王 黎 張慶麗

（伊泰集團(tuán)煤制油公司） （中石油呼和浩特石化公司)

流體機(jī)械

沖洗油往復(fù)泵泵閥與填料故障的分析與改進(jìn)

王 黎*張慶麗

（伊泰集團(tuán)煤制油公司） （中石油呼和浩特石化公司)

以某煤化工裝置沖洗油往復(fù)泵為例，介紹并分析了泵閥與填料泄漏的原因，并采取了相應(yīng)措施進(jìn)行改進(jìn)，取得了良好效果。

往復(fù)泵 泵閥 填料 密封圈 改進(jìn)

0 前言

某煤化工裝置中兩臺高溫高壓沖洗油泵的作用是用來為裝置內(nèi)含固介質(zhì)管線的各個沖洗點提供高溫高壓沖洗油，以防止各沖洗點處的管線結(jié)焦堵塞。該泵的出口壓力為20 MPa，操作溫度310℃，流量49 m3/h，采用水平的三柱塞單作用柱塞結(jié)構(gòu)，出入口閥采用彈簧預(yù)壓的球型閥，填料函采用外界供給沖洗油進(jìn)行冷卻和潤滑，以延長填料的使用壽命。本文以某煤化工裝置沖洗油往復(fù)泵為例，介紹并分析了泵閥與填料泄漏的原因，并采取了相應(yīng)措施進(jìn)行改進(jìn)，取得了良好效果。

1 存在的問題

該泵自2009年運行以來故障頻發(fā)，單臺泵運行周期僅為15天，最短僅6天，使得檢修維護(hù)工作量加大，而且該泵的物料介質(zhì)溫度高，易燃易爆，嚴(yán)重威脅著裝置的正常安全生產(chǎn)，因此徹底解決該泵的故障成為當(dāng)務(wù)之急。針對出現(xiàn)的故障，技術(shù)人員進(jìn)行了統(tǒng)計匯總，情況如下：停機(jī)共計34次，其中因填料磨損泄漏停機(jī)14次，占41%；因沖洗油O形圈損壞停機(jī)8次，占23%；因泵蓋墊片泄漏停機(jī)6次，占18%；因閥座密封面泄漏停機(jī)6次，占18%。

通過以上的統(tǒng)計匯總可看出，該泵存在的主要問題有如下幾項：

（1）填料泄漏較頻繁，泵運轉(zhuǎn)周期較短；

（2）沖洗油O形圈耐高溫腐蝕性弱；

（3）泵體運行振動大，泵蓋墊片及缸體墊片容易泄漏；

（4）泵體的閥球與閥座密封面不嚴(yán)，容易被沖刷而導(dǎo)致密封面損壞。

2 故障的原因分析及改進(jìn)措施

2.1 填料泄漏的原因及改進(jìn)

（1）結(jié)構(gòu)分析

該高溫高壓往復(fù)泵為雙填料函結(jié)構(gòu)。填料函沿柱塞軸線方向以串聯(lián)方式設(shè)置了兩個填料室并引入了沖洗油，既起到了冷卻、沖洗、潤滑的作用，同時又防止了含有固體顆粒的介質(zhì)進(jìn)入填料。高壓填料函在前端設(shè)置了節(jié)流套 （導(dǎo)向環(huán)），起到了減壓、節(jié)流的作用。在填料中間設(shè)有隔環(huán)，除可阻止介質(zhì)在填料中滲漏外，還可使壓蓋的壓緊力均勻地傳遞到填料上。高壓填料室內(nèi)填料裝填順序依次是：1個節(jié)流環(huán)→2個填料→1個隔環(huán)→2個填料。高壓側(cè)安裝9組填料，低壓側(cè)安裝4組填料，如圖1所示。

圖1 填料函結(jié)構(gòu)

