液體丙烯排放泵故障分析及解決方案

高 靜

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

某引進(jìn)聚丙烯技術(shù)的液體丙烯排放泵，在國外某裝置的運行過程中出現(xiàn)泵體溫度升高、電流不穩(wěn)、軸承損壞等現(xiàn)象，且泵返修后連續(xù)運行一段時間依然會間歇出現(xiàn)以上問題。該裝置運行的前幾個月里，2臺液體丙烯排放泵都經(jīng)歷過軸承損壞停車的故障，部分時間段業(yè)主只能通過旁路進(jìn)行操作。現(xiàn)通過對該技術(shù)流程特點、泵體結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場故障進(jìn)行分析，找到了操作不穩(wěn)的成因和解決方法。

1 液體丙烯排放泵

根據(jù)本技術(shù)專利商的要求，液體丙烯排放泵選型為屏蔽泵，泵體、葉輪、軸的材質(zhì)為304S.S，定子屏蔽套材質(zhì)為Hastelloy C，轉(zhuǎn)子屏蔽套材質(zhì)為不銹鋼,軸承材質(zhì)為碳化硅。由于輸送的介質(zhì)中含有聚丙烯(PP)粉末，為防止PP粉末進(jìn)入轉(zhuǎn)子側(cè)，采用新鮮丙烯為外沖洗液由泵后部注入。沖洗丙烯的壓力需高于泵入口壓力。在葉輪和前端軸承之間有機(jī)械密封將屏蔽泵分為2個區(qū)域。前端為泵體和葉輪，它們接觸的介質(zhì)為含PP粉末的液體丙烯；后端為轉(zhuǎn)子、定子、屏蔽套、軸、軸承等部件，它們接觸的介質(zhì)為不含PP粉末的液體丙烯，這股液體丙烯也是屏蔽泵的循環(huán)液。軸的后部配有一副葉輪，用于給循環(huán)液加壓，保證循環(huán)液的流動。軸和軸承摩擦產(chǎn)生的熱量由循環(huán)丙烯帶走，通過1個小冷卻器撤熱。

泵的基本參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 泵的基本參數(shù)

2 現(xiàn)場出現(xiàn)的問題

裝置開車后1個月，B泵出現(xiàn)電流高高報警停車。據(jù)現(xiàn)場操作人員反映，停車前1～2 min泵體突然產(chǎn)生劇烈振動，來不及采取任何措施泵就自動聯(lián)鎖停車。拆泵后發(fā)現(xiàn)，其兩端軸承嚴(yán)重磨損并碎裂，軸表面有明顯磨損痕跡，葉輪表面粘黏少量白色粉末?，F(xiàn)場照片見圖2～圖5。2個月后A泵也發(fā)生故障停車，2臺泵的停車現(xiàn)象和損壞情況基本相同。

1—泵體；2—葉輪；14—RB端蓋；15A/B—軸承；16—軸；17—軸套；18—推力盤；19—轉(zhuǎn)子；20—定子；21—轉(zhuǎn)子屏蔽套；22—定子屏蔽套；23—付葉輪；24—接線盒；33—連接體；35—熱交換器；36—排氣閥；37—機(jī)械密封；40—底座；41—機(jī)架；46A/B/C/D/E/F/G—螺栓；48—緊定螺釘；53A/B/C/D—彈簧墊圈；54—墊圈；55A—墊圈；55B—墊片；55C—墊圈；56—調(diào)整墊圈；57A/B—止動墊圈；58A—鍵；59A/B—塞子；60—銷；61—活結(jié)接頭；64—襯套；66A/B—密封墊圈；67—O形圈密封圖1 泵的結(jié)構(gòu)示意

圖2 軸承磨損產(chǎn)生的粉末

圖3 碎裂的軸承

圖4 軸表面磨損情況

3 原因分析

這2臺屏蔽泵采用的是碳化硅軸承，由圖2可見，泵損壞時軸套內(nèi)有大量黑色粉末，這些粉末應(yīng)是軸和軸承之間相互摩擦產(chǎn)生的。通過對工藝流程及泵體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，可能導(dǎo)致軸承磨損的原因有2個：1)PP細(xì)粉從工藝側(cè)穿過機(jī)械密封反向進(jìn)入泵體后部，引起軸承摩擦面擦傷，產(chǎn)生的新磨屑?xì)埩粼谀Σ撩嫔闲纬尚履チ?，與PP粉末一起使磨損情況加??；2)外沖洗及循環(huán)冷卻系統(tǒng)有問題，導(dǎo)致軸與軸承間的潤滑及冷卻不利，使軸承與軸表面產(chǎn)生干磨，干磨產(chǎn)生的殘屑變成新磨料存留在摩擦面上，使軸和軸承之間的磨損情況加劇，最后導(dǎo)致軸承的摩擦面磨損失效。

