顧文麗

( 中國石化上海石油化工股份有限公司化工部，200540)

中國石化上海石油化工股份有限公司化工部聚乙烯醇(PVA)裝置于20 世紀70 年代從日本可樂麗公司引進，裝置原設(shè)計生產(chǎn)能力為33 kt/a，經(jīng)過1995 年和1998 年的兩次改造后，生產(chǎn)能力達到43 kt/a。WLO -60MS 齒輪泵是PVA 裝置的聚合釜出泵，該齒輪泵的工藝流程為:第1 聚合釜中醋酸乙烯(酯類)與甲醇發(fā)生聚合反應生成聚醋酸乙烯，當聚合率達到27%時，齒輪泵將第1聚合釜中混合料液送入第2 聚合釜繼續(xù)進行聚合反應。當醋酸乙烯聚合成聚醋酸乙烯時其黏度會急劇升高，此時如聚合齒輪泵發(fā)生故障，處理不及時，則會導致物料在聚合釜與輸送管路中自聚凝固，不僅會造成齒輪泵的損壞，還會直接影響PVA 產(chǎn)品的聚合度。因此加強齒輪泵的管理，提高其使用壽命，對PVA 裝置的長周期運行具有重要意義。

1 齒輪泵損壞情況及原因分析

WLO-60MS 齒輪泵由日本大晃機械工業(yè)株式會社制作，操作溫度66 ℃，操作壓力0.7 MPa，設(shè)備材質(zhì)為SUS304，物料為無色透明的聚合黏液，隨著產(chǎn)品的調(diào)整，物料中的酯含量和黏度會改變。齒輪泵主要由泵殼、前后側(cè)蓋、齒輪軸、軸承和軸封組成，齒輪泵的工作容積由泵體、齒輪的齒槽及具有側(cè)板功能的軸承構(gòu)成。工作時，依靠主、從動齒輪的相互嚙合，聚合物料進入吸入腔兩齒輪的齒槽中，隨著齒輪轉(zhuǎn)動，物料從兩側(cè)被帶入排出腔，齒輪再度嚙合，使齒槽中的物料被擠出排出腔，壓送到出口管道。泵的主要易損部件為1 對主從動齒輪軸、8 套開式深溝球軸承和1 套軸封(由4 套彈簧機械密封和6 件骨架油封組成)，拆卸前必須進行化學浸泡清除殘留聚合物料，檢修時間通常為1 ～3 周。

2012 年6 月16 日PVA 裝置聚合齒輪泵發(fā)生跳停，經(jīng)檢查屬瞬間電機過載保護。重新啟動后電流下降到正常值21 A，在維持了3 d 后電流又緩慢上升。6 月22 日中午，PVA 裝置中央控制室集散控制系統(tǒng)(DCS)中聚合齒輪泵電流上限報警。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)泵振動偏大，泵體發(fā)燙，東側(cè)2 套機械密封漏出黃色粉末狀物。用紅外線測溫儀測得4 套機械密封處的溫度分別為:東上68 ℃，東下66 ℃，西上46 ℃，西下47 ℃，均超出了正常值(40 ～45 ℃的范圍)。為防止設(shè)備零件在高溫下受損傷，立即接橡皮管，用29 ℃的冷卻水進行外沖洗冷卻。沖洗后齒輪泵電流在30.23 ～23.14 A 區(qū)間內(nèi)波動。6 月24 日下午，電流波動幅度下降至23 ～25 A 的區(qū)間內(nèi)，而機械密封開始大量泄漏聚合黏液。

