往复泵填料密封效果及使用寿命的影响因素分析

1、 高压往复泵填料密封效果及使用寿命的影响因素分析 密封技术石油化工设备技术,2005,26(5)?3l?Petro-ChemicalEquipmentTechnology 高压往复泵填料密封效果及使用 寿命的影响因素分析 杨反修,郑孝君 (中国石油大庆石化分公司化肥厂,黑龙江大庆163714) 摘要:文章介绍了中国石油大庆石化分公司化肥厂尿素装置的高压液氨泵与高压甲铵泵的结构特点, 阐述了软填料密封的性能及应用分析,并从初始预紧力,检修,运行维护及设备负荷等方面,对影响高压往复 泵填料密封效果及使用寿命的影响因素进行了分析,确定了设备管理和检修的重点方向,使设备的运行周期 有了大幅度的提高.

2、关键词:高压往复泵;填料密封;使用寿命;影响因素 中图分类号:TE969文献标识码:B文章编号:10068805(2005)050031一O4 1前言 大庆石化分公司化肥厂尿素装置的4台高压 往复泵高压液氨泵(31o4J/JS),高压甲铵泵 (33oJ/Js)均是德国汉堡Worthington公司的产 品,分别是立式7柱塞往复泵和立式5柱塞往复 泵.2003年7,8月份,这4台泵故障频繁,单台 泵的运行周期最长才15天,最短仅4天.对故障 的统计分析表明,在出现的故障中,柱塞密封失效 占6O(其中:液氨泵密封失效故障占氨泵故障 的83.3,高压甲铵泵密封失效故障占甲氨泵故 障的44.4),因此

3、,探讨如何延长柱塞往复泵密 封的使用寿命,对提高4台高压泵,尤其是液氨泵 的运行周期具有重要意义. 2高压液氨泵与高压甲铵泵的结构特点 (1)高压液氨泵填料箱的结构特点 高压液氨泵在沿柱塞轴线方向,以串联方式 设置了两个填料室,即高压填料室和低压填料室, 见图1.高压填料室内填料的装填顺序是:1个金 属环一5个填料环一1个金属环;低压填料室填料 的装填顺序是:1个金属环一3个填料环1个金 属环1个油封环1个金属环一2个填料环一1 高压液氨首先由高压填料室进行密.个金属环 封,其泄漏部分由低压填料室进一步密封.在低 压填料室外侧,由注油器注入润滑油,其作用是: 1)保持柱塞的良好润滑,带走摩擦热

4、; 2)起密封作用. 高压填料的压盖同时又是低压填料的箱体, 高压填料的预紧力是通过高压螺母压紧低压填料 的箱体来传递,低压填料的压紧程度,则通过旋转 低压螺母来调节. / 藿ll-一 图1高压液氨泵填料箱结构示意 (2)高压甲铵泵填料箱的结构特点 箱箱体 收稿日期:25一O3一O4;修改稿收到日期:25一O62l. 作者简介:杨反修(1958),男.河南方城县人,1982年毕 业于大庆石油化工总厂职工大学,一直从事化肥设备管理工 作,工程师.现任中国石油大庆石化分公司化肥厂设备副厂 长. ? 32?石油化工设备技术 与高压液氨泵填料箱大体相同,只是在填料 函内注入的不是润滑油,而是来自常压吸

5、收塔给 料泵(P75OA/B)的稀氨水,而且填料的装填顺序 也不一样.高压填料室填料的装填顺序是:1个 石墨填充聚四氟乙烯环1个填料环,交错加入, 共4组,最后一个是石墨填充聚四氟乙烯环.低 压填料室填料的装填顺序是:1个石墨填充聚四 氟乙烯环一3个填料环一1个石墨填充聚四氟乙 烯环,最上一层是316L的不锈钢环,其填料箱结 构见图2. E l = l i 曼 罨 ! 罗 图2高压甲铵泵填料箱结构示意 3软填料密封的性能及应用分析 4台高压往复泵的柱塞密封均为软填料密 , 软填料密封是一种填塞环缝的压紧式密封.封 其密封效果与使用寿命的影响因素是多方面的, 既与填料本身的性能有关,也与密封介质

