陳玉新

(陶氏化學(xué)(中國)投資有限公司，上海，201203)

1 前言

膠乳泵是某公司膠乳裝置的一臺關(guān)鍵設(shè)備，用于將汽提塔中的物料輸送到調(diào)節(jié)罐，其所輸送物料為高溫、粘稠且易結(jié)塊的膠乳。該泵與一般的離心泵不同，在葉輪的前端還帶有一個小的切割葉輪，用于切碎結(jié)皮、結(jié)塊的物料。該膠乳泵在投入運行后的3個月內(nèi)發(fā)生了6次機械密封泄漏，在密封失效的同時還伴有電機功率升高現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了裝置的平穩(wěn)運行，進而造成了供貨推遲等問題，是裝置可靠性提高的最大難點。

本文采用Meridium軟件、六西格瑪工具對該膠乳泵的失效數(shù)據(jù)進行分析，判斷機械密封的失效原因，并針對這些原因制定改進方案。方案實施后，該泵機械密封平均失效間隔時間(MTBF)從小于1個月延長到2年以上，大大提高了膠乳泵及裝置運行的可靠性，取得了較好的經(jīng)濟效益，每年可直接、間接節(jié)約費用約50萬元。

2 機械密封結(jié)構(gòu)及輔助系統(tǒng)

機械密封是石油化工行業(yè)中流體輸送泵最主要的密封形式，是泵可靠性運行中最重要的一環(huán)。其作用原理是在機械密封動靜端面間形成穩(wěn)定的端面膜，如果端面膜被破壞，密封就會發(fā)生泄漏。因此，解決密封滲漏關(guān)鍵是如何保證機械密封能夠形成穩(wěn)定的端面膜。

膠乳泵所用機械密封型號為Flowserve P-200型，是雙端面平衡型多彈簧的集裝式機械密封。集裝式機械密封是靜環(huán)、動環(huán)、補償元件、軸套、靜密封圈和壓蓋等組合為一個整體，其主要優(yōu)點為：結(jié)構(gòu)緊湊、對安裝要求低、安裝精度易保證、密封效果好。膠乳泵機械密封的靜密封端面材料為碳化鎢，動密封端面材料為石墨，O型圈材料為氟橡膠。

該密封系統(tǒng)沖洗方案為API plan 53A,通過帶壓的沖洗液罐向兩個密封端面形成的封閉空間內(nèi)提供清潔沖洗液，沖洗液在熱虹吸作用下進行循環(huán)。由于沖洗液壓力大于所要密封的工藝介質(zhì)壓力，所以即使機械密封發(fā)生泄漏，工藝介質(zhì)也不會泄漏到大氣環(huán)境中，適用于介質(zhì)比較臟，含有顆?；蛘咭拙酆系氖褂脠龊稀_洗液罐由氮氣充壓，安裝有壓力變送器和液位傳感器測量壓力和液位，沖洗液為去離子水(見圖1)。

圖1 膠乳泵機械密封沖洗方案Plan53A示意圖

3 失效分析

3.1 失效數(shù)據(jù)分析

膠乳泵在投入運行后，在3個月內(nèi)發(fā)生了6次機械密封泄漏，密封失效時還伴有電機功率升高現(xiàn)象。表1列出了該泵歷次失效間隔時間和累積失效間隔時間。

表1 膠乳泵歷次失效間隔時間和累積失效間隔時間

3.2 失效原因分析

收集歷次膠乳泵機械密封泄漏時的工藝運行參數(shù)，以及該泵在拆解維修時的發(fā)現(xiàn)，然后利用六西格瑪管理工具及Apollo根本原因分析方法進行根因分析。首先利用魚骨圖法列出了機械密封泄漏的可能原因，見圖2。

圖2 根本原因分析魚骨圖

再運用六西格瑪方法中根本原因評估表，從原因發(fā)生的可能性、可行動性以及可測量性方面對這些可能原因進行評估并排序(見表2)，從而得到最可能的三個原因。

表2 根本原因評估表

從表2中可以看出，機械密封泄漏最可能的三個原因是：

(1)密封腔易積料：從膠乳泵維修記錄及照片中均可發(fā)現(xiàn)密封腔體中存在粘稠成塊的膠乳，甚至有幾次發(fā)現(xiàn)密封腔充滿了膠乳塊，在泵軸軸套處也發(fā)現(xiàn)了膠乳塊與軸套摩擦產(chǎn)生的擦痕，這也解釋了在機械密封泄漏時，為什么會伴有電機功率異常升高的現(xiàn)象。測量發(fā)現(xiàn)密封腔葉輪側(cè)殼體與軸的間隙大于5mm，因此結(jié)皮膠乳可順利通過此間隙進入密封腔并逐漸在里面堆積。