經(jīng)過查找資料和分析，并且對工藝參數(shù)進行校對，認為齒輪泵電流波動大的原因有:物料黏度過大、齒輪泵裝配不良、軸或軸承磨損。

對齒輪泵進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)4 套機械密封的動靜環(huán)O 形密封圈都出現(xiàn)不同程度的損傷，動靜環(huán)的密封端面無明顯磨損痕跡，兩齒輪寬度一致，嚙合接觸點均勻無磨損，齒輪驅(qū)動軸與從動軸的機械密封動環(huán)與軸凸肩頂住，拆卸艱難，彈簧已不能伸縮，內(nèi)部凝結(jié)著殘留介質(zhì)，呈土黃色，彈簧座上的緊定螺釘失效，緊靠彈簧座部位軸凸肩磨損。

察看現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)齒輪泵和電機找正以及調(diào)平符合標準，基礎(chǔ)上碳鋼底板有腐蝕，地腳螺栓有松動跡象;機械密封冷卻系統(tǒng)中，東側(cè)上下兩套的冷卻水管堵塞。

1.1 機械密封故障的原因分析

機械密封是允許旋轉(zhuǎn)軸穿過靜止的密封腔體，但不會引起不可控制泄漏的部件，由動環(huán)、靜環(huán)、輔助密封(O 形密封圈)和軸向補償元件(彈簧和支撐件、緊定螺栓)組成。O 形密封圈失效時，介質(zhì)從動環(huán)與軸之間的間隙中泄漏，并使動環(huán)具有一定的浮動性，動環(huán)受壓，彈簧比壓失衡，彈簧負載超過緊定螺釘?shù)牧?，使彈簧座發(fā)生蠕動，泄漏物進入彈簧后發(fā)生自聚，影響彈簧伸縮，與軸肩發(fā)生機械摩擦，導致設(shè)備溫度上升，DCS 電流值達到報警極限。當O 形密封圈完全失效時，應力釋放，電流值反而穩(wěn)定，此時物料大量泄漏。介質(zhì)在密封腔自聚成固體，被旋轉(zhuǎn)部件擠壓并研磨時溫度升高，炙烤后顏色變黃，齒輪泵導致機械密封初始泄漏物呈現(xiàn)黃色粉狀固體。

橡膠O 形密封圈是機械密封中最典型的主輔助密封，是支撐并接觸主密封環(huán)以阻止密封環(huán)或密封端蓋與軸之間泄漏的元件。檢查發(fā)現(xiàn)O形密封圈已變形和磨損，其具體損傷情況見圖1和圖2。

圖1 動環(huán)O 形密封圈損傷情況

圖2 靜環(huán)O 形密封圈損傷情況

從圖1 和圖2 可見:受損O 形密封圈有粗糙破壞的邊緣，其原因是間隙和壓力過大，材料硬度或彈性太低，溝槽空間太小，間隙尺寸不規(guī)則，溝槽邊角過于鋒利以及密封件尺寸不合適。受損O形密封圈發(fā)生了永久壓縮變形，其原因可能是壓力過大、溫度過高，材料沒有完成硫化處理，材料本身發(fā)生永久變形率高以及材料在化學介質(zhì)中過度膨脹。

聚合齒輪泵通常使用的O 形密封圈材質(zhì)有丁腈橡膠和氟橡膠兩種，損傷的O 形密封圈材質(zhì)為氟橡膠。由于進行PVA 新品種的生產(chǎn)，運行介質(zhì)中醋酸乙烯的含量增加，對材質(zhì)的腐蝕性造成一定的影響。為了對介質(zhì)耐腐蝕性有更好的了解，進行了試驗:各取2 件內(nèi)徑為Φ100 mm、線徑分別為5.7 mm 的氟橡膠和5.5 mm 的丁腈橡膠的O 形密封圈，浸入醋酸乙烯溶液，48 h 后取出。取出后發(fā)現(xiàn)經(jīng)浸泡的氟橡膠彈性變差，線徑尺寸擴大1.5 mm，O 形圈發(fā)生了溶脹;而丁腈橡膠的線徑尺寸縮小0.1 mm，O 形圈沒有溶脹。此現(xiàn)象說明氟橡膠材質(zhì)對介質(zhì)的耐腐蝕性能較差，產(chǎn)生較明顯的變形。

