焦 峰

(浙江石油化工有限公司，浙江 舟山 316000)

某公司是100×104t/a乙烯裝置的配套下游工廠。該工廠生產(chǎn)裝置中在2個(gè)位置使用了GSB-L1型立式高速泵。該型號(hào)泵自2010年運(yùn)行以來(lái)，密封、齒輪多次出現(xiàn)故障。為了降低GSB-L1高速泵的維修頻率，增加設(shè)備的可靠性，文中從密封改型和齒輪箱的可靠性維護(hù)著手，探討解決方案[1-2]。

1 GSB-L1型立式高速泵概況

1.1 使用工況

苯乙酮反應(yīng)器進(jìn)料增壓泵位號(hào)P762(1開1備，共2臺(tái))，型號(hào)為GSB-L1-59/324，轉(zhuǎn)速為8 499 r/min。輸送介質(zhì)為苯乙酮，介質(zhì)密度為865 kg/m3，溫度為76 ℃，正常質(zhì)量流量為53.3 kg/h，進(jìn)口壓力為0.12 MPa，出口壓力為2.8 MPa。

減溫減壓器入口凝液增壓泵位號(hào)P919(1開1備，共2臺(tái))，型號(hào)為GSB-L1-55/353，工作轉(zhuǎn)速為8 499 r/min。輸送介質(zhì)為蒸汽凝液，介質(zhì)密度為932 kg/m3，溫度為143 ℃，質(zhì)量流量43.5 kg/h，進(jìn)口壓力2.7 MPa，出口壓力5.9 MPa。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[3]

GSB-L1型立式高速泵主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、增速箱、油冷卻器、油過(guò)濾器、泵體及相關(guān)管路等構(gòu)成，見圖1。電機(jī)通過(guò)支座固定到泵上，電機(jī)轉(zhuǎn)速2 980 r/min，通過(guò)兩級(jí)齒輪增速，高速軸轉(zhuǎn)速達(dá)到8 499 r/min。葉輪布置在增速箱高速軸上，增速箱內(nèi)布置3根軸和2個(gè)油封。3根軸分別為低速軸、中速軸和高速軸，2個(gè)油封分別為增速箱上部的骨架密封和下部的機(jī)械密封。高速泵通過(guò)內(nèi)部油管路將齒輪泵輸出的潤(rùn)滑油強(qiáng)制注入到軸承和齒輪進(jìn)行潤(rùn)滑。

圖1 GSB-L1型立式高速泵結(jié)構(gòu)示圖

2 GSB-L1型立式高速泵主要問(wèn)題

2.1 機(jī)械密封泄漏

P919泵出口壓力高達(dá)5.9 MPa，密封使用環(huán)境苛刻。自2010年投用以來(lái)故障頻率較高，9 a共更換泄漏密封26次，平均每套密封的壽命只有8個(gè)月，遠(yuǎn)低于機(jī)械密封平均3 a的使用壽命。典型故障為，機(jī)械密封發(fā)生滴漏后，1周左右會(huì)發(fā)展為連續(xù)泄漏，泵內(nèi)介質(zhì)蒸汽凝液從密封檢漏管內(nèi)連續(xù)噴出。每次發(fā)生密封泄漏后，必須停泵檢修更換密封。發(fā)生泄漏的機(jī)械密封靜環(huán)表面情況見圖2。

圖2 GSB-L1型立式高速泵泄漏密封靜環(huán)

2.2 齒輪箱異常振動(dòng)

GSB-L1型立式高速泵在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)振動(dòng)速度突然升高的現(xiàn)象。如巡檢人員定點(diǎn)檢測(cè)運(yùn)行泵齒輪箱振動(dòng)速度值，第1天振動(dòng)速度值0.8 mm/s,第2天振動(dòng)速度值1.8 mm/s，第3天振動(dòng)速度值超過(guò)6 mm/s。發(fā)現(xiàn)振動(dòng)速度值升高后，使用振動(dòng)頻譜檢測(cè)儀檢測(cè)，振動(dòng)速度峰值在多倍頻，但峰值頻率頻繁波動(dòng)，基本沒(méi)有規(guī)律。當(dāng)齒輪箱振動(dòng)速度值高于6 mm/s后，必須及時(shí)停泵檢修。曾因?yàn)? d后停泵，齒輪箱齒輪發(fā)生崩齒事故。齒輪箱拆檢圖見圖3，本次拆檢中發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)軸承中球形滾動(dòng)體發(fā)生剝離、生銹。

圖3 GSB-L1型立式高速泵齒輪箱拆檢圖

3 機(jī)械密封泄漏分析與處理方案

3.1 密封結(jié)構(gòu)分析

GSB-L1型立式高速泵介質(zhì)密封為機(jī)械密封，主要由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈性元件、輔助密封件和回轉(zhuǎn)構(gòu)件組成[4]，見圖4。

