崔鐘續(xù)，張旭亮，王志輝，劉傳云，應(yīng)汶靜

（中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103）

某40萬t/a高密度聚乙烯（HDPE）裝置采用Chevron-Phillips和MARTECH技術(shù)，雙環(huán)管反應(yīng)器可生產(chǎn)雙峰/單峰產(chǎn)品，由2臺軸流泵為反應(yīng)器提供循環(huán)動力。軸流泵為HDPE裝置的核心設(shè)備，其運行狀況直接影響裝置效益[1-2]。軸流泵型號24*28AFH9500，設(shè)計體積流量10 636 m3/h，揚程59.8 m，轉(zhuǎn)速 1 820 r/min，電機功率 2 000 kW。 常見牌號反應(yīng)器控制參數(shù)為，溫度96～110℃、壓力4.2～4.7 MPa、固相質(zhì)量分數(shù)30%～47%。該軸流泵試車過程中出現(xiàn)機械密封溫度高、高壓氣囊意外磨損的情況，文中對軸流泵機械密封產(chǎn)生的問題進行排查分析，指出了軸流泵長周期運行的注意事項。

1 HDPE裝置軸流泵機械密封系統(tǒng)

該HDPE裝置軸流泵機械密封正常操作壓力4.5 MPa，介質(zhì)為異丁烷和聚乙烯顆粒，一旦介質(zhì)發(fā)生泄漏有較大安全隱患，所以密封安全性尤為重要[3-6]?，F(xiàn)場采用的軸流泵機械密封安全性較高，其沖洗方案為PLAN32+PLAN53C+PLAN52+高壓氣囊，即PLAN32系統(tǒng)是采用5.0 MPa異丁烷沖洗至第一級摩擦副[7]，異丁烷另外分支連接PLAN53C活塞缸底部，活塞缸上部使用食品級68#白油作為隔離液。利用PLAN53C上、下活塞面積差，最終使活塞上部壓力高于活塞下部壓力。使用PLAN53C的優(yōu)點是能夠及時根據(jù)密封腔壓力自動調(diào)整隔離液壓力。由于整套機械密封長度較長，因此在初級密封PLAN53C密封腔內(nèi)部設(shè)置有1套支撐軸承，用于支撐泵軸及葉輪。軸流泵機械密封初級密封結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 軸流泵機械密封初級密封結(jié)構(gòu)示圖

在PLAN52外側(cè)設(shè)置有高壓氣囊，這是近幾年的新增設(shè)計，是機械密封最后一道防護。在極端情況，即PLAN53C失效異丁烷大量泄漏且PLAN52同時失效情況下，可遠程停泵，檢測PLAN52放空壓力和泵軸轉(zhuǎn)速，若同時滿足PLAN52放空壓力高高和泵軸轉(zhuǎn)速為0這2個條件，則觸發(fā)高壓氣囊聯(lián)鎖條件，氣動閥自動打開，8 MPa氮氣充入氣囊，氣囊膨脹后360°完全貼緊泵軸，從而達到防止介質(zhì)繼續(xù)外漏的目的。軸流泵機械密封安全密封結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 軸流泵機械密封安全密封結(jié)構(gòu)示圖

2 軸流泵試車過程中存在問題

2.1 機械密封溫度偏高

不同于常規(guī)離心泵，軸流泵的密封沖洗方案較為復(fù)雜。為避免前期安裝問題導(dǎo)致機械密封無法滿足運行要求，反應(yīng)器倒空造成介質(zhì)浪費，一般在更換機械密封或大修后先進行一次軸流泵空負荷試運。通過軸流泵試運5 min測試機械密封安裝及運行情況，主要檢查設(shè)備運轉(zhuǎn)情況、機械密封泄漏情況、各級密封油運行溫度等?，F(xiàn)場共有2臺軸流泵，A泵試運5 min后機械密封各級密封油溫度見表1。

表1 軸流泵A泵試運5 min后機械密封各級密封油溫度 ℃

由表1可見，試運5 min后，軸流泵A泵PLAN53C密封油溫升達35℃，PLAN52冷卻器后溫度達85℃，機械密封整體運行溫度偏高。試運B泵時同樣出現(xiàn)了機械密封溫度偏高問題，勢必會影響機械密封的長周期運行。

之后進行的負荷試車中，2臺軸流泵機械密封溫度仍然較高。當介質(zhì)溫度為95℃時，PLAN53C密封出口溫度最高達到了98℃，密封冷卻器后溫度為53℃，密封溫升達到45℃。

2.2 高壓氣囊磨損

在軸流泵B泵負荷試機時發(fā)現(xiàn)電流波動，現(xiàn)場泵基礎(chǔ)晃動。試運轉(zhuǎn)1 min果斷停泵，轉(zhuǎn)子靜止前在機械密封位置有橡膠味道，現(xiàn)場判斷為高壓氣囊磨損所致。