O 形密封圈的破壞形式主要是其在溝槽的間隙中擠出撕裂，因此溝槽的高度和寬度尺寸會導致O 形密封圈損壞，其受力情況分析見圖3。

圖3 O 形密封圈與溝槽寬度中受力分析

從供應商提供的資料《解讀AP1682 離心和旋轉(zhuǎn)泵用軸密封系統(tǒng)》中查閱O 形密封圈溝槽尺寸的設(shè)計推薦，溝槽在孔內(nèi)時，按軸徑Φ100 mm選等同或大一檔的O 形密封圈線徑，應為5.3 mm(符合我國目前使用的標準GB 3452.1—2007);對應的齒槽寬度7.2 mm，可實際測得O 形密封圈線徑5.7 mm(符合舊國家標準GB 1235—1976)，齒槽寬度為6.5 mm，沒有考慮遇介質(zhì)后溶脹的因素，顯然故障O 形密封圈與溝槽的設(shè)計不合理。

由此推斷O 形密封圈的損傷原因為:材質(zhì)不耐介質(zhì)腐蝕，導致溶脹、變形;O 形密封圈與溝槽的設(shè)計不合理，使O 形密封圈被擠入密封間隙而引起的撕裂;失效后，內(nèi)部元件發(fā)生摩擦、過載，出現(xiàn)局部高溫和高應力，使損傷加劇。

1.2 軸凸肩磨損情況和原因分析

齒輪泵的兩根軸上都安裝了齒輪、軸承、機械密封和油封，為了便于軸上零件的拆裝、定位以及避免應力的集中，在齒輪兩側(cè)設(shè)置了軸凸肩。檢查發(fā)現(xiàn)，主、從動軸的軸凸肩都有不同程度的磨損，主動軸磨損更嚴重些，具體見圖4。

圖4 主動齒輪軸凸肩磨損情況

從圖4 中可以明顯看到:彈簧座把軸磨損得非常嚴重，產(chǎn)生了很多軸向的深溝，由于彈簧座和軸之間發(fā)生了圓周方向的相對運動。過載、壓緊力的改變導致齒輪泵發(fā)熱和電流高，兩表面直接接觸的干摩擦以及摩擦因子減小，導致軸面磨損與燒傷。

正常情況下，彈簧座利用緊定螺釘緊固在軸套上，動環(huán)座和彈簧座之間通過撥叉?zhèn)鲃?，彈簧座和動環(huán)座隨著軸套一起軸向旋轉(zhuǎn)，彈簧座和軸之間沒有相對運動，動環(huán)座和軸之間只有軸向微量的相對運動。

彈簧座和軸之間產(chǎn)生圓周方向相對運動的原因如下:

(1)彈簧座上的緊定螺釘沒有緊固到位，查看軸上有緊定螺釘打滑的模糊痕跡。

(2)彈簧座和動環(huán)座之間靠撥叉?zhèn)鲃?，安裝時，要把兩者的撥叉彼此凹凸對應，并且壓縮到需要的工作高度。假如兩者凸凸相對，就不能保證動環(huán)座被傳動的效果，彈簧座上的緊定螺釘緊固在軸上的印子的位置會比正常遠一些，造成彈簧的壓縮量不夠。

(3)O 形密封圈失效后，物料沿軸泄漏進入密封腔，自聚凝固，使彈簧失效，應力集中于緊定螺釘，過載使螺釘位移。

(4)在泄漏故障開始時泵振動偏大，在拆卸時發(fā)現(xiàn)齒輪泵與基礎(chǔ)地腳螺栓有松動跡象，這是直接造成振動偏大的原因。泵的振動和竄動如有超標，也會出現(xiàn)以上結(jié)果，察看密封端面和齒輪嚙合面都未出現(xiàn)明顯磨損，更有8 套深溝球軸承定位，排除軸竄動超標。