1.動(dòng)環(huán) 2.靜環(huán) 3.卡環(huán) 4.O型圈 5.擋圈 6.彈簧座組件 7.彈簧

密封彈性元件通常采用彈簧或者波紋管，輔助密封件通常為O型圈，回轉(zhuǎn)構(gòu)件的主要作用是連接軸并帶動(dòng)動(dòng)環(huán)一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)密封腔充滿介質(zhì)后，機(jī)械密封可能泄漏的位置為動(dòng)環(huán)、靜環(huán)組成的主密封端面，輔助密封件O型圈(O型密封圈宏觀上靜止，微觀上一直在補(bǔ)償動(dòng)環(huán)振動(dòng)引起的位置變化，是動(dòng)環(huán)追隨性好壞的關(guān)鍵)，軸和軸套靜密封，靜環(huán)和靜環(huán)座靜密封以及靜環(huán)座和機(jī)泵間的靜密封[5]。

3.2 密封可靠性分析

檢修記錄表明，GSB-L1型立式高速泵發(fā)生靜密封泄漏的情況極少。因此，文中對(duì)故障率高的密封動(dòng)環(huán)、密封靜環(huán)和輔助密封件進(jìn)行可靠性分析。由圖2泄漏密封靜環(huán)看到，在動(dòng)環(huán)和靜環(huán)接觸面外圍有很多徑向沖刷槽，因此可以排除密封制造、安裝損壞問(wèn)題。下文從密封熱量角度，分析是否是使用環(huán)境不合適導(dǎo)致的密封失效[6]。

機(jī)械密封正常工作時(shí)，軸向壓力使動(dòng)環(huán)、靜環(huán)在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生摩擦熱，密封附件會(huì)對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生攪拌效果，并形成攪拌熱。機(jī)械密封的熱量平衡方程為[7]：

QF+QA+QB+Qmi=Q1+Q2+Q3+Qmo

(1)

式中，QF為動(dòng)、靜環(huán)的摩擦熱，QA為旋轉(zhuǎn)元件的攪拌熱，QB為輔助元件振動(dòng)、摩擦產(chǎn)生的熱量，Qmi為介質(zhì)和外圍環(huán)境傳入的熱量，Q1為傳遞給介質(zhì)和沖洗液(若有)的熱量，Q2為動(dòng)、靜環(huán)傳遞給周圍環(huán)境的熱量，Q3為通過(guò)軸傳遞出的熱量，Qmo為介質(zhì)帶走和傳出到外圍環(huán)境的熱量，W。

對(duì)式(1)簡(jiǎn)化計(jì)算，考慮密封正常運(yùn)行時(shí)QB很小，認(rèn)為QB=0；考慮空氣的傳熱系數(shù)低，認(rèn)為Q2=0；考慮轉(zhuǎn)軸基本沒(méi)有接觸外圍環(huán)境，認(rèn)為Q3=0；穩(wěn)態(tài)下可以認(rèn)為Qmi=Qmo，則式(1)可寫為：

QF+QA=Q1

(2)

機(jī)械密封采用強(qiáng)制循環(huán)冷卻，QA會(huì)及時(shí)被冷卻液帶走。而QF需要通過(guò)密封靜環(huán)、動(dòng)環(huán)的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流傳遞給Q1。

機(jī)泵在啟動(dòng)、停止階段密封發(fā)生干摩擦，時(shí)間較短。機(jī)泵正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)械密封的摩擦副為邊界摩擦狀態(tài)，其QF可用下式計(jì)算。

QF=fπdmbpcv

(3)

其中

dm=(D1+D2)/2b=(D2-D1)/2v=(πdmn)/2

式中，f為密封接觸面的摩擦因素，結(jié)合P919工況，取0.15；dm為密封面平均直徑，D1、D2為密封接觸面的內(nèi)、外徑，b為密封面的寬度，m；pc為密封面比壓，Pa；v為動(dòng)、靜環(huán)接觸端面的平均速度，m/s；n為軸轉(zhuǎn)速，r/min。

P919機(jī)械密封處的軸徑為25 mm，將密封尺寸參數(shù)帶入式(3)，得到QF為10.88 W。摩擦熱QF通過(guò)密封靜環(huán)、動(dòng)環(huán)的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流傳遞給外部環(huán)境。為了分析機(jī)泵正常運(yùn)行時(shí)機(jī)械密封副的表面溫度，文中采用ANSYS軟件，對(duì)機(jī)械密封動(dòng)環(huán)、靜環(huán)進(jìn)行建模，其材料參數(shù)見表1。

表1 動(dòng)、靜環(huán)材料參數(shù)

靜環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)低，但有沖洗介質(zhì)冷卻。動(dòng)環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)高，但被143 ℃的工作介質(zhì)包圍。采用ANSYS進(jìn)行的密封動(dòng)、靜環(huán)間穩(wěn)態(tài)熱分析表明，機(jī)泵正常工作時(shí)，密封副處的溫度可以達(dá)到156 ℃。此溫度相比動(dòng)環(huán)的使用極限溫度200 ℃有一定裕量。但是，假如沖洗介質(zhì)溫度高，或者由于泵送流量變化，容易導(dǎo)致動(dòng)、靜環(huán)間摩擦副溫度高，發(fā)生動(dòng)、靜環(huán)因?yàn)槟Σ粮鄙岵疃a(chǎn)生熱裂紋的情況[8]。

