崔鐘續(xù)，張旭亮，王志輝，劉傳云，應(yīng)汶靜

（中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103）

某40萬(wàn)t/a高密度聚乙烯（HDPE）裝置采用Chevron-Phillips和MARTECH技術(shù)，雙環(huán)管反應(yīng)器可生產(chǎn)雙峰/單峰產(chǎn)品，由2臺(tái)軸流泵為反應(yīng)器提供循環(huán)動(dòng)力。軸流泵為HDPE裝置的核心設(shè)備，其運(yùn)行狀況直接影響裝置效益[1-2]。軸流泵型號(hào)24*28AFH9500，設(shè)計(jì)體積流量10 636 m3/h，揚(yáng)程59.8 m，轉(zhuǎn)速 1 820 r/min，電機(jī)功率 2 000 kW。 常見(jiàn)牌號(hào)反應(yīng)器控制參數(shù)為，溫度96～110℃、壓力4.2～4.7 MPa、固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%～47%。該軸流泵試車過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)械密封溫度高、高壓氣囊意外磨損的情況，文中對(duì)軸流泵機(jī)械密封產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行排查分析，指出了軸流泵長(zhǎng)周期運(yùn)行的注意事項(xiàng)。

1 HDPE裝置軸流泵機(jī)械密封系統(tǒng)

該HDPE裝置軸流泵機(jī)械密封正常操作壓力4.5 MPa，介質(zhì)為異丁烷和聚乙烯顆粒，一旦介質(zhì)發(fā)生泄漏有較大安全隱患，所以密封安全性尤為重要[3-6]。現(xiàn)場(chǎng)采用的軸流泵機(jī)械密封安全性較高，其沖洗方案為PLAN32+PLAN53C+PLAN52+高壓氣囊，即PLAN32系統(tǒng)是采用5.0 MPa異丁烷沖洗至第一級(jí)摩擦副[7]，異丁烷另外分支連接PLAN53C活塞缸底部，活塞缸上部使用食品級(jí)68#白油作為隔離液。利用PLAN53C上、下活塞面積差，最終使活塞上部壓力高于活塞下部壓力。使用PLAN53C的優(yōu)點(diǎn)是能夠及時(shí)根據(jù)密封腔壓力自動(dòng)調(diào)整隔離液壓力。由于整套機(jī)械密封長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此在初級(jí)密封PLAN53C密封腔內(nèi)部設(shè)置有1套支撐軸承，用于支撐泵軸及葉輪。軸流泵機(jī)械密封初級(jí)密封結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 軸流泵機(jī)械密封初級(jí)密封結(jié)構(gòu)示圖

在PLAN52外側(cè)設(shè)置有高壓氣囊，這是近幾年的新增設(shè)計(jì)，是機(jī)械密封最后一道防護(hù)。在極端情況，即PLAN53C失效異丁烷大量泄漏且PLAN52同時(shí)失效情況下，可遠(yuǎn)程停泵，檢測(cè)PLAN52放空壓力和泵軸轉(zhuǎn)速，若同時(shí)滿足PLAN52放空壓力高高和泵軸轉(zhuǎn)速為0這2個(gè)條件，則觸發(fā)高壓氣囊聯(lián)鎖條件，氣動(dòng)閥自動(dòng)打開(kāi)，8 MPa氮?dú)獬淙霘饽遥瑲饽遗蛎浐?60°完全貼緊泵軸，從而達(dá)到防止介質(zhì)繼續(xù)外漏的目的。軸流泵機(jī)械密封安全密封結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 軸流泵機(jī)械密封安全密封結(jié)構(gòu)示圖

2 軸流泵試車過(guò)程中存在問(wèn)題

2.1 機(jī)械密封溫度偏高

不同于常規(guī)離心泵，軸流泵的密封沖洗方案較為復(fù)雜。為避免前期安裝問(wèn)題導(dǎo)致機(jī)械密封無(wú)法滿足運(yùn)行要求，反應(yīng)器倒空造成介質(zhì)浪費(fèi)，一般在更換機(jī)械密封或大修后先進(jìn)行一次軸流泵空負(fù)荷試運(yùn)。通過(guò)軸流泵試運(yùn)5 min測(cè)試機(jī)械密封安裝及運(yùn)行情況，主要檢查設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況、機(jī)械密封泄漏情況、各級(jí)密封油運(yùn)行溫度等?，F(xiàn)場(chǎng)共有2臺(tái)軸流泵，A泵試運(yùn)5 min后機(jī)械密封各級(jí)密封油溫度見(jiàn)表1。