從填料函的結(jié)構(gòu)分析，該高溫高壓往復(fù)泵為雙填料函設(shè)計，并帶有密封沖洗冷卻液，填料組合中設(shè)有節(jié)流環(huán)和隔環(huán)。相比較其它進(jìn)口產(chǎn)品和國內(nèi)類似的填料函設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)用于輸送易燃易爆、有毒液體介質(zhì)的高壓往復(fù)泵的填料中是較為合適的。

（2）材質(zhì)分析

由于泵所輸送的介質(zhì)為煤液化溶劑油，其具有很強(qiáng)的溶解性，且往復(fù)泵在工作時液體排量不均衡，柱塞填料承受比較大的沖擊載荷，所以要求柱塞填料必須耐磨，要有較強(qiáng)的耐腐蝕性。該泵原設(shè)計中填料材質(zhì)為聚四氟乙烯與聚酰胺纖維混合編織填料，它是由含有石墨粒子的經(jīng)拉伸強(qiáng)化的聚四氟乙烯纖維編織而成，再浸漬聚四氟乙烯乳液而制成。這種填料可在各種化學(xué)介質(zhì)中使用，且具有一定的強(qiáng)度和較低的摩擦系數(shù)。但聚四氟乙烯熱傳導(dǎo)性差、熱脹系數(shù)較大，所以這種填料常用于較低線速度的轉(zhuǎn)動部位和最高使用溫度低于260℃的設(shè)備上?；旌暇幙棽牧系牧硪环N填料材料為聚酰胺纖維，俗稱耐綸。它是以聚酰胺為原料，經(jīng)熔體紡絲等方法制得的一類合成纖維，具有強(qiáng)度高、回彈性好、耐疲勞、耐腐蝕、耐蟲蛀等優(yōu)良性能，密度低于大多數(shù)纖維品種。但熔點和軟化點分別為220℃和180℃，其耐光和耐熱性較差。

通過以上對兩種混編填料材質(zhì)特性的說明并結(jié)合泵的運行條件來分析，該泵介質(zhì)為高溫溶劑油，有著較強(qiáng)的腐蝕性，使用溫度高達(dá)310℃，這就要求使用的填料要有很好的耐磨性、耐溫性和熱傳導(dǎo)性。原泵設(shè)計中選用的填料雖然有許多獨特的優(yōu)點，但也存在著耐溫性、耐磨性和導(dǎo)熱性相對較弱等缺點。因此需尋求其它具有更好特性的填料來代替現(xiàn)有填料。

（3）改進(jìn)措施及效果

經(jīng)過填料特性的分析和比較，發(fā)現(xiàn)以下兩種填料可進(jìn)行試用。一是GFO纖維填料，它是以GFO纖維為原料做成的，具有獨特的耐高壓性能和優(yōu)良的耐磨損性能及自潤滑性能，有著廣泛的化學(xué)介質(zhì)適應(yīng)性、良好的耐溫性、較低的高溫蠕變性和獨特的熱傳導(dǎo)性，使用溫度為300℃，尤其適用于高速的動態(tài)密封，防泄漏的效果較為優(yōu)異。二是杜邦芳綸纖維填料，該填料是用杜邦Kevlar纖維經(jīng)浸漬聚四氟乙烯乳液和經(jīng)潤滑劑處理編織而成的。由于Kevlar纖維的強(qiáng)度和模量與鋼絲相近 (被稱為人造金屬線)，所以該填料與其它編織填料相比，能承受更高的壓力，更耐磨損，使用壽命更長，適用于含固體顆粒的介質(zhì)，常被推薦用于介質(zhì)為有機(jī)溶劑、固液混合流體的裝置。芳綸纖維填料的使用壓力可達(dá)25 MPa，溫度280℃，線速度0～15 m/s。通過對上述兩種填料各自的特性和優(yōu)點比較可知，GFO有較好的耐溫性和耐磨性，而芳綸具有較好的抗拉強(qiáng)度和耐高壓性能，因此考慮將這兩種填料進(jìn)行混編，使得混編后的填料同時兼?zhèn)浞季]的強(qiáng)度與耐壓性能以及GFO的低摩擦、耐腐蝕、易導(dǎo)熱等性能，從而更好地發(fā)揮各自的優(yōu)勢。這種混編填料在泵上的試用情況表明，泵在運行期間泄漏量明顯減少，連續(xù)運行時間達(dá)到35天，運轉(zhuǎn)周期較原使用的填料延長了20天，因此大大縮減了檢修工作量，節(jié)約了檢修費用。

