化工机械P101高压氨泵干气密封泄漏的故障分析与处理对策论文(关海明)

高压氨泵干气密封泄漏的故障分析与处理对策施时楷常怡涛关海明（中海石油化学股份有限公司，海南东方，572600）摘要分析多级离心式高压氨泵干气密封损坏泄漏的原因，是机封紧定套失效使机封内侧动环传动轴套和定位轴套外移，动、静环比压加大，磨损加剧，密封面损伤而泄漏。采取在车床上单边进刀量为0.25mm的整形光刀措施，可继续使用。关键词干气密封高压氨泵泄漏故障对策1概述中海石油化学股份有限公司化肥一部年产520kt大颗粒尿素装置，其关键设备之一的高压氨泵（P101A/B）驱动机为电机驱动，电机与增速机以及增速机和高压氨泵之间由膜片式弹性联轴器联接。主要特性参数见表1表1高压氨泵的特性参数项目参数制造厂意大利新比隆公司型号4×10DDHF/10ST级数10级介质液氨介质温度（最小/正常）/℃10/37介质密度（10℃/37℃）/kg．m-3626/586轴功率/kW1064密封转速/r．min-1扬程（NH3）/m出口流量入口压力（绝压）/Mpa出口压力（绝压）/Mpa转向(自增速箱方向看)干气机械密封7500350060.36/70.322.2522.35顺时针转子质量/kg电机转速/r．min-11262960高压氨泵机组由意大利新比隆（NUOVOPIGNONE）公司设计制造，驱动机为电机驱动，电机的增速箱以及增速箱和高压氨泵之间由膜片式弹性联轴器联接。机组主要附属设备有油箱、油泵、油冷器、油过滤器、氮气过滤器、注氨过滤器等。高压氨泵为单缸、二段、十级离心泵，由内缸和外缸两部分组成，外缸为筒形，内缸水平剖分为上、下两部分。转子由10级叶轮、轴及轴套等零部件组成，转子和内缸能一起从泵的非驱动端抽出。泵的轴端密封采用英国约翰-克兰（JOHNCRANE）公同生产的T.28VL型串级式干气（机械）密封，性能稳定良好，但价格极其昂贵。一级是机械密封，二级是干气密封。径向轴承为可倾瓦块式轴承，止推轴承为金斯伯雷型轴承。2存在的问题及故障分析2006年11月22日，在检修后试泵10min认为正常，（但已备用3个月），准备倒泵投用。在启动5min的时段内发现非驱动端机封锁紧套的温度达到90℃度。而该泵正常正常运行时的温度为37℃左右，温升过快过大，情况异常而紧急，决定立即停泵检修。由于停泵及时，没有引发更大的损害。该泵自2005年计划大修以来，已发生多次类似事故，有几次还引发液氨外喷泄漏。P101A/B的机封泄漏的情况较多，占停泵的80%。这与机封设计运行周期甚远，运行周期是五至八年。这两年来更换了11套机封，严重影响了泵的稳定运行，也造成几百万的经济损失。近年来，意大利新比隆原厂商及在用同类型泵的兄弟厂家的工程技术人员都在尝试采用各种办法和措施，以求找到解决问题的最佳答案。为了改善和优化机封定位轴套与泵轴定位配合的紧定作用，他们采用在定位轴套与泵轴受力配合的工作筒体轴向180°对称部位剖铣1.0mm宽的裂口，以利定位轴套在紧定套的收缩紧定扭矩的作用下更好地与泵轴配合，但是仍然没有彻底解决。从机封失效、损坏的原因分析主要有以下几种可能情况：1）转子振动大或机封冲洗水（液氨）量、氮气压力不足，使机封末型成液膜和气膜而“烧裂”动环、静环等组件。2）静环面磨损及静环开裂是机封损坏失效的原因之一。主要是介质不干净所致,使静环磨损加剧；其次是泵的出口压力超压和泵工作压力不稳定等，都很容易造成比压失调、静环磨损、开裂而是机封损坏。3）静环“卡死”也是导致机封失效的原因之一。静环卡于静环座内，不能轴向适量移动来满足跟随、补偿，以保持良好密封配合需要的情况时有发生。分析其原因：一是机封静环结构设计不尽十分合理，导向部位的间隙很小，出现动、静环密封面分离现象；其次是弹簧失效，当运行工况发生变化时易导致弹簧力失稳，使静环与动环密封面偏斜和比压失控，出现偏磨、磨损加剧和比压不足。