(2)密封端面膠乳易粘結(jié)：從膠乳泵維修記錄及照片中，均可發(fā)現(xiàn)機械密封面有膠乳凝聚，拆開的動靜密封面間也有膠乳存在，甚至在沖洗液管線及沖洗液罐中也發(fā)現(xiàn)了膠乳。判斷結(jié)塊膠乳進入密封腔后，粘結(jié)在機械密封端面處，然后慢慢侵入動靜密封面之間，破壞了密封端面之間的液膜，導(dǎo)致了機械密封的泄漏，進而更多膠乳進入密封沖洗系統(tǒng)，進一步加劇了密封泄漏。

(3)密封沖洗液循環(huán)不好：測量機械密封沖洗進出管線溫度發(fā)現(xiàn)，進出管線溫度相差在15—25℃之間，大大超出了正常的溫差。拆開沖洗管線后發(fā)現(xiàn)，密封沖洗管線及沖洗液罐中有大量膠乳存在，嚴(yán)重影響了沖洗液的循環(huán)流動，也導(dǎo)致機械密封面之間潤滑不好，加劇了密封損壞及泄漏。

4 解決方案及可靠性分析

4.1 解決方案設(shè)計

針對上述三個主要失效原因制定了如下解決方案：

(1)在密封腔葉輪側(cè)殼體上安裝喉套，控制喉套與泵軸之間的間隙為0.3mm，減少進入密封腔的結(jié)皮或成塊膠乳，解決機械密封腔室內(nèi)積料的問題。

(2)在保持原有密封系統(tǒng)沖洗方案API plan 53A的同時，增加沖洗方案API plan 32(見圖3)，解決膠乳在密封面粘結(jié)的問題。Plan 32把外來清潔沖洗液注入到密封腔內(nèi)部，直接沖洗密封端面，然后進入泵腔，并帶走熱量。由于膠乳泵輸送介質(zhì)中含有水，因此選用去離子水作為沖洗液。但進入工藝側(cè)的水會造成產(chǎn)品固含量降低，因此，還需要控制沖洗液流量，并在其他處減少同樣的水量，保證不影響產(chǎn)品的固含量。

圖3 膠乳泵機械密封沖洗方案Plan32示意圖

(3)徹底清理密封沖洗液罐及管線，設(shè)定沖洗液罐的壓力比密封腔壓力多1bar，設(shè)定沖洗罐低液位報警，定期測量沖洗液進出管線的溫度。由于沖洗液罐的壓力比密封腔壓力大，即使密封出現(xiàn)輕微泄漏，也是沖洗水泄漏到膠乳側(cè)，而不是膠乳泄漏到?jīng)_洗系統(tǒng)，從而解決了沖洗液循環(huán)不暢的問題，保證密封端面間液膜的穩(wěn)定性。

(4)基于失效模式及后果分析，制定膠乳泵的維修策略，特別是機械密封及沖洗系統(tǒng)的預(yù)防性和預(yù)測性檢查計劃、備件計劃，并更新了操作和維修程序，確保膠乳泵運行的可靠性。

4.2 可靠性提高分析

實施上述解決方案后，膠乳泵的機械密封使用壽命有了質(zhì)的提高。在新的機械密封投入使用后，兩年之內(nèi)沒有發(fā)生泄漏，也沒有發(fā)生電機高功率現(xiàn)象。定期測量沖洗液進出管線溫度也發(fā)現(xiàn)，進出管線溫差從改造前的15—25℃降低到正常的3—5℃，說明沖洗液循環(huán)正常。

利用Meirdium軟件進行可靠性增長分析(Growth Analysis),累積失效間隔時間直線斜率β值從改造前的0.86降低為0.46(見圖4)，說明機械密封的平均失效間隔時間有了顯著的提高。

圖4 膠乳泵機械密封壽命可靠性增長分析圖

綜合考慮膠乳泵機械密封更換的備件費用、人工費用以及非計劃故障對生產(chǎn)造成的損失，該泵機械密封平均失效間隔時間的延長每年可節(jié)約費用約50萬元。

由于膠乳泵機械密封泄漏是該公司同一業(yè)務(wù)所有工廠的共性問題，此解決方案成功后，進而在全球其他工廠進行了推廣，也都成功解決了其他工廠膠乳泵密封失效的問題，為公司帶來了較好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)束語

通過對膠乳泵雙端面機械密封的問題總結(jié)，以及數(shù)據(jù)收集、根本原因分析、解決方案的制定及實施，從根本上解決了膠乳泵機械密封頻繁失效的問題，大大提高了該泵機械密封的使用壽命，同時提高了該泵的可靠性，保證了裝置的平穩(wěn)運行。改造完成后繼續(xù)追蹤膠乳泵機械密封的表現(xiàn)，并進行可靠性增長分析，進一步證明了根本原因分析及解決方案的準(zhǔn)確性，進而在全球其他工廠進一步推廣，為公司帶來了較好的經(jīng)濟效益。