表1 軸流泵A泵試運(yùn)5 min后機(jī)械密封各級(jí)密封油溫度 ℃

由表1可見(jiàn)，試運(yùn)5 min后，軸流泵A泵PLAN53C密封油溫升達(dá)35℃，PLAN52冷卻器后溫度達(dá)85℃，機(jī)械密封整體運(yùn)行溫度偏高。試運(yùn)B泵時(shí)同樣出現(xiàn)了機(jī)械密封溫度偏高問(wèn)題，勢(shì)必會(huì)影響機(jī)械密封的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

之后進(jìn)行的負(fù)荷試車中，2臺(tái)軸流泵機(jī)械密封溫度仍然較高。當(dāng)介質(zhì)溫度為95℃時(shí)，PLAN53C密封出口溫度最高達(dá)到了98℃，密封冷卻器后溫度為53℃，密封溫升達(dá)到45℃。

2.2 高壓氣囊磨損

在軸流泵B泵負(fù)荷試機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)電流波動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)泵基礎(chǔ)晃動(dòng)。試運(yùn)轉(zhuǎn)1 min果斷停泵，轉(zhuǎn)子靜止前在機(jī)械密封位置有橡膠味道，現(xiàn)場(chǎng)判斷為高壓氣囊磨損所致。

2.3 機(jī)械密封泄漏

2臺(tái)軸流泵啟動(dòng)之后，發(fā)現(xiàn)PLAN53C液位有所下降（大約 2 L/d）、PLAN52罐液位上漲 2.2%（0.66 L/d）、PLAN52 外漏 7 滴（約 0.28 L/d）。說(shuō)明3個(gè)密封面均有不同程度的泄漏，即PLAN53C向介質(zhì)側(cè)泄漏、向PLAN52側(cè)泄漏，同時(shí)PLAN52向外泄漏。

3 軸流泵機(jī)械密封存在問(wèn)題排查[8-10]

3.1 機(jī)械密封溫度偏高

3.1.1 循環(huán)水體積流量不足

對(duì)比PLAN52系統(tǒng)中冷卻器，PLAN53C系統(tǒng)中的冷卻器降溫效果明顯?，F(xiàn)場(chǎng)打開(kāi)PLAN52冷卻器循環(huán)水回水導(dǎo)淋，增大冷卻水流量，但PLAN52冷卻器降溫效果不明顯。使用超聲流量檢測(cè)儀測(cè)得循環(huán)水體積流量為25 L/min，所以排除循環(huán)水體積流量不足問(wèn)題。

3.1.2 密封油循環(huán)問(wèn)題

使用超聲流量檢測(cè)儀測(cè)得密封油體積流量約20 L/min，而廠家計(jì)算數(shù)據(jù)指出密封油循環(huán)量超過(guò)16 L/min即可滿足取熱，所以排除泵效環(huán)故障和密封油循環(huán)問(wèn)題。

3.1.3 機(jī)械密封發(fā)熱量大

從圖樣上看，PLAN52動(dòng)、靜環(huán)軸徑約180 mm，超出API 682—2014《離心泵和轉(zhuǎn)子泵用軸封系統(tǒng)》[11]范圍。計(jì)算密封腔流體熱量需要考慮多個(gè)條件[12]，廠家使用有限元軟件 Web Calcs計(jì)算得出密封腔流體發(fā)熱量為0.703 3 kW，機(jī)械密封溫升基本穩(wěn)定，可排除機(jī)械密封發(fā)熱量大問(wèn)題。

3.1.4 冷卻器換熱面積小

查看圖樣，冷卻器換熱面積為0.27 m2。在換熱面積相同情況下，其他裝置同型號(hào)軸流泵要么運(yùn)行轉(zhuǎn)速比這臺(tái)泵低，要么軸徑比這臺(tái)泵小。為驗(yàn)證冷卻器換熱面積小引起機(jī)械密封溫度偏高的推測(cè)，在冷卻器外側(cè)澆水，冷卻器后溫度下降至77℃，效果明顯。之后更換了0.66 m2水冷器盤管，投用后冷卻器后溫度降至72℃，基本解決了機(jī)械密封溫度偏高的問(wèn)題。

