1、高壓往復(fù)泵填料密封效果及使用壽命的影響因素分析密封技術(shù)石油化工設(shè)備技術(shù),2005,26(5)?3l?Petro-ChemicalEquipmentTechnology高壓往復(fù)泵填料密封效果及使用壽命的影響因素分析楊反修,鄭孝君(中國(guó)石油大慶石化分公司化肥廠,黑龍江大慶163714)摘要:文章介紹了中國(guó)石油大慶石化分公司化肥廠尿素裝置的高壓液氨泵與高壓甲銨泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),闡述了軟填料密封的性能及應(yīng)用分析,并從初始預(yù)緊力,檢修,運(yùn)行維護(hù)及設(shè)備負(fù)荷等方面,對(duì)影響高壓往復(fù)泵填料密封效果及使用壽命的影響因素進(jìn)行了分析,確定了設(shè)備管理和檢修的重點(diǎn)方向,使設(shè)備的運(yùn)行周期有了大幅度的提高.關(guān)鍵詞:高壓往復(fù)泵;填

2、料密封;使用壽命;影響因素中圖分類號(hào):TE969文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):10068805(2005)050031一O41前言大慶石化分公司化肥廠尿素裝置的4臺(tái)高壓往復(fù)泵高壓液氨泵(31o4J/JS),高壓甲銨泵(33oJ/Js)均是德國(guó)漢堡Worthington公司的產(chǎn)品,分別是立式7柱塞往復(fù)泵和立式5柱塞往復(fù)泵.2003年7,8月份,這4臺(tái)泵故障頻繁,單臺(tái)泵的運(yùn)行周期最長(zhǎng)才15天,最短僅4天.對(duì)故障的統(tǒng)計(jì)分析表明,在出現(xiàn)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,高壓甲銨泵密封失效故障占甲氨泵故障的44.4),因此,探討如何延長(zhǎng)柱塞往復(fù)泵密封的使用壽命,對(duì)提高

3、4臺(tái)高壓泵,尤其是液氨泵的運(yùn)行周期具有重要意義.2高壓液氨泵與高壓甲銨泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(1)高壓液氨泵填料箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高壓液氨泵在沿柱塞軸線方向,以串聯(lián)方式設(shè)置了兩個(gè)填料室,即高壓填料室和低壓填料室,見(jiàn)圖1.高壓填料室內(nèi)填料的裝填順序是:1個(gè)金屬環(huán)一5個(gè)填料環(huán)一1個(gè)金屬環(huán);低壓填料室填料的裝填順序是:1個(gè)金屬環(huán)一3個(gè)填料環(huán)1個(gè)金屬環(huán)1個(gè)油封環(huán)1個(gè)金屬環(huán)一2個(gè)填料環(huán)一1個(gè)金屬環(huán).高壓液氨首先由高壓填料室進(jìn)行密封,其泄漏部分由低壓填料室進(jìn)一步密封.在低壓填料室外側(cè),由注油器注入潤(rùn)滑油,其作用是:1)保持柱塞的良好潤(rùn)滑,帶走摩擦熱;2)起密封作用.高壓填料的壓蓋同時(shí)又是低壓填料的箱體,高壓填料的預(yù)緊力是

4、通過(guò)高壓螺母壓緊低壓填料的箱體來(lái)傳遞,低壓填料的壓緊程度,則通過(guò)旋轉(zhuǎn)低壓螺母來(lái)調(diào)節(jié)./藿ll-一圖1高壓液氨泵填料箱結(jié)構(gòu)示意(2)高壓甲銨泵填料箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)箱箱體收稿日期:25一O3一O4;修改稿收到日期:25一O62l.作者簡(jiǎn)介:楊反修(1958),男.河南方城縣人,1982年畢業(yè)于大慶石油化工總廠職工大學(xué),一直從事化肥設(shè)備管理工作,工程師.現(xiàn)任中國(guó)石油大慶石化分公司化肥廠設(shè)備副廠長(zhǎng).?32?石油化工設(shè)備技術(shù)與高壓液氨泵填料箱大體相同,只是在填料函內(nèi)注入的不是潤(rùn)滑油,而是來(lái)自常壓吸收塔給料泵(P75OA/B)的稀氨水,而且填料的裝填順序也不一樣.高壓填料室填料的裝填順序是:1個(gè)石墨填充聚四氟