4）弹簧及“O”形环、“V”环剪断、擦伤、缺损导致机封失效的情况在试生产阶段也时有发生。分析其原因可能是由于泵运行工况的不稳定，导致静环工作时“波动”较大，从而导致“O”形环、“V”垫、弹簧“脱离”正常工作位置，产生“剪断”、“擦伤”现象。当然，这种情况在检修装配过程中，操作不精心也可发生，因此必须极力避免。5）机封锁紧套失效，将使机封动环不能与泵轴一起旋转或时快时慢使机封的动、静环两端面之间未能成形液膜和气膜或液膜和气膜的刚度很低，导致动、静环互相接触摩擦而快速磨损。机封内组件受压外移，挤压力剧增而损坏动静环，引起“液氨外泄”甚至会造成“烧轴”的严重事故。3拆检情况及排除故障原因1）拆卸过程中再次认真检查了径向轴承和止推轴承的间隙与窜量分别是：驱动端轴承径向间隙0.10mm，非驱动端径向轴承间隙0.07mm，止推轴承窜量0.23mm；从主控得知，停泵前仪表探头的振动显示值是１４～２４ｕm．冲洗水（液氨）管道上的显示值是20bar，氮气管道上的显示值是4bar，都符合技术要求．拆检吹扫氮气滤网与管道均都干净；从这几点可推断转子振动大或机封的冲洗水（液氨）、氮气压力不足的原因可以排除。2）拆卸入口滤网冲洗，从滤网上看介质并不脏，且该泵刚刚开始启动，尚未倒入系统运行，没超压运转。可排除静环面磨损及开裂的可能。3）拆卸的机封，从外观上看，静环被卡在静环座内的可能性较小，因为机封的组装是经过原厂家JHONCRANE公司的专人试验合格的，静环“卡死”的原因可以排除。4）从主控室的历史数据显示，机封故障前运行稳定，没有不正常的波动或脉冲；这可排除弹簧及“O”形环、“V”环“剪断”的可能。当初检修后试运转10min,无泄漏，可排除装配时的失误现象。5）在拆检过程中发现，非驱动端的机封定位轴套和紧定套在泵轴上已轴向位移了6mm，机封泄漏和机封紧定套温度高的主要原因是机封紧定套失效，定位轴套与泵轴紧定力不足，在系统内压力的作用下，机封动环及机封内侧动环传动轴套等组件向外挤压位移，并使泵轴与机封内侧动环传动轴套、定位轴套出现机械摩擦生热所致。4故障处理根据以上情况分析与判断，主要原因是机封紧定套失效使机封机内侧动环传动轴套和定位轴套外移，动、静环比压加大，磨损加剧，密封面损伤而泄漏。紧定套与定位轴套紧力不足，内、外侧动环传动轴套及定位轴套受轴向力作用向外位移，且没有与泵轴同步旋转，出现相对的机械摩擦而温度急剧升高的现象。近两年来，机封泄漏次数较多，机封紧定套螺钉扭矩也因此逐渐加大，已经加到45N·m（设计值最大29N·m），还是锁不住。采用实验检测的方法，把在用的旧定位轴套和紧定套与原厂进口的新备件一起放在工作台上，按照其在泵上的工作状态进行各种检测、核实。实验表明：拆下的旧机封紧定套螺栓的紧固扭矩从29N·m一直加大到45N·m，分段测量定位轴套的内径数值，就是加到45N·m，定位轴套的内径收缩量直径只有0.02mm，也就是说定位轴套与轴在达到45N·m的状态下其过盈量只有0.02mm，且紧定套内、外圈基本没有发生轴向位移，说明紧定套内锥面没有起到锥面收缩迫使定位轴套产生足够大的内向收缩过盈配合作用。0.02mm的过盈装配量确实难以起到紧定和传递扭矩的作用。在用的旧紧定套，由于长期使用，多次拆装，外圈锈蚀、碰撞变形，内圈外边沿卡于外圈内边沿，再加大螺栓的紧固力矩，也不会发生内、外圈的相对轴向位移，内、外圈锥面没有起到应有的锥形锥面相对轴向位移形成内圈收缩变形，实现定位轴套形成0.12～0.26mm收缩量，以确保其在工作位置与泵轴产生足够大的过盈配合量的紧定力。在这次实验检测过程中，验证了新的原装机封紧定套螺栓的紧定扭矩只用到最小设计值的24N·m时，定位轴套就已产生了0.26mm过盈量，且紧定套内、外圈组件的轴向位移量达到了3.4mm。