2.3 機械密封泄漏

2臺軸流泵啟動之后，發(fā)現(xiàn)PLAN53C液位有所下降（大約 2 L/d）、PLAN52罐液位上漲 2.2%（0.66 L/d）、PLAN52 外漏 7 滴（約 0.28 L/d）。說明3個密封面均有不同程度的泄漏，即PLAN53C向介質(zhì)側(cè)泄漏、向PLAN52側(cè)泄漏，同時PLAN52向外泄漏。

3 軸流泵機械密封存在問題排查[8-10]

3.1 機械密封溫度偏高

3.1.1 循環(huán)水體積流量不足

對比PLAN52系統(tǒng)中冷卻器，PLAN53C系統(tǒng)中的冷卻器降溫效果明顯?，F(xiàn)場打開PLAN52冷卻器循環(huán)水回水導(dǎo)淋，增大冷卻水流量，但PLAN52冷卻器降溫效果不明顯。使用超聲流量檢測儀測得循環(huán)水體積流量為25 L/min，所以排除循環(huán)水體積流量不足問題。

3.1.2 密封油循環(huán)問題

使用超聲流量檢測儀測得密封油體積流量約20 L/min，而廠家計算數(shù)據(jù)指出密封油循環(huán)量超過16 L/min即可滿足取熱，所以排除泵效環(huán)故障和密封油循環(huán)問題。

3.1.3 機械密封發(fā)熱量大

從圖樣上看，PLAN52動、靜環(huán)軸徑約180 mm，超出API 682—2014《離心泵和轉(zhuǎn)子泵用軸封系統(tǒng)》[11]范圍。計算密封腔流體熱量需要考慮多個條件[12]，廠家使用有限元軟件 Web Calcs計算得出密封腔流體發(fā)熱量為0.703 3 kW，機械密封溫升基本穩(wěn)定，可排除機械密封發(fā)熱量大問題。

3.1.4 冷卻器換熱面積小

查看圖樣，冷卻器換熱面積為0.27 m2。在換熱面積相同情況下，其他裝置同型號軸流泵要么運行轉(zhuǎn)速比這臺泵低，要么軸徑比這臺泵小。為驗證冷卻器換熱面積小引起機械密封溫度偏高的推測，在冷卻器外側(cè)澆水，冷卻器后溫度下降至77℃，效果明顯。之后更換了0.66 m2水冷器盤管，投用后冷卻器后溫度降至72℃，基本解決了機械密封溫度偏高的問題。

3.2 高壓氣囊磨損

負荷試車前確認氣囊高壓氮氣并未投用，整個高壓氮氣流程（圖3）中有3道閥門，經(jīng)過現(xiàn)場排查，3道閥門均存在輕微內(nèi)漏的情況。在其他應(yīng)用現(xiàn)場也發(fā)生過氣囊磨損問題，所以一般廠家不建議投用此系統(tǒng)。

圖3 高壓氮氣流程示圖

研究分析高壓氮氣流程，認為流程設(shè)計沒有問題，多個閥門內(nèi)漏是小概率事件。正常情況下可以通過安全放空位置泄壓，現(xiàn)場調(diào)試氣動三通閥，在聯(lián)鎖未觸發(fā)時保證密封接入位置與安全放空相連。但經(jīng)現(xiàn)場確認，放空位置有盲板，閥門泄漏的氣體無法正常排出，也就導(dǎo)致了高壓氣囊存在壓力。之后拆除了此位置盲板，壓力可以隨時排出，確保不會出現(xiàn)氣囊異常磨損的情況。

3.3 機械密封泄漏

該軸流泵的軸徑為145.8 mm，密封腔壓力為4.6 MPa，均超出 API 682—2014范圍，所以其泄漏量不按API 682—2014的規(guī)定執(zhí)行。生產(chǎn)廠家采用軟件Web Calcs計算出機械密封理論泄漏量大于原設(shè)計泄漏量，原因是計算結(jié)果中沒有考慮密封面在熱量和壓力情況下的變形。以PLAN53C外側(cè)密封為例，采用有限元分析軟件，模擬其在溫度、壓力等綜合因素影響下正常運行時密封環(huán)的狀態(tài)，結(jié)果示意見圖4。經(jīng)過1 a運行觀察，該軸流泵沒有出現(xiàn)泄漏量增加的情況，與軟件模擬情況結(jié)果一致。

圖4 運行工況下PLAN53C外側(cè)密封有限元模擬結(jié)果

其他裝置軸流泵上曾出現(xiàn)過密封油竄入介質(zhì)的情況[7]，密封油需要經(jīng)常置換和化驗，但過多的操作會增加運行風(fēng)險。該軸流泵約15 d泄漏的密封油量可以把密封系統(tǒng)油置換1次，權(quán)衡考慮，少量穩(wěn)定的密封油泄漏是可以接受的。