3.3 密封泄漏解決方案

針對(duì)實(shí)際運(yùn)行中密封副容易產(chǎn)生熱裂紋問(wèn)題，提出將PLAN21密封方案修改為PLAN23密封方案。PLAN21方案從泵的出口引入沖洗介質(zhì)，經(jīng)孔板、熱交換器到達(dá)密封部位；PLAN23密封方案從密封腔引入沖洗介質(zhì)，經(jīng)熱交換器到達(dá)密封部位。對(duì)于P919的工況，PLAN23密封系統(tǒng)靠熱力循環(huán)冷卻密封腔內(nèi)介質(zhì)，需要的換熱量更小。

改進(jìn)后的GSB-L1立式高速泵密封結(jié)構(gòu)見圖5。改型后的密封動(dòng)、靜環(huán)密封面周圍介質(zhì)溫度低，解決了高溫密封摩擦副的散熱問(wèn)題。經(jīng)過(guò)一段運(yùn)行觀察，密封壽命滿足要求。需要注意的是，密封冷卻器介質(zhì)側(cè)依靠溫差進(jìn)行自然循環(huán)，在開泵前排凈熱交換器及管線內(nèi)空氣是十分必要的。

圖5 改進(jìn)后GSB-L1型立式高速泵密封結(jié)構(gòu)示圖

4 齒輪箱異常振動(dòng)分析與處理方案

4.1 異常振動(dòng)分析

P919、P762均為單級(jí)、單吸、立式高速泵，其齒輪箱均為兩級(jí)增速結(jié)構(gòu)。在齒輪箱工作期間，齒輪會(huì)產(chǎn)生嚙合沖擊，沖擊力通過(guò)轉(zhuǎn)軸和軸承傳遞到齒輪箱體上，導(dǎo)致齒輪箱振動(dòng)。當(dāng)沖擊力過(guò)大時(shí)，會(huì)影響齒輪箱的對(duì)中性，加速齒輪的疲勞破壞[9]。針對(duì)齒輪箱異常振動(dòng)涉及的主要故障現(xiàn)象，分析出了可能故障及故障原因，見表2。

表2 齒輪箱可能故障及故障原因

4.2 異常振動(dòng)解決方案

4.2.1檢修數(shù)據(jù)控制

檢修過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行檢修方案，做好檢修記錄。首先檢查聯(lián)軸器對(duì)中情況，然后解體檢查減速箱內(nèi)各零部件的磨損、腐蝕和沖蝕程度，檢查軸的彎曲度，最后檢查轉(zhuǎn)子的安裝間隙值。必要時(shí)，檢查轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪軸的動(dòng)平衡數(shù)據(jù)，以及潤(rùn)滑油過(guò)濾器、齒輪箱內(nèi)的油泵、噴嘴情況等。具體檢修控制數(shù)據(jù)見表3。

表3 立式高速泵檢修控制數(shù)據(jù)

4.2.2工藝參數(shù)控制

GSB-L1型立式高速泵揚(yáng)程高、流量低，在操作運(yùn)行中需要平穩(wěn)控制流量、壓力及入口汽蝕余量等，避免由于工藝參數(shù)不合適，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸向力大或軸向力不穩(wěn)定，加速齒面磨損[10]。解決泵送流量波動(dòng)，可以在工藝流程中設(shè)置出口返回入口的流量控制閥，或者設(shè)置機(jī)械流量保護(hù)裝置，如安全閥等。結(jié)合工藝特點(diǎn)及投資經(jīng)濟(jì)性，此工廠選擇了在泵出口設(shè)置自動(dòng)循環(huán)閥。當(dāng)泵送流量低時(shí)，泵出口壓力升高，循環(huán)閥打開，保證泵送流量穩(wěn)定。

5 GSB-L1型立式高速泵故障預(yù)防性維護(hù)方案[11]

按故障庫(kù)歸類，在考慮故障可能性和故障影響的基礎(chǔ)上，針對(duì)P919、P762高速泵的故障現(xiàn)象和故障機(jī)理提出的預(yù)防性維護(hù)建議見表4。

表4 P919、P762立式高速泵預(yù)防性維護(hù)建議

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)某化工企業(yè)在用的4臺(tái)GSB-L1型立式高速泵故障進(jìn)行分析。在統(tǒng)計(jì)、歸類機(jī)泵檢修數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，針對(duì)故障頻率較高的機(jī)械密封和齒輪箱，分析了失效原因，提出了改造方案和預(yù)防性維護(hù)方案。工廠實(shí)施改造方案和預(yù)防性維護(hù)方案后，此4臺(tái)高速泵由之前平均6個(gè)月的故障檢修，延長(zhǎng)到平均1 a的預(yù)防性維護(hù)。通過(guò)推行基于可靠性的維護(hù)，提高了機(jī)泵連續(xù)運(yùn)行的可靠性，同時(shí)也降低了檢修費(fèi)用。