6、,装配方 法以及运行维护等均有密切的关系.就4台高压 往复泵上使用的软填料而言,上述各个环节的互 相协调程度,对密封效果和使用寿命的影响更是 至关重要的. 3.1软填料密封的性能 软填料密封的原理,就是依靠轴向预紧力使 填料在轴向和径向产生变形,间隙被填塞,从而达 到密封效果.为了保证有效密封,软填料必须具 备的基本要求: (1)结实,坚固,有一定的弹塑性; (2)化学稳定性能好; (3)润滑性和耐磨性能好; (4)导热性能好. 用于高压往复泵柱塞密封的软填料虽然种类 很多,但从掌握的材料看,在氨泵,甲铵泵上使用 效果较好的有两种材料:聚四氟乙烯,聚四氟乙烯 加碳素纤维.大庆石化分公司化肥厂目

7、前使用的 是聚四氟乙烯加碳素纤维填料. 聚四氟乙烯的优点是:具有耐高温性,耐蚀性 及自润滑性.缺点是:在一定的温度和压力下,由 于介质和工况的影响,极易产生”冷流”现象.严 重的冷流伴随着介质的冲刷作用,可导致聚四氟 乙烯以鳞片状脱落物汇集于填料箱中. 柔性石墨具有良好的润滑性,摩擦系数小于 0.1,与同样条件下的聚四氟乙烯填料相比,其摩 擦系数小. 3.2软填料密封的应用 在对高压介质密封时,软填料面对的是渗透 泄漏的威胁.所谓的渗透泄漏,是由于密封材料 的微观空隙大于介质分子直径,使介质得以通过. 聚四氟乙烯成型填料,在密封易穿透的高压介质 时,会因为其压缩性和回弹性差,而影响使用寿 命.

8、如果要保证密封效果,只有加压使填料的密 度提高,才能保证密封材料的微观空隙小于介质 分子直径,但这样又会导致填料的摩擦力增大,加 速填料的磨损. 在有润滑剂的条件下,采用聚四氟乙烯填料 与柔性石墨填料混合组装,能够互相补充各自的 不足.柔性石墨的磨屑在润滑剂的作用下,填充 了聚四氟乙烯填料的微观空隙,从而阻止了介质 的泄漏;另一方面,润滑剂与柔性石墨颗粒混合, 充斥在填料与柱塞,组成一种润滑性较强的流体 之间,减轻柱塞对填料的磨损. 大庆石化分公司化肥厂目前使用的成型密封 填料,正是利用了聚四氟乙烯与柔性石墨的优点, 把两种原料经过特殊加工制造而成.这种填料的 压缩率为1O2O,回弹率为8O9

9、O,压 缩性强,回弹率高,保证了填料在各个位置都具有 弹塑性,从而增强了密封效果.所以,我们选择的 这种填料其使用性能是比较好的. 4填料的各项影响因素 4.1初始预紧力对填料的影响? 填料被压紧后,将发生变形,并与柱塞及填料 箱内壁贴紧.软填料的侧压系数k小于l,由软 填料特性公式:一ka可知,其径向应力小于 第26卷第5期杨反修等.高压往复泵填料密封效果及使用寿命的影响因素分析 轴向应力.研究表明:径向应力和轴向应力 均是按指数规律,由填料箱里端逐渐向外端递 增,参见图3中下侧应力分布示意.而泄漏介质 产生的应力的分布,则按对数曲线或抛物线规 律,由填料箱里端逐渐向外端递减,参见图3中上