經(jīng)過一段時間的運行效果分析可知，該混編填料運行周期基本穩(wěn)定在32～36天之間，雖然較之前有了很大的提高，但仍不能滿足長周期安全穩(wěn)定運行的目的。從運行后的拆檢情況來看，高壓填料函內(nèi)的前端填料已被沖蝕掉且隔環(huán)斷裂。分析認(rèn)為，高壓填料共由9組填料組成，中間雖帶有隔環(huán)，但填料預(yù)緊力傳到前端時已經(jīng)很弱，且這兩種填料的使用溫度已達(dá)到極限，因此會出現(xiàn)上述情況。根據(jù)裝置其余設(shè)備的使用經(jīng)驗和耐溫、高強(qiáng)特性要求，認(rèn)為可以采用碳素纖維填料。碳素纖維填料是用聚丙烯晴纖維作為原料，經(jīng)預(yù)氧化和碳化而制得的，含碳量為90%。作為動密封材料，碳素纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度、良好的耐熱性以及不損傷對磨材料等特點，用于往復(fù)運動密封性能十分可靠。型號為 TFA的高壓填料以碳素纖維為骨架，采用國內(nèi)最先進(jìn)的穿芯式編織法，編織成致密結(jié)構(gòu)織物，經(jīng)碳化、燒結(jié)，并投入一定數(shù)量的準(zhǔn)納米級彌散石墨，以聚四氟乳液浸漬最終制成，使用溫度可達(dá)350℃，回彈率為89%。該碳素纖維填料 （見圖2）具有自潤滑、高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、高彈性、導(dǎo)熱性好、抗壓強(qiáng)度高及摩擦系數(shù)小等優(yōu)異性能，因此特別適用于作為高溫、高壓、腐蝕性和含顆粒流體介質(zhì)的往復(fù)機(jī)構(gòu)填料密封。于是再次對填料進(jìn)行了改進(jìn)。經(jīng)過綜合分析填料函的結(jié)構(gòu)及填料特性，決定對填料進(jìn)行組合配對使用，即用 1根GFO和芳綸混編填料配對1根TFA填料，這樣的組合更有利于填料壓緊力的均勻分配，更能充分發(fā)揮TFA的耐溫性和抗拉強(qiáng)度的優(yōu)勢。兩種填料組合后將兼具各自的優(yōu)點，更能發(fā)揮各自的特性。將上述配對組合的填料在該泵上的使用情況與以前對比，可見泵的運轉(zhuǎn)周期又有了較大幅度的延長，這就證明了這一技術(shù)改造是成功的。

2.2 密封圈泄漏原因分析及改進(jìn)

從該泵填料函的設(shè)計結(jié)構(gòu) （見圖3）來看，密封圈的主要作用是密封沖洗油，密封圈的材質(zhì)為四氟材料。密封圈泄漏不僅會使沖洗油外泄引發(fā)火災(zāi)，同時填料也失去了沖洗和冷卻潤滑作用，因此保證密封圈的使用壽命和可靠性至關(guān)重要。