該軸流泵機械密封中既有摩擦副又有滾動軸承，因此設(shè)計中推薦采用清潔度更好的紫皇冠FDA910密封油，但其采購周期較長，而且價格較高。而該軸流泵每天都有一定的內(nèi)漏量，反而不用考慮長時間使用密封油的清潔度問題。經(jīng)過慎重考慮和綜合研究分析，將密封油更換為某品牌68#食品級白油，2種密封油相容性試驗合格。而68#食品級白油價格僅約為紫皇冠FDA910密封油價格的1/5。經(jīng)過1 a的使用，軸流泵運行穩(wěn)定。

4 軸流泵長周期運行探討[13-14]

4.1 軸流泵安裝注意事項

AFH9500型軸流泵出、入口法蘭安裝同心度要求不大于1.6 mm，法蘭不平行偏差要求不大于1.6 mm。泵出、入口法蘭尺寸較大，在焊接配對法蘭時，多個法蘭現(xiàn)場焊接后無法達到泵安裝要求，導(dǎo)致出現(xiàn)反復(fù)焊接的情況，可采取以下措施保證軸流泵安裝質(zhì)量。

4.1.1 以泵軸水平為基準

正常對中以泵法蘭為基準，但軸流泵基礎(chǔ)較長，在焊接、運輸及安裝過程無法避免底座變形[15]。以泵軸水平為基準不但可以排除底座變形對對中數(shù)據(jù)的影響，而且可以消除泵法蘭本身尺寸偏差的影響。

為防止底座變形，軸流泵現(xiàn)場安裝就位后，在軸流泵底座下每隔1.5 m增加支撐點，避免鋼結(jié)構(gòu)變形。

4.1.2 焊接質(zhì)量控制

環(huán)管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特殊，軸流泵入口段管線無支撐，這樣加大了入口法蘭的焊接難度，需考慮焊接收縮現(xiàn)象。具體焊接質(zhì)量控制方法為，焊接前首先保證泵軸水平，完成電機—增速箱—泵的對中。根據(jù)廠家經(jīng)驗，建議使用2.5 mm墊代替正式墊安裝泵入口配對法蘭，螺栓安裝，用正常力矩緊固。在泵聯(lián)軸器位置增加3塊百分表，觀察焊接過程中水平、垂直及軸向數(shù)據(jù)變化。焊接過程要控制電流、層間溫度，并且保證2人對向焊接。當任意方向偏差大于0.5 mm時，需及時調(diào)整焊接位置和速度，從而保證整體焊接質(zhì)量。

4.1.3 彈簧調(diào)節(jié)

軸流泵不同于其他泵，泵體連接在環(huán)管反應(yīng)器上，環(huán)管在升、降溫過程中，長度會有很大變化，所以軸流泵基座上設(shè)有多個彈簧用于支撐泵體，同時彈簧還有減振的作用。

為保證彈簧能夠均勻受力，建議在安裝最后階段把墊鐵撤掉，使用彈簧支撐整個泵基礎(chǔ)時，在泵基礎(chǔ)上架設(shè)百分表，確保由墊鐵轉(zhuǎn)到彈簧期間基礎(chǔ)位置穩(wěn)定。當確認泵基礎(chǔ)有小幅上升時，則開始緊固下一組彈簧，最終確認彈簧高度在圖樣要求規(guī)范之內(nèi)即可。

4.2 軸流泵初次投用注意事項

4.2.1 密封初次投用

機械密封初次投用前，需檢查并落實密封流程是否正確、各密封接口是否正確、密封定位銷是否取掉、密封旋向是否正確、密封內(nèi)部是否吹掃干凈、是否為帶壓密封、無壓密封排空是否暢通、帶壓密封沖油是否排氣以及密封靜態(tài)保壓是否合格等事項。

4.2.2 首次試車

潤滑油在管線中循環(huán)正常，聯(lián)鎖調(diào)試合格后即可準備試車。帶PLAN32系統(tǒng)的一定先啟動PLAN32沖洗，然后再向反應(yīng)器充裝介質(zhì)，避免密封出現(xiàn)反壓情況。

充裝介質(zhì)時需要多次在多個位置排氣，如果未充分排氣，泵運轉(zhuǎn)后會產(chǎn)生周期性振動[16]，可根據(jù)泵流量推算周期性振動時間。

5 結(jié)語

軸流泵能否長周期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)將影響整個HDPE裝置乃至全廠的物料平衡。對HDPE裝置軸流泵試車過程中出現(xiàn)的機械密封問題進行了排查，經(jīng)反復(fù)研究分析，最終在開工前消除了隱患，提高了機械密封使用安全性和壽命。影響軸流泵長周期穩(wěn)定運行的因素不單是機械密封，軸流泵的安裝、操作、聯(lián)鎖設(shè)置等同樣重要。在試車初期，必須從安裝開始逐一確認關(guān)鍵點，排除機械故障，消除機械密封的瓶頸問題，才能保證軸流泵長周期運行。