1.3 冷卻水管堵塞原因分析

齒輪泵的密封封腔裝有冷卻夾套，每套機械密封單獨配備，通過裝置循環(huán)冷卻水溫度來置換熱量，以降低密封腔的工作溫度，冷卻水采用公稱直徑6.5 mm 的小口徑管道輸送，進出口并列分布，壓力0.3 MPa，溫度為27 ～31 ℃，流量達到4 L/min。正常情況冷卻出口溫度在40 ～45 ℃，故障時冷卻出口溫度偏高。檢查發(fā)現(xiàn)東側(cè)冷卻水小管堵塞，清理出聚合物，考慮到泵介質(zhì)與冷卻是隔離的系統(tǒng)，而且夾套檢查完好，分析原因應該是小管內(nèi)聚合物來自齒輪泵拆卸前浸泡過程，廢料從管接口處進入夾套，在安裝時沒有仔細清理造成。

2 改進措施

2.1 O 形密封圈材質(zhì)選型推薦

O 形密封圈屬于機械密封組件中的輔助密封，要求其材質(zhì)首先要有良好的彈性，硬度合適且壓縮永久變形小;其次是耐高低溫的老化性能好，耐介質(zhì)腐蝕、溶解、熔脹、溶縮及硬化;還要具備較小的摩擦因子，耐磨耗，有一定的抗撕裂強度。

對O 形密封圈3 種常用合成橡膠性能進行對比。丁腈橡膠(-40 ～120 ℃)耐油，抗老化性良好，并且又耐熱、耐磨、耐一定腐蝕，廣泛用于接觸汽油及其他油類設(shè)備，也耐堿、非氧化性稀酸，不耐氧化性酸(如硝酸、鉻酸)、芳烴、酯、酮、醚、鹵代烴等。氟橡膠可在250 ℃以下長期使用，300 ℃以下短期使用，其耐蝕性是橡膠中最好的，但低溫性能差，價格貴，不宜在酮類、酯類溶液中使用，壓縮永久變形大。乙丙橡膠(-40 ～150 ℃)特別能耐磷酸酯系液壓油、酮、醇溶液和酸、堿，同時耐高壓水蒸氣，耐候性、耐臭氧性好，但在礦物油和潤滑油中膨脹大，不宜使用［1］。

對照以上3 種材料，發(fā)現(xiàn)乙丙橡膠耐酯和醇溶液性能比較好，更適合PVA 聚合齒輪泵的介質(zhì)。用乙丙橡膠O 形密封圈浸入醋酸乙烯溶液，72 h 后取出，表面光滑，拿捏時手感彈性沒有差異，測得O 形圈線徑無變化。

因此建議選用乙丙橡膠來代替原來的氟橡膠和丁腈橡膠制作聚合齒輪泵的機械密封O 形密封圈。

2.2 備件的檢查與維修

檢修質(zhì)量對齒輪泵的使用壽命影響較大，在裝配前應先檢查零件的質(zhì)量。

(1)針對泵軸凸肩磨損，通過機械鑲套修復至原來尺寸，為保證軸的疲勞強度，加大軸肩處的過度圓半徑r，r/d ＞0.1，以減小直徑差D/d ＜(1.15～1.2)(其中D 和d 分別是軸肩外徑和內(nèi)徑)［2］。檢修時將r 值由原來的5 mm 加大到8 mm，再對軸表面進行熱處理噴鍍，以提高軸的表面質(zhì)量和抗疲勞強度;用千分尺或千分表測量軸頸和軸承座的不柱度和不圓度，檢查軸頸和軸承座孔的表面有無毛刺、裂紋或凹凸不平，表面有毛刺可用油石或砂皮磨一下。