5、乙烯環(huán)1個(gè)填料環(huán),交錯(cuò)加入,共4組,最后一個(gè)是石墨填充聚四氟乙烯環(huán).低壓填料室填料的裝填順序是:1個(gè)石墨填充聚四氟乙烯環(huán)一3個(gè)填料環(huán)一1個(gè)石墨填充聚四氟乙烯環(huán),最上一層是316L的不銹鋼環(huán),其填料箱結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.El=li曼罨!羅圖2高壓甲銨泵填料箱結(jié)構(gòu)示意3軟填料密封的性能及應(yīng)用分析4臺(tái)高壓往復(fù)泵的柱塞密封均為軟填料密封.軟填料密封是一種填塞環(huán)縫的壓緊式密封,其密封效果與使用壽命的影響因素是多方面的,既與填料本身的性能有關(guān),也與密封介質(zhì),裝配方法以及運(yùn)行維護(hù)等均有密切的關(guān)系.就4臺(tái)高壓往復(fù)泵上使用的軟填料而言,上述各個(gè)環(huán)節(jié)的互相協(xié)調(diào)程度,對(duì)密封效果和使用壽命的影響更是至關(guān)重要的.3.1軟填料密

6、封的性能軟填料密封的原理,就是依靠軸向預(yù)緊力使填料在軸向和徑向產(chǎn)生變形,間隙被填塞,從而達(dá)到密封效果.為了保證有效密封,軟填料必須具備的基本要求:(1)結(jié)實(shí),堅(jiān)固,有一定的彈塑性;(2)化學(xué)穩(wěn)定性能好;(3)潤(rùn)滑性和耐磨性能好;(4)導(dǎo)熱性能好.用于高壓往復(fù)泵柱塞密封的軟填料雖然種類很多,但從掌握的材料看,在氨泵,甲銨泵上使用效果較好的有兩種材料:聚四氟乙烯,聚四氟乙烯加碳素纖維.大慶石化分公司化肥廠目前使用的是聚四氟乙烯加碳素纖維填料.聚四氟乙烯的優(yōu)點(diǎn)是:具有耐高溫性,耐蝕性及自潤(rùn)滑性.缺點(diǎn)是:在一定的溫度和壓力下,由于介質(zhì)和工況的影響,極易產(chǎn)生”冷流”現(xiàn)象.嚴(yán)重的冷流伴隨著介質(zhì)的沖刷作用,

7、可導(dǎo)致聚四氟乙烯以鱗片狀脫落物匯集于填料箱中.柔性石墨具有良好的潤(rùn)滑性,摩擦系數(shù)小于0.1,與同樣條件下的聚四氟乙烯填料相比,其摩擦系數(shù)小.3.2軟填料密封的應(yīng)用在對(duì)高壓介質(zhì)密封時(shí),軟填料面對(duì)的是滲透泄漏的威脅.所謂的滲透泄漏,是由于密封材料的微觀空隙大于介質(zhì)分子直徑,使介質(zhì)得以通過(guò).聚四氟乙烯成型填料,在密封易穿透的高壓介質(zhì)時(shí),會(huì)因?yàn)槠鋲嚎s性和回彈性差,而影響使用壽命.如果要保證密封效果,只有加壓使填料的密度提高,才能保證密封材料的微觀空隙小于介質(zhì)分子直徑,但這樣又會(huì)導(dǎo)致填料的摩擦力增大,加速填料的磨損.在有潤(rùn)滑劑的條件下,采用聚四氟乙烯填料與柔性石墨填料混合組裝,能夠互相補(bǔ)充各自的不足.柔

