硫酸泵机械密封失效分析及改造

1、前言

　　安庆石化原有四台硫酸泵,其运行参数如表1所示。四台泵自装机运行以来,一直存在着机械密封短期失效的问题。

表1　泵运行参数

　　硫酸泵输送介质为98%发烟硫酸,其运行特点是间歇工作,每次连续运转只有20min,每天都要频繁启动多次。硫酸泵所配机械密封是单端面非平衡型普通结构形式,如图1所示。该机械密封最多3～5天时间便失效导致硫酸泄漏。长期泄漏致使工作现场存在很大的安全隐患,造成严重的环境污染,同时维修次数增加,带来了很大的经济损失。

图1　改造前机械密封示意

　　本文详细介绍该机械密封的失效情况,分析造成失效的主要原因,并提出相应的改造方案。

2、失效情况及原因分析

2.1、失效情况

　　在泵频繁启动运行5天后解体机械密封查看,该机械密封是单端面非平衡普通大弹簧型结构,动静环均为镶装硬质合金材质,动环采用弹簧座凸耳传动,静环采用密封端盖的销钉止动,密封圈均为氟胶材质。通过检查发现失效情况为:

(1)动静环

　　动静环密封面严重破坏,在动环宽密封面上有两条深浅不一的圆形磨损沟槽,静环密封面也有不规则短小裂纹,另动环与弹簧座的两个凸耳传动处均有缺口,且方向一致。

(2)弹簧座

　　弹簧座在与动环接触的两个凸耳处均有被磨损的沟槽,且方向一致。

(3)密封端盖

　　密封端盖内两个与静环接触的防转销钉已消失,且有不规则断面。

(4)密封圈

　　与轴接触的动环橡胶O形圈变形,已经失效,与密封端盖接触的静环O形圈有炭化的现象,也有不同程度变形,基本失效。

2.2、失效原因分析

　　通过对泵运行特点以及密封失效现状等情况的综合分析,确定了机械密封早期失效的原因为:

(1)材料选型不当

　　原机械密封的动静环均采用硬质合金材质,密封圈为氟胶材质,通过查询资料得出:硬质合金不适合于酸性介质中应用,在浓硫酸介质中应用SiC材料比较合适,具有良好的耐腐蚀性,密封圈在浓硫酸中则只能用聚四氟乙烯材料才能达到耐腐蚀性能要求,因此机械密封的密封环及密封圈的材料存在选型不合理性,由于硬质合金和氟胶材料的硫酸腐蚀,使得密封端面局部出现腐蚀点以及辅助密封圈的腐蚀,从而造成机械密封整体早期失效,出现泄漏。

(2)结构设计不合理

　　根据泵的运行特点分析,动环的传动部件弹簧座出现凸耳沟槽磨损以及密封端盖上的防转销钉被剪切等这些现象均是频繁启动原因造成,同时静环在泵运转时跟随动环一起旋转造成O 形圈与密封端盖摩擦出现高温炭化现象,导致密封失效,出现泄漏。

3、改造方案与实施

　　综合以上关于机械密封早期失效情况的原因分析,提出机械密封改造实施方案。

3.1、机械密封材料选用

　　根据泵输送介质特点,正确选用各零部件的材料,以满足机械密封的耐腐蚀性要求,如表2所示。

表2　零部件材料

3.2、机械密封结构设计

3.2.1、整体结构选择

　　硫酸泵输送介质为98%发烟浓硫酸,由于它的腐蚀性使得在对泵进行维修时存在很大安全隐患,普通型机械密封的安装需要操作者自行调整安装尺寸,程序复杂,安装时间较长,从而也增加了操作者的危险性。

　　集装式机械密封安装简便,安装时间也很快,只需操作者拧紧几个螺钉便可安装完成,大大减少人与介质接触的机会,增加了人员的安全性。因而机械密封的设计适合采用集装式机械密封结构形式。

图2　半集装式机械密封

　　由于是对旧泵进行机械密封改造,泵结构及现场工艺均不能改变,这种情况下机械密封只能采用单端面结构形式。综合以上特点分析,可采用半集装式单端面非平衡型机械密封,如图2所示。

3.2.2、各主要零部件结构设计

(1)动环组件结构

　　为克服频繁的启动扭矩对动环组件传动的影响,改变了普通机械密封动环凸耳或销钉传动的结构而采用键传动方式,在动环组件的尾部留出凸台插入叶轮键槽,动环直接与叶轮连为一体,提高动环组件传动的可靠性,如图3所示。

图3　动环组件

(a) 　传统动环镶装结构

(b) 　动环浮装结构

图4　动环镶装与动环浮装结构比较

　　动环与动环座之间采用“浮装”结构。传统机械密封是镶装碳化硅动环,在使用中经常发现,动静环的摩擦热使摩擦副局部产生高温,由于碳化硅环镶装的特性是镶装过盈量小,镶装环容易产生端面应力变形和热变形,而导致崩边、破裂等现象,使机械密封失效。改造后机械密封采用碳化硅动环“浮装”于动环座上的结构,如图4所示。在动环与环座的接触面间加有密封圈,然后由环座上预加工的翻边将碳化硅环压靠在环座面上,既保证了密封环牢固的一体又避免了温度和应力对动环密封面产生的变形。采用这种“浮装”式动环结构型式,提高了机械密封使用的可靠性。

(2)静环组件结构

　　为方便机械密封的安装,提高操作者的人身安全,静环组件采用集装式结构,无需操作者调整机械密封安装尺寸,只需拧紧机械密封与泵体联结的螺钉即可,避免安装因素对机械密封可靠性的影响。

　　为缓冲频繁的启动扭矩对整个机械密封传动和止动的恶劣影响,机械密封设计为静止式结构,启动扭矩首先从叶轮传到动环组件,再由动环组件通过密封端面间的液膜传递到静环,这样就可以缓冲启动扭矩对静环的冲击。这里静环止动采用大拨叉形式,增大拨叉与静环的接触面积,减小冲击力对动环的破环,同时还通过控制拨叉与静环之间的最小间隙又能减小启动扭矩对静环的冲击,从而很大程度上提高了机械密封的可靠性。

4、结语

　　通过对硫酸泵机械密封的整体设计改造,既提高了泵维修的安全性,又完全克服了频繁启动扭矩对机械密封带来的破环性影响,提高了机械密封的使用寿命,改造后的机械密封从原先的5天更换一次变为1年更换一次,不仅为企业增加了效益,消除了危险点,而且有益于节能环保。