(2)檢查滾動軸承，發(fā)現(xiàn)沒有損壞可以繼續(xù)使用。安裝前放在熱機油中使殘油熔化，再用煤油沖洗，最后用汽油洗凈，并用白布擦干。

(3)機械密封損壞嚴重，需更換，并對新機械密封的部件進行檢查，檢查項目詳見表1。

(4)檢查密封腔夾套無泄漏，逐一用壓縮空氣吹掃，確保清潔、暢通。

表1 機械密封備件檢查項目與結(jié)果

2.3 齒輪泵的安裝與檢修

在齒輪傳動裝置的裝配中要保證兩嚙合齒輪的中心距標準、軸線平行，嚙合間隙適中，接觸面積適宜。這些都是齒輪泵能正常工作和確保工作質(zhì)量的主要因素，在安裝檢修中不容忽視。

為了減少摩擦阻力，軸上安裝機械密封的部位薄薄地涂上一層油。在固定壓蓋之前，用手推補償環(huán)作軸向壓縮，松開后補償環(huán)能自動彈回無卡滯現(xiàn)象，然后將壓蓋螺栓均勻地鎖緊。彈簧座的緊定螺釘分幾次均勻擰緊，齒輪嚙合的部位最好在檢修前后保持不變，拆泵時在齒輪上打出記號。

齒輪泵在檢修時主要測量的間隙包括:

(1)齒輪端面與泵殼的軸向間隙，一般情況下取0.2 mm，用壓鉛法測得;

(2)齒輪的外圓與泵殼的徑向間隙，一般半徑方向上取0.1 ～0.15 mm，也可按直徑的0.003～0.005 倍選取(總間隙)，用塞尺測量。

(3)兩齒輪嚙合處間隙一般取0.30 mm，如間隙過大會加速磨損，如過小會引起發(fā)熱咬住，用壓鉛法測量。

齒輪泵組裝后盤車無異常，進行0.8 MPa 試壓試驗。

根據(jù)《石油化工設(shè)備維護檢修規(guī)程》通用設(shè)備齒輪泵維護檢修的規(guī)程，同時參照標準SHS 01017—2004，小修項目是檢查軸封，必要時更換密封元件，調(diào)整壓蓋間隙或修理機械密封，正常檢修周期為6 個月;大修項目包括解體檢查各零部件磨損情況并修理，正常檢修周期為24 個月。

為提高齒輪泵的使用壽命，采取如下措施:

(1)遇到泵故障或因工藝應急切換備臺的，馬上更換，解體清洗后重新組裝，以免因熔體物料固化，造成軸承潤滑不暢而使泵損壞。

(2)將腐蝕部分的底板修復，消除地腳螺栓松動隱患。

(3)在就位時，聯(lián)軸器必須很精確地找正對中，避免在運行時軸和聯(lián)軸器中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應力，影響軸、軸承和其他零件的使用壽命。

(4)泵啟動時，控制出口壓力的變化，不要使壓力急劇上升，以免引起振動，損傷軸承或使物料堵塞潤滑通道。

3 結(jié)語

通過對WLO -60MS 齒輪泵故障中發(fā)生的泄漏、發(fā)燙、振動和磨損等原因分析，有針對性地采取了改進措施。根據(jù)聚合介質(zhì)中含酯的特殊工況，改進了O 形密封圈材質(zhì)，在維修中注重裝配間隙，優(yōu)化處理了設(shè)備運行環(huán)境。在采取以上維修措施后，齒輪泵投入運行7 個多月來，觀察電流顯示平穩(wěn)，無泄漏現(xiàn)象。在裝置生產(chǎn)中，加強設(shè)備管理，積累維修經(jīng)驗，會減少設(shè)備故障，使腐蝕和磨損最小化，最大限度的減少泄漏與停機時間，減少維修并且延長設(shè)備的壽命，從而降低使用成本。

［1］ 顧永泉.機械密封實用技術(shù)［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2001:212 -213.

［2］ 聞幫椿.機械設(shè)計手冊［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2010:40 -44.