圖2 TFA填料和混編填料組合

圖3 O形圈密封

針對該泵沖洗油密封圈因材質(zhì)問題而導(dǎo)致的泄漏，迫切需要對O形圈材質(zhì)進(jìn)行升級。O形密封圈失效的主要原因在于煤液化用循環(huán)供氫溶劑作為沖洗油有著較強(qiáng)的腐蝕性和溶蝕性，該泵原設(shè)計中的四氟材料不能抵抗沖洗油的腐蝕和溶蝕，致使O形圈的密封失效。因此需要尋找一種耐腐蝕性能好的O形圈材料，確保該材料不會在實際循環(huán)供氫溶劑沖洗油的工況下被溶蝕，且在腐蝕性介質(zhì)的長期作用下具有較強(qiáng)的抗腐蝕性、耐沖蝕性和良好的熱穩(wěn)定性。通過對各種O形圈材質(zhì)特性進(jìn)行比較分析可知，氟橡膠耐油及耐溫性能優(yōu)良，是四氟材料理想的替代品。氟橡膠具有制作成型填料所必須的優(yōu)良彈性和機(jī)械強(qiáng)度以及較好的耐磨性、耐腐蝕性和耐熱性。對于選定品種的橡膠，可以通過調(diào)整配方和硫化條件，在一定程度上改變其硬度和機(jī)械強(qiáng)度，并能較容易地模壓成各種形狀的產(chǎn)品。通過對氟橡膠材料特性的研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過預(yù)處理的過氟橡膠具有優(yōu)異的耐溶劑性和耐熱性，且表面沒有滲透、開裂和針孔現(xiàn)象，尤其是由一些專業(yè)公司生產(chǎn)的過氟橡膠 （GFF4）有著卓越的穩(wěn)定性和對溶劑油優(yōu)異的耐蝕性。于是通過更換這種經(jīng)過預(yù)處理的過氟橡膠O形圈，有效地解決了O形圈的密封失效問題。

2.3 泵體的改進(jìn)措施

2.3.1 泵閥組結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)

泵閥作為往復(fù)泵中的關(guān)鍵部件，其工作性能的好壞，直接影響著泵的性能及可靠性。本文所述的高溫高壓沖洗油泵出入口的閥組選用的是球閥。由于泵和閥組在運行過程中整體振動較大，因此存在泵蓋墊片易泄漏、閥組墊片易沖蝕等問題。根據(jù)該泵在運行過程中液力端存在的故障和對各種泵閥的性能與特性進(jìn)行比較，擬對泵閥重新選型并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。泵閥的類型一般有盤型閥和球閥，盤型閥又可分為平板閥和錐形閥。球閥結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，互換性強(qiáng)，適合于懸浮液等介質(zhì)。閥球在啟、閉過程中伴有旋轉(zhuǎn)運動，因此其磨損均勻。閥球及其密封接觸表面粘附的雜質(zhì)易被清除，具有所謂的 “自潔”作用，所以密封性能好。球閥閥隙流道較平滑，流體阻力小，適合于輸送黏度較高的液體。平板閥廣泛應(yīng)用于輸送常溫清水或類似于清水的介質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡單，制造較容易，但密封性能不如錐形閥，多用于排放壓力較低的泵。錐形閥較平板閥在制造上復(fù)雜，但流道較平滑，流量系數(shù)大，水阻力小，過流能力強(qiáng)，密閉性能好，閥板剛度較大，不論介質(zhì)黏度高低都比較適宜，通常多用于高壓和超高壓泵上。閥的下部帶有導(dǎo)向套，下部設(shè)計為翼型的導(dǎo)向錐形閥，便于減輕閥重，增加流通能力。從以上特性分析來看，采用球閥作為閥組非常適合于懸浮液介質(zhì)、雜質(zhì)或輸送黏度較高的液體。但對于該泵，運行的高溫沖洗液介質(zhì)較干凈，因此錐形閥相對于球閥更具有優(yōu)勢。錐形閥的流量系數(shù)大，水阻力小，過流能力強(qiáng)。此外，錐形閥相對于球閥體積更小，重量較輕，密閉性能更好，不論介質(zhì)黏度高低都比較適宜。必須注意，閥的撞擊力大小與泵閥的設(shè)計選型有著很大的關(guān)系。閥的升程過高，泵閥落到閥座上時就會產(chǎn)生較大的撞擊力。因此，要從根本上解決泵運行振動大、噪音大和泵蓋墊片頻發(fā)泄漏問題，就必須改變原泵中入口閥的結(jié)構(gòu)，即將原來的球閥改為錐形閥。經(jīng)過某廠家重新測繪和核算后，設(shè)計了新的錐形閥組 （見圖 4）。新的錐形閥組應(yīng)用在該泵上，運行時泵體的振動明顯減小，泄漏故障率也明顯降低。