定位轴套与轴形成的0.26mm过盈量足够保证其在泵正常工作时的紧定力，充分满足承受内压的挤压力和起到传递扭矩的作用，确保机封内部转动部件与泵轴的稳定、同步旋转，从而检验和证明了意大利新比隆公司提供的最大螺栓扭矩29N·m是科学、正确和足够的。技术资料上没有提及紧定套内外圈相对轴向位移的数据，造成了只要保证紧定套的紧定螺栓扭矩达到最大29N·m，就可以保证紧定套与定位轴套的紧定力的假象，认为只要达到29N·m以上的紧定扭矩，就理所当然地认为检修是没有问题的。考虑到更换新的定位轴套和紧定套，螺栓扭矩有意控制在低于最大值的29N·m要求以内，为下一个周期的检修留下重复使用和可增大数值的余地。这次机封紧定套在27N·m的螺栓紧固扭矩作用下的位移量是驱动端2.9mm，非驱动端3.2mm。检修完工后于2006年11月28日上午开机投用，启动平稳，工况良好，各项技术性能指标完全合格，非常顺利地倒入系统平稳运行至今。拆卸下来的旧机封紧定套由于使用的时间长或多次重复使用，紧定套锈蚀、碰撞变形和金属塑性变形等，造成紧定套卡涩，增大了内、外圈的轴向位移阻力，即使加大紧定螺栓的扭矩也不会使内外圈产生轴向位移，其锥面起不到收缩作用，得不到足够的收缩过盈量，出现紧定套紧不住定位轴套，引起机械密封内组件在内压作用下向泵腔外侧移出，破坏机械密封动、静环的比压，加剧机封损坏，引起事故。采取在车床上单边进刀量为0.25mm的整形光刀措施，再做实际测验，检测证实，用29N·m的扭矩同样仍能保证紧定套内、外圈有3.2mm的轴向位移量，定位轴套产生了0.25mm紧定过盈量，可继续使用。5建议和思考1）建议。机封锁紧套使用过几次就应该认真检测，做必要的测试，确定其是否还有足够的收缩紧定过盈量，必要时上车床光刀，如图1；或更换新的组件。安装时，一定要注意紧定套在紧定螺栓的扭力作用下，达到足够的轴向位移量，应使内、外圈的外端面基本处于同一轴向平面内。图1机封锁紧套示意图2）思考。为了解决引起定位轴套的收缩变形，给今后检修拆卸定位轴套带来一定的困难，以至于可能因此而损伤泵轴等问题，设想在定位轴套已改为在180°处开1.0mm切口的基础上，换一种放大来实现既保证有良好足够收缩效果，又能便利拆卸的单边1.0mm通切口，或直接将定位轴套剖铣且成两半组合使用，这样在检修过程中会带来极大的方便。当然，这要在今后的工作中慢慢探索求证，最好是先用旧件做好实验，获得十分的把握后再行实施。LEAKAGEREASONSFORDRYINGGASSEALINGOFHIGHAMMONIAPUMPANDTREATMENTMEASURESShiShikaiandGuanHaiming(ChinaBlueChemicalCo.,Ltd,Dongfanghainan,572600)Abstract:Regardingthedamageandleakageofdryinggassealinggassealingofmulti－stagecentrifugalHPammoniapump,Thereasonisanalyzedasfollows;failureofmechanicalsealpartpushingringshaftsleeveinsidemechanicalsealandfixedshaftsleevetomoveoutside;inceasedspecificpressureofmovableringandfixedring;aggravatedtearandwearofsealsurface,resultingindamageandleakage.Themethodofshapinglightlatheisadoptedtomakethedryinggastobeusedcontinuously.Keywords:dryinggassealing,HPammoniapump,leakage,failure,coutermeasures