3.2 高壓氣囊磨損

負(fù)荷試車前確認(rèn)氣囊高壓氮?dú)獠⑽赐队?，整個(gè)高壓氮?dú)饬鞒蹋▓D3）中有3道閥門，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)排查，3道閥門均存在輕微內(nèi)漏的情況。在其他應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)也發(fā)生過(guò)氣囊磨損問(wèn)題，所以一般廠家不建議投用此系統(tǒng)。

圖3 高壓氮?dú)饬鞒淌緢D

研究分析高壓氮?dú)饬鞒?，認(rèn)為流程設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題，多個(gè)閥門內(nèi)漏是小概率事件。正常情況下可以通過(guò)安全放空位置泄壓，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試氣動(dòng)三通閥，在聯(lián)鎖未觸發(fā)時(shí)保證密封接入位置與安全放空相連。但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，放空位置有盲板，閥門泄漏的氣體無(wú)法正常排出，也就導(dǎo)致了高壓氣囊存在壓力。之后拆除了此位置盲板，壓力可以隨時(shí)排出，確保不會(huì)出現(xiàn)氣囊異常磨損的情況。

3.3 機(jī)械密封泄漏

該軸流泵的軸徑為145.8 mm，密封腔壓力為4.6 MPa，均超出 API 682—2014范圍，所以其泄漏量不按API 682—2014的規(guī)定執(zhí)行。生產(chǎn)廠家采用軟件Web Calcs計(jì)算出機(jī)械密封理論泄漏量大于原設(shè)計(jì)泄漏量，原因是計(jì)算結(jié)果中沒(méi)有考慮密封面在熱量和壓力情況下的變形。以PLAN53C外側(cè)密封為例，采用有限元分析軟件，模擬其在溫度、壓力等綜合因素影響下正常運(yùn)行時(shí)密封環(huán)的狀態(tài)，結(jié)果示意見(jiàn)圖4。經(jīng)過(guò)1 a運(yùn)行觀察，該軸流泵沒(méi)有出現(xiàn)泄漏量增加的情況，與軟件模擬情況結(jié)果一致。

圖4 運(yùn)行工況下PLAN53C外側(cè)密封有限元模擬結(jié)果

其他裝置軸流泵上曾出現(xiàn)過(guò)密封油竄入介質(zhì)的情況[7]，密封油需要經(jīng)常置換和化驗(yàn)，但過(guò)多的操作會(huì)增加運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。該軸流泵約15 d泄漏的密封油量可以把密封系統(tǒng)油置換1次，權(quán)衡考慮，少量穩(wěn)定的密封油泄漏是可以接受的。

該軸流泵機(jī)械密封中既有摩擦副又有滾動(dòng)軸承，因此設(shè)計(jì)中推薦采用清潔度更好的紫皇冠FDA910密封油，但其采購(gòu)周期較長(zhǎng)，而且價(jià)格較高。而該軸流泵每天都有一定的內(nèi)漏量，反而不用考慮長(zhǎng)時(shí)間使用密封油的清潔度問(wèn)題。經(jīng)過(guò)慎重考慮和綜合研究分析，將密封油更換為某品牌68#食品級(jí)白油，2種密封油相容性試驗(yàn)合格。而68#食品級(jí)白油價(jià)格僅約為紫皇冠FDA910密封油價(jià)格的1/5。經(jīng)過(guò)1 a的使用，軸流泵運(yùn)行穩(wěn)定。

4 軸流泵長(zhǎng)周期運(yùn)行探討[13-14]

4.1 軸流泵安裝注意事項(xiàng)

AFH9500型軸流泵出、入口法蘭安裝同心度要求不大于1.6 mm，法蘭不平行偏差要求不大于1.6 mm。泵出、入口法蘭尺寸較大，在焊接配對(duì)法蘭時(shí)，多個(gè)法蘭現(xiàn)場(chǎng)焊接后無(wú)法達(dá)到泵安裝要求，導(dǎo)致出現(xiàn)反復(fù)焊接的情況，可采取以下措施保證軸流泵安裝質(zhì)量。

4.1.1 以泵軸水平為基準(zhǔn)