2.3.2 泵閥組墊片的泄漏分析及改進(jìn)

該泵閥座墊片原設(shè)計為纏繞墊，在復(fù)雜苛刻的工況下，泵閥組承受著比較大的交變沖擊載荷，閥與閥座之間極易泄漏，且泄漏后不僅造成泵的壓力波動和不上量，而且由于介質(zhì)泄漏，還造成了泵體的嚴(yán)重沖蝕。泵體和閥座被沖蝕后只能外委加工，需要對缸體的密封面和閥座密封面進(jìn)行激光熔覆修復(fù)處理，這就會嚴(yán)重影響裝置的正常生產(chǎn)。

圖4 閥組改進(jìn)前后對比

結(jié)合其它泵的設(shè)計經(jīng)驗，考慮將單向閥密封墊改用經(jīng)退火后的紫銅墊。經(jīng)過試用發(fā)現(xiàn)，退火后的紫銅墊雖然比纏繞墊有著較好的致密性，但高溫密封性能較差，且高溫強(qiáng)度不足，在沖擊載荷下極易發(fā)生泄漏，無法保證泵的穩(wěn)定運行。經(jīng)過研究分析，考慮將閥座密封墊改為齒形金屬墊。這種齒形金屬墊是用精密車床在不銹鋼平墊片兩面加工出同心的溝槽而制成的，根據(jù)不同的介質(zhì)，可選擇柔性石墨、PTFE或其它一些軟金屬粘貼在墊片的兩面。這種齒形組合墊尤其適合于高溫、高壓工況條件和交變壓力的場合，它在較低的預(yù)緊力下能可靠、緊密地結(jié)合，即使在極高的載荷下也能保證密封性能，并保護(hù)金屬面不被損傷。泵體墊片改用齒形墊后，再未發(fā)生介質(zhì)對泵體的沖蝕現(xiàn)象。

2.3.3 泵蓋螺栓拆卸困難及斷裂問題的改進(jìn)措施

用載絲螺栓壓緊泵蓋密封墊也存在一些問題。泵體經(jīng)高溫后載絲螺栓難以從泵體中取出，且時常會發(fā)生斷裂，因此經(jīng)常需上車床加工。分析泵蓋螺栓斷裂的原因主要是疲勞破壞，即螺栓在長期的交變載荷和閥組的沖擊載荷下，螺栓發(fā)生疲勞斷裂。針對該泵蓋墊片泄漏、高溫載絲螺栓難以拆卸和頻繁斷裂的問題，采取了改進(jìn)措施，將泵蓋單頭螺栓改為雙頭高強(qiáng)度螺栓，并在螺母處增加預(yù)緊彈簧來提高螺栓對泵蓋墊片的預(yù)緊力，同時防止螺栓松動。除此之外，在安裝時，用力矩扳手按照設(shè)計提供的預(yù)緊力進(jìn)行緊固，并在泵體預(yù)熱后及啟泵前對泵蓋螺栓進(jìn)行熱緊。通過以上改造，解決了泵蓋螺栓拆卸困難及斷裂的問題。

3 加強(qiáng)檢修質(zhì)量控制和設(shè)備維護(hù)管理

3.1 嚴(yán)格管控填料的安裝質(zhì)量

高壓往復(fù)泵的穩(wěn)定運行除了受結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響外，安裝和運行維護(hù)也對延長填料使用壽命起著很大的作用。因此對填料的安裝提出如下的要求。