10、侧的应力分布示意. 图3填料受力分布不意 因此,要保证介质无泄漏,填料密封箱内各点 应满足轴向压紧应力大于或等于该点的介质 产生的应力,即大于等于但是,由图3可 知,这在软填料密封中是做不到的.由于介质的 逆向加载,在填料段的里侧大于等于随着 由里到外,介质压力逐渐减小和预紧力的逐渐增 大,必然存在一点M,使得等于由M点往 外,才能满足大于等于的要求,密封介质的 泄漏才会被抑制.如此看来,似乎预紧力越大或 M点越接近填料里侧,密封效果就越好.但事实 上并不是这样,由于预紧力增大,会导致径向力也 增大,使柱塞与填料间的摩擦力增大,反而加速了 填料的磨损. 在实际应用中,采用在填料中间加隔环的方

11、法来改变径向应力的轴向分布,使其与介质的应 力分布接近.这样,就能够在尽可能减少初始预 紧力的情况下,把M点推移到填料箱长度的中间 部位以里的位置.所以,预紧力并不是越大越好, 理想的预紧力是既能够保证介质无泄漏,又应使 摩擦力最小. 4.2检修对填料的影响 安装及柱塞往复泵装配的好,软填料的组合 坏,直接关系到密封的效果和使用寿命.许多密 封失效,就是由于填料安装或柱塞找正存在问题 而造成的. 为此要从以下几方面加以注意: (1)对新领来的填料,要进行细致的检查. 制作的填料几何尺寸,误差要在允许的公差范围 内,如果尺寸不合适,即使经过处理,也会影响使 用寿命,如果填料存放时间过长,其弹性就

12、有可能 受到影响,要根据经验或与其他填料对比,不合格 的,坚决不能使用.如果发现填料表面受到损伤, 更要禁止使用.对填料表面的灰尘,污垢,要清除 后再装填. (2)检查柱塞和填料箱,如果发现表面有残 余填料,积碳或污垢,应小心清除,要保证柱塞表 面,填料箱内表面光滑,绝不能有划伤,毛刺等. (3)装填填料时,要严格按检修规程要求的 步骤进行,要特别注意以下几方面: 1)导向环,隔环要完好,间隙要合适,这样可 防止柱塞被磨损或填料被挤破; 2)高压填料每层接缝处错开90.,低压填料 接缝处错开120.,防止搭口重合发生泄漏; 3)必须使各填料环及导向环放平,放正,放 齐,压牢,用力均匀,适度,避

13、免填料发生弯曲而被 柱塞偏磨; 4)装填料时要防止堵塞密封油(水)管. (4)按检修规程的要求对柱塞找正,保证找 正的精度,避免柱塞与填料发生偏磨. (5)安装填料的压紧螺母时,压紧程度要适 中,这一点十分重要.这主要靠实践经验.通常 允许微量流体通过填料,以保证其对填料的润滑. 经验是,泵开起来后,填料箱的温度比环境温度高 3040即可. 4.3运行维护对填料的影响 如果能切实地从以下几方面,对4台高压泵 的填料进行维护,对提高密封效果,延长填料的使 用寿命有很大的帮助: (1)合理地对高,低压填料压紧螺母进行调 整. 所谓调整,包括两方面的工作,即:拧紧或放 松填料压紧螺母.调整的目的,是

14、补偿填料的压 紧力,提高密封效果.当设备检修完第一次开车 时,填料压紧螺母的预紧力不太合适,这时就要根 据具体情况,对填料压紧螺母进行调整.预紧力 , 填料箱温度上升,填料与柱塞摩擦加剧,较大时 会很快发生泄漏,这时应适当地把填料压紧螺母 放松些,这是因为填料在高温下会膨胀,只有放松 压紧螺母,才能补偿.当预紧力不足时,就要拧紧 填料压紧螺母,以补偿压紧力,否则,就会使前文 所述的M点不断向外侧移动,造成密封失效,降 低使用寿命. ? 34?石油化工设备技术 在设备正常运行时,操作工人要经常检查,因 为填料与柱塞经过一段时间的摩擦后,会有一定 的正常磨损,如不及时拧紧压紧螺母,就会造成泄 漏.