正常對(duì)中以泵法蘭為基準(zhǔn)，但軸流泵基礎(chǔ)較長(zhǎng)，在焊接、運(yùn)輸及安裝過(guò)程無(wú)法避免底座變形[15]。以泵軸水平為基準(zhǔn)不但可以排除底座變形對(duì)對(duì)中數(shù)據(jù)的影響，而且可以消除泵法蘭本身尺寸偏差的影響。

為防止底座變形，軸流泵現(xiàn)場(chǎng)安裝就位后，在軸流泵底座下每隔1.5 m增加支撐點(diǎn)，避免鋼結(jié)構(gòu)變形。

4.1.2 焊接質(zhì)量控制

環(huán)管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特殊，軸流泵入口段管線無(wú)支撐，這樣加大了入口法蘭的焊接難度，需考慮焊接收縮現(xiàn)象。具體焊接質(zhì)量控制方法為，焊接前首先保證泵軸水平，完成電機(jī)—增速箱—泵的對(duì)中。根據(jù)廠家經(jīng)驗(yàn)，建議使用2.5 mm墊代替正式墊安裝泵入口配對(duì)法蘭，螺栓安裝，用正常力矩緊固。在泵聯(lián)軸器位置增加3塊百分表，觀察焊接過(guò)程中水平、垂直及軸向數(shù)據(jù)變化。焊接過(guò)程要控制電流、層間溫度，并且保證2人對(duì)向焊接。當(dāng)任意方向偏差大于0.5 mm時(shí)，需及時(shí)調(diào)整焊接位置和速度，從而保證整體焊接質(zhì)量。

4.1.3 彈簧調(diào)節(jié)

軸流泵不同于其他泵，泵體連接在環(huán)管反應(yīng)器上，環(huán)管在升、降溫過(guò)程中，長(zhǎng)度會(huì)有很大變化，所以軸流泵基座上設(shè)有多個(gè)彈簧用于支撐泵體，同時(shí)彈簧還有減振的作用。

為保證彈簧能夠均勻受力，建議在安裝最后階段把墊鐵撤掉，使用彈簧支撐整個(gè)泵基礎(chǔ)時(shí)，在泵基礎(chǔ)上架設(shè)百分表，確保由墊鐵轉(zhuǎn)到彈簧期間基礎(chǔ)位置穩(wěn)定。當(dāng)確認(rèn)泵基礎(chǔ)有小幅上升時(shí)，則開(kāi)始緊固下一組彈簧，最終確認(rèn)彈簧高度在圖樣要求規(guī)范之內(nèi)即可。

4.2 軸流泵初次投用注意事項(xiàng)

4.2.1 密封初次投用

機(jī)械密封初次投用前，需檢查并落實(shí)密封流程是否正確、各密封接口是否正確、密封定位銷是否取掉、密封旋向是否正確、密封內(nèi)部是否吹掃干凈、是否為帶壓密封、無(wú)壓密封排空是否暢通、帶壓密封沖油是否排氣以及密封靜態(tài)保壓是否合格等事項(xiàng)。

4.2.2 首次試車

潤(rùn)滑油在管線中循環(huán)正常，聯(lián)鎖調(diào)試合格后即可準(zhǔn)備試車。帶PLAN32系統(tǒng)的一定先啟動(dòng)PLAN32沖洗，然后再向反應(yīng)器充裝介質(zhì)，避免密封出現(xiàn)反壓情況。

充裝介質(zhì)時(shí)需要多次在多個(gè)位置排氣，如果未充分排氣，泵運(yùn)轉(zhuǎn)后會(huì)產(chǎn)生周期性振動(dòng)[16]，可根據(jù)泵流量推算周期性振動(dòng)時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

軸流泵能否長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)將影響整個(gè)HDPE裝置乃至全廠的物料平衡。對(duì)HDPE裝置軸流泵試車過(guò)程中出現(xiàn)的機(jī)械密封問(wèn)題進(jìn)行了排查，經(jīng)反復(fù)研究分析，最終在開(kāi)工前消除了隱患，提高了機(jī)械密封使用安全性和壽命。影響軸流泵長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的因素不單是機(jī)械密封，軸流泵的安裝、操作、聯(lián)鎖設(shè)置等同樣重要。在試車初期，必須從安裝開(kāi)始逐一確認(rèn)關(guān)鍵點(diǎn)，排除機(jī)械故障，消除機(jī)械密封的瓶頸問(wèn)題，才能保證軸流泵長(zhǎng)周期運(yùn)行。