（1）填料安裝前，要將填料函和填料表面的污垢清理干凈，對填料的幾何尺寸和質(zhì)量進(jìn)行細(xì)致檢查。

（2）填料安裝時，要注意安裝順序，特別要注意節(jié)流環(huán)、隔環(huán)與填料組合搭配順序以及填料與填料之間的組合順序，每層填料需按要求錯開角度。

（3）填料安裝時要注意沖洗油在填料函內(nèi)的流程暢通，以避免安裝后沖洗油的通道發(fā)生阻塞，同時要保證柱塞找正的精度，以防止偏磨。

（4）填料壓緊螺母的預(yù)緊力應(yīng)當(dāng)適中，這主要是根據(jù)實際安裝經(jīng)驗和泵運行后的狀況來調(diào)整，可允許填料有微量的泄漏，以保證其對填料的潤滑。

3.2 加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)管理

（1）要合理地對高、低壓填料壓緊螺母進(jìn)行緊固作業(yè)。要經(jīng)常檢查填料泄漏狀況和沖洗油回油壓力的變化，對高、低壓填料壓緊螺母進(jìn)行緊固作業(yè)。根據(jù)填料泄漏情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)木o固，但不可一次調(diào)整過大。預(yù)緊力較大時，也會造成填料磨損加劇而發(fā)生泄漏。

（2）保證沖洗液暢通，使填料能得到充分有效地沖洗、冷卻和潤滑。在高壓往復(fù)泵中，沖洗液對填料的運行效果及使用壽命起著至關(guān)重要的作用。因為沖洗液不僅可以沖洗雜質(zhì)，同時也起到冷卻降溫、對填料與柱塞的摩擦進(jìn)行充分潤滑的作用。所以要經(jīng)常檢查沖洗油的流量和溫度變化，觀察填料的運行效果，定期清洗沖洗油過濾器，以防止沖洗油管路堵塞。

3.3 規(guī)范泵的檢修作業(yè)

（1)在安裝泵體螺栓時，要嚴(yán)格按照擰緊順序用力矩扳手進(jìn)行緊固，以防止緊偏以及預(yù)緊力不夠和過度的情況發(fā)生。

（2)在泵體預(yù)熱過程中及啟動前，要對泵蓋螺栓進(jìn)行熱緊。

4 結(jié)束語

（1）填料組合經(jīng)過改進(jìn)后，泵的運轉(zhuǎn)周期由原來的20天延長至連續(xù)穩(wěn)定運行60天以上。O形圈材質(zhì)升級為GFF4后，再沒發(fā)生過因溶劑油腐蝕導(dǎo)致沖洗油泄漏而停機(jī)的故障。

（2）球閥改為錐形閥后，振動明顯減小，泵蓋墊片故障率降低。泵閥組密封墊由原來的石墨纏繞墊改為齒形墊后，未發(fā)生對泵體的沖蝕。將泵蓋單頭螺栓改為雙頭高強(qiáng)度螺栓，并在螺母處增加預(yù)緊彈簧后，有效地解決了泵蓋處泄漏和螺栓斷裂的問題。

（3）閥組結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計改進(jìn)解決了原泵閥故障頻繁的問題，有效地延長了泵的運行周期。

（4）對泵的運行和檢修維護(hù)進(jìn)行了規(guī)范，也使泵的運行周期得到了有效的延伸。

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Failure Analysis and Improvement of Stuffing and Valve of Flushing Oil Reciprocating Pump

Wang LiZhang Qingli

Taking the flushing oil reciprocating pump in coal chemical industry as an example,presented and analyzed the leakage causes of valve and stuffing.Took appropriate measures for improvement and achieved good results.

Reciprocating pump;Valve;Stuffing;Sealing ring;Improvement

TQ 051.21

2013-04-12）

*王黎，男，1970年生，高級工程師。鄂爾多斯市，017209。