圖5 葉輪表面黏附物

3.1 PP細(xì)粉進(jìn)入泵體后部的可能性分析

此泵輸送的液體為聚合工段產(chǎn)生的含少量PP粉末的排放液體丙烯，為防止PP粉末進(jìn)入泵后部造成軸承磨損，特設(shè)置了機(jī)械密封將軸承、轉(zhuǎn)子、屏蔽套等重要部件與含粉末的輸送介質(zhì)隔離，同時有干凈的新鮮丙烯由泵后部注入，保證沖洗丙烯的壓力需高于泵入口壓力。表2為泵故障前后的參數(shù)對比。由表中數(shù)據(jù)可知，泵故障前后的進(jìn)、出口壓力及沖洗丙烯壓力都比較穩(wěn)定，且外沖洗丙烯的壓力一直比泵入口壓力高，同時安裝在軸上的付葉輪會跟隨軸一起轉(zhuǎn)動給循環(huán)液加壓，因此PP細(xì)粉從工藝側(cè)穿過機(jī)械密封反向進(jìn)入泵體后部的可能性幾乎為0，可排除。

表2 泵故障前后操作參數(shù)對比

3.2 外沖洗及循環(huán)冷卻系統(tǒng)問題分析

排除PP細(xì)粉進(jìn)入泵體后部的可能性后，軸承磨損的原因主要集中在外沖洗及循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

液體丙烯排放泵的潤滑和冷卻介質(zhì)是沖洗丙烯。分析圖1泵的結(jié)構(gòu)可知，界區(qū)來的潔凈丙烯從泵后部注入，經(jīng)后端軸承的尾部進(jìn)入軸承座腔，在后端軸承的內(nèi)表面螺旋槽內(nèi)形成潤滑流動液膜，并帶走軸承產(chǎn)生的熱量，然后順著定子和轉(zhuǎn)子之間微小的間隙到達(dá)前端軸承，從前端軸承推力盤進(jìn)入前端軸承內(nèi)表面的螺旋槽，最后從機(jī)械密封動環(huán)上部的循環(huán)液出口進(jìn)入循環(huán)液管，并在熱交換器中經(jīng)冷卻水撤熱后返回泵后部循環(huán)管線與補充的外沖洗丙烯形成泵的整個潤滑冷卻循環(huán)系統(tǒng)。由此可見：該泵的機(jī)械密封動環(huán)與靜環(huán)、動環(huán)與軸、軸與軸承及軸承與推力盤之間產(chǎn)生的摩擦熱都要依靠循環(huán)液帶走。如果以上某個部位的摩擦熱增大以及循環(huán)液流量或冷卻水溫度波動都可能造成撤熱不及時、循環(huán)液溫度升高。一旦其溫度超過丙烯的汽化溫度使液體丙烯汽化，泵就喪失了潤滑液，產(chǎn)生干轉(zhuǎn)，造成軸承快速磨損，進(jìn)而導(dǎo)致軸承表面溫度急劇升高、膨脹變形，直至最終碎裂。

表3為不同壓力下丙烯的汽化溫度。由表3可知：當(dāng)沖洗丙烯的壓力在2.1～2.2 MPa(表)時，其對應(yīng)的汽化溫度為53～56 ℃，而泵發(fā)生故障時現(xiàn)場實測沖洗液循環(huán)管表面溫度介于55～60 ℃之間，高于其汽化溫度。因此可基本判斷泵的故障是由外沖洗及循環(huán)冷卻系統(tǒng)原因造成的。

表3 不同壓力下液相丙烯的汽化溫度

4 解決方案

據(jù)現(xiàn)場操作人員反映，泵在停車前，其入口壓力和沖洗丙烯的壓力都比較穩(wěn)定，沒有大幅波動。另外，循環(huán)冷卻水進(jìn)水的實際操作溫度為26～28 ℃，低于設(shè)計采用的33 ℃，因此基本可排除沖洗丙烯中斷和冷卻水溫度過高的原因。

