影響較大，會(huì)加速動(dòng)靜環(huán)端面磨損，甚至導(dǎo)致密封失效。

　　4 改進(jìn)措施

　　結(jié)合漿液離心泵機(jī)械密封失效形式、產(chǎn)生原因及外部影響因素，分析機(jī)械密封兩次改進(jìn)后的密封形式，決定采用一體集裝式機(jī)械密封，由四川日機(jī)密封股份有限公司制造，并對(duì)離心泵機(jī)械密封失效改進(jìn)提出要求。

　　4.1 正確選擇密封形式及安裝

　　漿液離心泵機(jī)械密封形式選擇，要結(jié)合實(shí)際壓力、溫度、介質(zhì)及環(huán)境因素等工況，不能盲目選擇，這是保證機(jī)械密封可靠運(yùn)行的首步，也是關(guān)鍵一步。如漿液離心泵機(jī)械密封的兩次改進(jìn)，多因?yàn)橹蛔⒅乜紤]某一指標(biāo)，而不能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，單彈簧單端面機(jī)械密封改多彈簧單端面機(jī)械密封主要考慮平衡端面受力，而未考慮漿液粘度及顆粒度;多彈簧單端面機(jī)械密封改雙端面機(jī)械密封主要考慮環(huán)保和環(huán)境因素，而未考慮堿煮工況高溫及高腐蝕性;該次選用一體集裝式機(jī)械密封是在2次改進(jìn)的基礎(chǔ)上，充分考慮不同使用工況及不同物料特性而選定的。

　　漿液離心泵機(jī)械密封安裝時(shí)，要按照操作規(guī)程逐步執(zhí)行，使用百分表及游標(biāo)卡尺，保證找正精度及安裝精度，并做好各部件防護(hù)，尤其是密封端面保護(hù)，杜絕野蠻操作。

　　4.2 防控腐蝕引起的失效

　　防控漿液離心泵機(jī)械密封腐蝕失效，首先要確保材料材質(zhì)準(zhǔn)確可靠，備品備件采購(gòu)渠道正規(guī)合理，廠家資質(zhì)符合要求，有相應(yīng)的檢驗(yàn)合格文件，有相應(yīng)的試件實(shí)驗(yàn)合格文件，有符合要求的驗(yàn)收程序及記錄;其次日常運(yùn)行維護(hù)中，要避免腐蝕性介質(zhì)對(duì)機(jī)械密封的直接接觸，機(jī)封冷卻沖洗水來(lái)水溫度及純度符合要求，從源頭上防控腐蝕失效。

　　4.3 防控摩擦引起的失效

　　防控漿液離心泵機(jī)械密封摩擦失效，首先要選用強(qiáng)度及耐磨性更高的密封端面材質(zhì)，要求集裝式機(jī)械密封將密封端面材質(zhì)由碳化硅—碳石墨改為碳化硅—硬質(zhì)合金，不僅增加了密封端面強(qiáng)度，也提高了其耐磨性;其次要求密封端面粗糙度及平整度一定符合要求，不合規(guī)機(jī)械安裝;再者需要避免漿液物料中顆粒物料進(jìn)入機(jī)封內(nèi)，通過(guò)上述控制措施，可有效地防控摩擦失效。

　　4.4 防控密封附件引起的失效

　　防控漿液離心泵機(jī)械密封附件失效，首先要選用性能穩(wěn)定，抗壓性、抗彎性及密封性好的軸套、動(dòng)環(huán)及靜環(huán)密封圈，將密封圈材質(zhì)由橡膠或包氟改為全氟醚，該種材質(zhì)性能穩(wěn)定，且其抗彎性及密封性較好;其次加強(qiáng)維護(hù)，如發(fā)現(xiàn)軸套、動(dòng)環(huán)及靜環(huán)密封異常，則及時(shí)更換，通過(guò)上述控制措施，可有效地防控密封附件失效。

　　4.5 防控壓力波動(dòng)引起的失效

　　防控漿液離心泵機(jī)械密封壓力波動(dòng)失效，需確保操作及維護(hù)平穩(wěn)可靠，避免快開(kāi)、快關(guān)及波動(dòng)操作，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)和控制室協(xié)同作業(yè)，可有效地防控壓力波動(dòng)失效失效[10～15]。

　　4.6 防控人為違規(guī)操作引起的失效

　　防控漿液離心泵機(jī)械密封人為違規(guī)操作是所有防控措施中關(guān)鍵、本質(zhì)的措施，首先加強(qiáng)相關(guān)操作及維護(hù)培訓(xùn)，確保人人參與，人人執(zhí)行，人人監(jiān)督;其次要將操作規(guī)程落到實(shí)處，確保每個(gè)步驟有據(jù)可依、有據(jù)可查，符合實(shí)際工況，禁用教科書(shū)式模式;再者制定相應(yīng)考核細(xì)則，獎(jiǎng)罰分明，細(xì)化管理要求，通過(guò)上述控制措施，可有效地防控人為違規(guī)操作失效[16～20]。

　　4.7 防控外部因素引起的失效

　　(1)機(jī)封冷卻水溫度過(guò)高，通過(guò)加強(qiáng)水溫監(jiān)測(cè)及運(yùn)行維護(hù)，可有效地防控冷卻水溫度的影響。

　　(2)機(jī)泵發(fā)生汽蝕，結(jié)合參照防控人為違規(guī)操作引起的失效執(zhí)行。

　　(3)機(jī)泵對(duì)中不足，加強(qiáng)檢維修及狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理，可有效地防控機(jī)泵對(duì)中不足的影響。

　　(4)泵軸設(shè)計(jì)不合理，通過(guò)加強(qiáng)設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造、檢驗(yàn)、安裝、調(diào)試及運(yùn)行各環(huán)節(jié)管理，實(shí)現(xiàn)備件全過(guò)程管理，可有效地防控泵軸設(shè)計(jì)不合理的影響。

　　(5)存在應(yīng)力，加強(qiáng)安裝、檢維修及日常維修，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)檢查及檢測(cè)，可有效地防控存在應(yīng)力的影響。

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