8、性石墨的磨屑在潤(rùn)滑劑的作用下,填充了聚四氟乙烯填料的微觀空隙,從而阻止了介質(zhì)的泄漏;另一方面,潤(rùn)滑劑與柔性石墨顆?；旌?組成一種潤(rùn)滑性較強(qiáng)的流體,充斥在填料與柱塞之間,減輕柱塞對(duì)填料的磨損.大慶石化分公司化肥廠目前使用的成型密封填料,正是利用了聚四氟乙烯與柔性石墨的優(yōu)點(diǎn),把兩種原料經(jīng)過(guò)特殊加工制造而成.這種填料的壓縮率為1O2O,回彈率為8O9O,壓縮性強(qiáng),回彈率高,保證了填料在各個(gè)位置都具有彈塑性,從而增強(qiáng)了密封效果.所以,我們選擇的這種填料其使用性能是比較好的.4填料的各項(xiàng)影響因素4.1初始預(yù)緊力對(duì)填料的影響?填料被壓緊后,將發(fā)生變形,并與柱塞及填料箱內(nèi)壁貼緊.軟填料的側(cè)壓系數(shù)k小于l,由

9、軟填料特性公式:一ka可知,其徑向應(yīng)力小于第26卷第5期楊反修等.高壓往復(fù)泵填料密封效果及使用壽命的影響因素分析軸向應(yīng)力.研究表明:徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力均是按指數(shù)規(guī)律,由填料箱里端逐漸向外端遞增,參見(jiàn)圖3中下側(cè)應(yīng)力分布示意.而泄漏介質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)力的分布,則按對(duì)數(shù)曲線或拋物線規(guī)律,由填料箱里端逐漸向外端遞減,參見(jiàn)圖3中上側(cè)的應(yīng)力分布示意.圖3填料受力分布不意因此,要保證介質(zhì)無(wú)泄漏,填料密封箱內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)滿足軸向壓緊應(yīng)力大于或等于該點(diǎn)的介質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)力,即大于等于但是,由圖3可知,這在軟填料密封中是做不到的.由于介質(zhì)的逆向加載,在填料段的里側(cè)大于等于隨著由里到外,介質(zhì)壓力逐漸減小和預(yù)緊力的逐漸增大,必然存在

10、一點(diǎn)M,使得等于由M點(diǎn)往外,才能滿足大于等于的要求,密封介質(zhì)的泄漏才會(huì)被抑制.如此看來(lái),似乎預(yù)緊力越大或M點(diǎn)越接近填料里側(cè),密封效果就越好.但事實(shí)上并不是這樣,由于預(yù)緊力增大,會(huì)導(dǎo)致徑向力也增大,使柱塞與填料間的摩擦力增大,反而加速了填料的磨損.在實(shí)際應(yīng)用中,采用在填料中間加隔環(huán)的方法來(lái)改變徑向應(yīng)力的軸向分布,使其與介質(zhì)的應(yīng)力分布接近.這樣,就能夠在盡可能減少初始預(yù)緊力的情況下,把M點(diǎn)推移到填料箱長(zhǎng)度的中間部位以里的位置.所以,預(yù)緊力并不是越大越好,理想的預(yù)緊力是既能夠保證介質(zhì)無(wú)泄漏,又應(yīng)使摩擦力最小.4.2檢修對(duì)填料的影響軟填料的組合,安裝及柱塞往復(fù)泵裝配的好壞,直接關(guān)系到密封的效果和使用壽

11、命.許多密封失效,就是由于填料安裝或柱塞找正存在問(wèn)題而造成的.為此要從以下幾方面加以注意:(1)對(duì)新領(lǐng)來(lái)的填料,要進(jìn)行細(xì)致的檢查.制作的填料幾何尺寸,誤差要在允許的公差范圍內(nèi),如果尺寸不合適,即使經(jīng)過(guò)處理,也會(huì)影響使用壽命,如果填料存放時(shí)間過(guò)長(zhǎng),其彈性就有可能受到影響,要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或與其他填料對(duì)比,不合格的,堅(jiān)決不能使用.如果發(fā)現(xiàn)填料表面受到損傷,更要禁止使用.對(duì)填料表面的灰塵,污垢,要清除后再裝填.(2)檢查柱塞和填料箱,如果發(fā)現(xiàn)表面有殘余填料,積碳或污垢,應(yīng)小心清除,要保證柱塞表面,填料箱內(nèi)表面光滑,絕不能有劃傷,毛刺等.(3)裝填填料時(shí),要嚴(yán)格按檢修規(guī)程要求的步驟進(jìn)行,要特別注意以下幾方面