經(jīng)過與廠家反復(fù)溝通發(fā)現(xiàn)，廠家對外沖洗丙烯的壓力及流量控制有非常苛刻的要求：1)外沖洗丙烯壓力應(yīng)高于泵入口壓力0.2 MPa(表)，且誤差不超過±0.05 MPa(表)；2)外沖洗丙烯的流量需控制在0.03 m3/h。分析其原因，可能是因為若外沖洗丙烯的壓力高于廠家規(guī)定的范圍，沖洗丙烯對泵內(nèi)部元件的軸向推力加大，會加劇前后軸承與推力盤之間的摩擦以及機(jī)械密封動環(huán)與靜環(huán)之間的摩擦，而這部分摩擦熱廠家未計算在內(nèi)，因此熱量慢慢累積，最終導(dǎo)致軸承磨損。為了證實以上分析是否正確，研究決定在外沖洗丙烯線上增加一小量程流量計和1個針型閥，將丙烯流量嚴(yán)格控制在0.03～0.04 m3/h，從而精確控制沖洗丙烯的壓力。實踐證明：這一措施非常有效，改造后這2臺泵操作穩(wěn)定，至今已連續(xù)運轉(zhuǎn)10個多月，再未出現(xiàn)軸承磨損的停車故障。

5 對泵選型的探討

通過對該工藝技術(shù)及液體丙烯特性的分析認(rèn)為，屏蔽泵不是此泵的最佳選擇，原因如下：

1) 屏蔽泵屬于無密封泵的一種，要求輸送介質(zhì)干凈、無雜質(zhì)，一般直接用泵出口物料作為循環(huán)潤滑介質(zhì)，結(jié)構(gòu)上沒有動密封，只在泵的外殼處有靜密封。而本泵的輸送介質(zhì)為含PP粉末的丙烯，不能直接用作潤滑液，為了防止PP粉末進(jìn)入泵后端軸承部分，額外設(shè)置了機(jī)械密封，并采用外沖洗丙烯作為循環(huán)潤滑液。而外沖洗丙烯的流量及壓力控制要求精細(xì)，工藝條件稍微變化就容易引起該系統(tǒng)波動，不利于設(shè)備平穩(wěn)操作。

2) 此泵輸送介質(zhì)為液體丙烯，由表3可知，液體丙烯的汽化溫度較低、容易汽化，一旦作為潤滑液的丙烯汽化，就會造成干磨，導(dǎo)致軸承迅速破壞、泵停車。

3) 由于屏蔽泵采用滑動軸承，且選擇被輸送的介質(zhì)來潤滑，故潤滑性差的物質(zhì)不宜采用屏蔽泵輸送。一般適合于屏蔽泵介質(zhì)的粘度范圍為0.1～20 mPa·s。本工藝采用40 ℃左右的液體丙烯作為沖洗及潤滑液，其粘度僅為0.072 3 mPa·s，且隨著溫度的升高，粘度會越來越小，不利于泵的潤滑。

表4 不同溫度下液體丙烯的粘度

4) 屏蔽泵本身對操作介質(zhì)的要求較高，相比OH2型離心泵更不易操作。而該工藝為此泵提供的操作條件也較苛刻，稍有不慎就容易造成故障停車，泵的抗干擾能力較差。

5) OH2型離心泵作為化工裝置最常用的泵型，經(jīng)常用于液體丙烯的輸送，本裝置中輸送PP粉末含量更高的丙烯急冷液泵也采用的是OH2型離心泵，其操作非常穩(wěn)定，裝置開車后尚未出現(xiàn)故障停車。因此筆者認(rèn)為，該泵如能選用OH2型離心泵將更有利于裝置的平穩(wěn)操作。

6 結(jié)語

目前采用該技術(shù)的國內(nèi)裝置有2套。這2套裝置以及專利商專利工廠相同位號屏蔽泵的操作也不太穩(wěn)定。這次國外同類裝置的成功改造，為國內(nèi)裝置提供了參考，若時機(jī)恰當(dāng)，可依據(jù)經(jīng)驗對國內(nèi)裝置該泵的沖洗丙烯循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行改造，使操作更加穩(wěn)定、減少設(shè)備故障率。

另外，如再有機(jī)會參與該技術(shù)的聚丙烯裝置設(shè)計，可建議專利商將該泵的選型改為OH2型離心泵，從本質(zhì)上提高泵的操作穩(wěn)定性。