15、对填料压紧螺母的调整,需要操作人员十分 仔细地进行,绝不可一次调整过大,要不断地摸索 规律,积累经验,才能完成得更好. (2)按”五定润滑”(即:定时,定点,定质,定 量,定人)的要求,及时往氨泵注油器中补加润滑 油,防止断油. 在高压机组中,特别是对于氨这种穿透性较强 的介质,润滑油不仅起润滑作用,更重要的是起密 封作用,其对延长填料的使用寿命是至关重要的. 由于氨泵注油器的容积较小,加一次油仅可 供两个多小时的使用.为此,大庆石化分公司化 肥厂明确规定,操作工人每2小时要往注油器储 油箱中补加一次油,这对保证填料的密封效果,延 长使用寿命是十分必要的,操作工人一定要按要 求去做. (3)经

16、常清洗注油器,加油时保证”三级过 滤”,避免因油脏而堵塞油管路. 这一点是不言而喻的,如果注油器脏,油管极 易被堵,填料中就注不进油,缺少油的润滑与密 封,就会加速填料磨损和介质的泄漏.因此,设备 所在车间要定期对备用泵的注油器进行清洗,加 油时一定要进行”三级过滤”. 4.4设备负荷对填料的影响 设备负荷的变化,主要体现在柱塞的每分钟 冲程次数的变化,亦即柱塞的运动速度的变化上. 它对填料的影响主要反映在填料的磨损上.摩擦 消耗的功率越大,填料的磨损就越大,使用寿命也 就越短.从理论上讲,在填料箱结构已经确定的 情况下,填料与柱塞问摩擦所消耗的功率,与摩擦 力及柱塞的运行速度成正比,而摩擦力

17、只与填料 的压紧力,填料和柱塞间的摩擦系数成正比,与柱 所以填料的磨损实际上只与,塞的运动速度无关 柱塞的运动速度,填料的压紧力和摩擦系数成正 比关系. 下面简单讨论一下这三个方面的影响.设备 在运行时,柱塞的运动速度不可能变化很大,比 如:氨泵柱塞每分钟的冲程数正常为151次,最大 为I73次,甲铵泵柱塞每分钟的冲程数正常为72 次,最大为107次,大庆石化分公司化肥厂的生产 负荷经常保持在105左右,这时氨泵柱塞每分 钟的冲程数为165次左右,甲铵泵为98次左右, 与正常速率相比分别提高了9.27和36.I,这 个变化按正比关系反映在填料的磨损上,影响是 不大的.但是对于填料压紧力的调整,

18、却极有可 能因调整不当而发生几倍或十几倍的变化,使填 料的磨损也发生相应的变化.至于摩擦系数,对 于一个确定的填料箱和一种确定的填料,其变化 的影响不会很大. 从另一个角度分析,如果填料润滑良好,柱塞 运动越快,油膜形成越好,密封效果就越好,这时 如果减小填料的压紧力,对提高填料的使用寿命 是有益的(究竟是这方面对填料的影响大些,还是 由于速度快而加速了磨损的影响大些,没有查到 相应的资料),但是,如果填料润滑不好,柱塞运行 速度越快,填料的磨损肯定越严重. 5结论 (I)填料本身的性能影响着填料的使用寿 命,如填料的压缩性和回弹性,填料的抗蚀性,抗 高温性和抗低温性等,在使用中要尽可能选用高 性能填料. (2)检修对填料的密封效果和使用寿命影响 很大.在保证密封的条件下,应尽量减小填料的 初始预紧力,要严格按检修规程检查,检修各部 位,尤其是要保证柱塞,填料箱的表面光滑. (3)对氨泵而言,润滑油对增加填料的密封 效果,延长填料的使用寿命,起着重要的作用,因 此,在使用中应保证润滑