12、:1)導(dǎo)向環(huán),隔環(huán)要完好,間隙要合適,這樣可防止柱塞被磨損或填料被擠破;2)高壓填料每層接縫處錯(cuò)開(kāi)90.,低壓填料接縫處錯(cuò)開(kāi)120.,防止搭口重合發(fā)生泄漏;3)必須使各填料環(huán)及導(dǎo)向環(huán)放平,放正,放齊,壓牢,用力均勻,適度,避免填料發(fā)生彎曲而被柱塞偏磨;4)裝填料時(shí)要防止堵塞密封油(水)管.(4)按檢修規(guī)程的要求對(duì)柱塞找正,保證找正的精度,避免柱塞與填料發(fā)生偏磨.(5)安裝填料的壓緊螺母時(shí),壓緊程度要適中,這一點(diǎn)十分重要.這主要靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).通常允許微量流體通過(guò)填料,以保證其對(duì)填料的潤(rùn)滑.經(jīng)驗(yàn)是,泵開(kāi)起來(lái)后,填料箱的溫度比環(huán)境溫度高3040即可.4.3運(yùn)行維護(hù)對(duì)填料的影響如果能切實(shí)地從以下幾方面,

13、對(duì)4臺(tái)高壓泵的填料進(jìn)行維護(hù),對(duì)提高密封效果,延長(zhǎng)填料的使用壽命有很大的幫助:(1)合理地對(duì)高,低壓填料壓緊螺母進(jìn)行調(diào)整.所謂調(diào)整,包括兩方面的工作,即:擰緊或放松填料壓緊螺母.調(diào)整的目的,是補(bǔ)償填料的壓緊力,提高密封效果.當(dāng)設(shè)備檢修完第一次開(kāi)車時(shí),填料壓緊螺母的預(yù)緊力不太合適,這時(shí)就要根據(jù)具體情況,對(duì)填料壓緊螺母進(jìn)行調(diào)整.預(yù)緊力較大時(shí),填料與柱塞摩擦加劇,填料箱溫度上升,會(huì)很快發(fā)生泄漏,這時(shí)應(yīng)適當(dāng)?shù)匕烟盍蠅壕o螺母放松些,這是因?yàn)樘盍显诟邷叵聲?huì)膨脹,只有放松壓緊螺母,才能補(bǔ)償.當(dāng)預(yù)緊力不足時(shí),就要擰緊填料壓緊螺母,以補(bǔ)償壓緊力,否則,就會(huì)使前文所述的M點(diǎn)不斷向外側(cè)移動(dòng),造成密封失效,降低使用壽命

14、.?34?石油化工設(shè)備技術(shù)在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí),操作工人要經(jīng)常檢查,因?yàn)樘盍吓c柱塞經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的摩擦后,會(huì)有一定的正常磨損,如不及時(shí)擰緊壓緊螺母,就會(huì)造成泄漏.對(duì)填料壓緊螺母的調(diào)整,需要操作人員十分仔細(xì)地進(jìn)行,絕不可一次調(diào)整過(guò)大,要不斷地摸索規(guī)律,積累經(jīng)驗(yàn),才能完成得更好.(2)按”五定潤(rùn)滑”(即:定時(shí),定點(diǎn),定質(zhì),定量,定人)的要求,及時(shí)往氨泵注油器中補(bǔ)加潤(rùn)滑油,防止斷油.在高壓機(jī)組中,特別是對(duì)于氨這種穿透性較強(qiáng)的介質(zhì),潤(rùn)滑油不僅起潤(rùn)滑作用,更重要的是起密封作用,其對(duì)延長(zhǎng)填料的使用壽命是至關(guān)重要的.由于氨泵注油器的容積較小,加一次油僅可供兩個(gè)多小時(shí)的使用.為此,大慶石化分公司化肥廠明確規(guī)定,操作

15、工人每2小時(shí)要往注油器儲(chǔ)油箱中補(bǔ)加一次油,這對(duì)保證填料的密封效果,延長(zhǎng)使用壽命是十分必要的,操作工人一定要按要求去做.(3)經(jīng)常清洗注油器,加油時(shí)保證”三級(jí)過(guò)濾”,避免因油臟而堵塞油管路.這一點(diǎn)是不言而喻的,如果注油器臟,油管極易被堵,填料中就注不進(jìn)油,缺少油的潤(rùn)滑與密封,就會(huì)加速填料磨損和介質(zhì)的泄漏.因此,設(shè)備所在車間要定期對(duì)備用泵的注油器進(jìn)行清洗,加油時(shí)一定要進(jìn)行”三級(jí)過(guò)濾”.4.4設(shè)備負(fù)荷對(duì)填料的影響設(shè)備負(fù)荷的變化,主要體現(xiàn)在柱塞的每分鐘沖程次數(shù)的變化,亦即柱塞的運(yùn)動(dòng)速度的變化上.它對(duì)填料的影響主要反映在填料的磨損上.摩擦消耗的功率越大,填料的磨損就越大,使用壽命也就越短.從理論上講,在

16、填料箱結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下,填料與柱塞問(wèn)摩擦所消耗的功率,與摩擦力及柱塞的運(yùn)行速度成正比,而摩擦力只與填料的壓緊力,填料和柱塞間的摩擦系數(shù)成正比,與柱塞的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān),所以填料的磨損實(shí)際上只與柱塞的運(yùn)動(dòng)速度,填料的壓緊力和摩擦系數(shù)成正比關(guān)系.下面簡(jiǎn)單討論一下這三個(gè)方面的影響.設(shè)備在運(yùn)行時(shí),柱塞的運(yùn)動(dòng)速度不可能變化很大,比如:氨泵柱塞每分鐘的沖程數(shù)正常為151次,最大為I73次,甲銨泵柱塞每分鐘的沖程數(shù)正常為72次,最大為107次,大慶石化分公司化肥廠的生產(chǎn)負(fù)荷經(jīng)常保持在105左右,這時(shí)氨泵柱塞每分鐘的沖程數(shù)為165次左右,甲銨泵為98次左右,與正常速率相比分別提高了9.27和36.I,這個(gè)變化

17、按正比關(guān)系反映在填料的磨損上,影響是不大的.但是對(duì)于填料壓緊力的調(diào)整,卻極有可能因調(diào)整不當(dāng)而發(fā)生幾倍或十幾倍的變化,使填料的磨損也發(fā)生相應(yīng)的變化.至于摩擦系數(shù),對(duì)于一個(gè)確定的填料箱和一種確定的填料,其變化的影響不會(huì)很大.從另一個(gè)角度分析,如果填料潤(rùn)滑良好,柱塞運(yùn)動(dòng)越快,油膜形成越好,密封效果就越好,這時(shí)如果減小填料的壓緊力,對(duì)提高填料的使用壽命是有益的(究竟是這方面對(duì)填料的影響大些,還是由于速度快而加速了磨損的影響大些,沒(méi)有查到相應(yīng)的資料),但是,如果填料潤(rùn)滑不好,柱塞運(yùn)行速度越快,填料的磨損肯定越嚴(yán)重.5結(jié)論(I)填料本身的性能影響著填料的使用壽命,如填料的壓縮性和回彈性,填料的抗蝕性,抗高溫性和抗低溫性等,在使用中要盡可能選用高性能填料.(2)檢修對(duì)填料的密封效果和使用壽命影響很大.在保證密封的條件下,應(yīng)盡量減小填料的初始預(yù)緊力,要嚴(yán)格按檢修規(guī)程檢查,檢修各部位,尤其是要保證柱塞,填料箱的表面光滑.(3)對(duì)氨泵而言,潤(rùn)滑油對(duì)增加填料的密封效果,延長(zhǎng)填料的使用壽命,起著重要的作用,因此,在使用中應(yīng)保證潤(rùn)