高压往复泵填料与泵阀故障分析与改进.pdf

一 7 6一 石 油和化 工设备 2 01 2 年第1 5 卷 高压往复泵填料与泵阀故障分析与改进 乔元 中国神华鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙 鄂尔多斯O 1 7 2 0 9 [ 摘 要] 高压往复泵在炼化企业应用十分广泛。本文以进 口高压往复泵为例，研究分析 了该泵填料泄漏和阀组故障的原 因，并进行 了多处改进，使用效果良好。 [ 关键词]高压往复泵；填料；泵阀组；改进措施 煤直接液化装置中，某台进 口高温 高压冲洗 油泵用 于为装 置内含 固介质提供冲洗油 。该泵 出 口压力2 1 MP a ，使用温度3 2 O ℃，流量5 0 m ／ h。采 用三柱塞单 作用 结构 ，双填料 函设计 ，出入 口阀 采用弹簧预压的球型阀。 1 存在问题及故障统计分析 该泵 自2 0 0 9 年运行 以来故障频发，单台泵运 行周期1 5 天，最短仅6 天 ，泵故障频繁不仅造成维 护检 修工作 量加大 ，且运行物料温度高 ，易燃 易 爆，严 重威胁装置 的正常生产 。故障统计分析表 明，该泵 因填料磨损泄漏停机1 4 次，占3 5 ％；因冲 洗油。型圈损坏停机8 次，占2 0 ％，因入 口阀垫泄 漏 停机 6 次， 占1 5 ％，因阀座 、缸体密封面泄漏6 次，占1 5 ％，其它原因共6 次，占1 5 ％。见图1 。 设 障统计分析 图1故障统计分析图 2 故障原因分析及改进试验 2 ． 1 填料泄漏原因分析及改进试验 2 ． 1 ． 1 结构分析 该泵为双填料 函设计 ，外供封油为填料提供 冷却、润滑 ，同时防止含有固体颗粒介质进入填 料 。填料 函前端设置节流套 导向环 ，并在填 料中间设有 隔环 ，除阻止介质填料 中渗漏外 ，还 可使压盖 的压紧力均匀地传递 到每个填料上 。高 压填料室 内填料装填顺序 为1 个节流环 一2 个填 料一1 个隔环一2 个填料，共组装9 根填料 低压4 根填料。详见图2 。 翱紧圈蠓母 节 环礤 环 蕊援 填 擗螟秘 函 套 { 氐疆填 辩 离压 壤 刳 紧 露蠓 母 图2 填料函结构图 从填料 函的结构来看 ，相 比较其他进 口及类 似 国内填料 函的结构设计 ，该泵的填料 函结构设 计是适用 的。 2 ． 1 ．2材质分析 该泵填料设计为聚四氟乙烯 与聚酰胺 纤维混 合编织填料。膨胀聚四氟乙烯盘根 黑四氟由 含有石墨粒 子的经拉伸强化 的聚四氟乙烯 纤维编 作者简介乔元 1 9 8 3 一，男， 陕西榆林人，大学本科，西 北大学 过程 装备与控制 工程专业毕 业 ，工程 师。现从事设备 管理 工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6 期 乔元 高压往复泵填料与泵阀故障分析与改进 一7 7． 织而成，再浸渍聚 四氟 乙烯乳液。这种盘根可在 各种化学介质中使用，具有一定的强度和较低的 摩擦系数。但聚 四氟 乙烯热传导性差、热胀系数 较大 ，所 以常用于较低线速度的转 动部位和最高 使用温度2 6 0 ℃的设备上 。 混编 的另一种盘根材料为聚酰胺 纤维。它 以 聚酰胺为原料 ，经熔体 纺丝等方法制得 。具有 强 度高 、耐疲劳和耐腐蚀等优 良性能 ，密度低 于大 多数纤维 品种 。但熔 点和软化 点分别 为2 2 0 ℃和 1 8 0 ℃，耐光和耐热性稍差。 该泵 运行介质 为煤液化用高温溶剂油 ，有着 较强的腐蚀性，使用温度高达3 2 0 ℃。要求使用的 填料 具有很好 的耐磨性、耐高温和热传导性 。原 泵设计选用 的填料虽然有其许 多特点 ，但存在着 耐高温性差、耐磨性和导热性较弱等缺点。 通过对两种混编填料材质特性分析，结合该 泵运行条件 ，考虑选用特性更好的填料进行改进 试验 。 1 G F O纤维填料 。它是 以编织盘根纤维生 产企业一美 国戈尔公司出品的GF O纤维为原料 的 盘根 。具有 独特 的耐高压性能 、优 良的耐磨耗能 力和 自润滑 能力、对化学介质适应性广 、耐 高温 性能 良好和较低 的高温蠕变性能和独特 的热传 导 性能 。尤其适用 于高速动态密封 ，防泄漏 效果优 异 。 2杜 邦 芳纶 纤 维 盘 根 。该 盘 根 由杜 邦 K e v l a r 纤维，经浸渍聚四氟乙烯乳液和润滑剂处理 编织而成。由于其强度和模量有钢丝之称 被称 为人造金属线 ，所 以此盘根与其它编织盘根 相 比，能承受更高的介质压 力，使用寿命更长 。适 用于含 固体颗粒的易磨损介质 ，常被推荐用于有 机溶剂、固液混合 的设备上 。 通过 比较 发现 ，GF O具有较 好 的耐温 性 和 耐磨性 ；而芳纶具有更好 的抗拉强度和耐高压性 能。因此考虑对两种填料进行混编 ，使得混编后 的填料 同时兼备 芳纶 的强度 、耐 压性 能和GF 0 的低摩擦 、耐腐蚀、易导热的优 点，发挥各 自的 特性。经混编后 的填料在该泵上进行 了试用 ，安 装使用后 ，该泵运行期间泄漏量 明显减少 ，连续 运行提高至3 5 天 ；运转周期较原用填料提高 了2 O 天 。 经过一段时间的运行 效果观察 ，该 混编填料 运行周期基本稳定在3 5 天左右 ，虽然较之前有 了 很大提高 ，但仍不能满足长周期安全稳定运行 的 目的。从运行后拆检来看 ，高压填料 函内的前端 填料 已被冲蚀掉 ，隔环断裂 。进一步分析发现 ， 该高压填料数量较多 ，中间虽带有 隔环 ，但填料 预紧力传 到前端 时已很弱 ，另一缺点是此两种填 料 的使用温度 已达极 限条件 。根据 装置其余 设备 的使用经验和耐高温和高强度特性，考虑使用碳 素纤维。 碳素纤维填料用聚丙烯晴纤维作为原料，经 预氧化和碳化得 到。它具有较高的抗拉强度 高 于四氟纤维、 良好 的耐热性 以及不损伤对磨材 料的特 点，用于往 复运动密封性能十分可靠 。型 号为T F A的高压填料 以碳素纤维 为骨架，采用国内 最先进的穿芯式编织法 ，编织成致密结构 ，经碳 化 、烧 结 ，并投 入准纳米级弥散石墨 ，以聚四氟 乳液浸渍 ，使用温度达3 5 0 o C。该碳素纤维盘根具 有 自润滑、高强度、耐 高温 、耐腐蚀 、导热性好 等优异性能 ，具有优异 的密封性 能，特别适用于 有腐蚀、高温、高压 、含颗粒流体介质 的往复机 构的填料密封，见图3 。 戈尔G F 0 和杜邦芳纶混编填料 图3填料实物比较图 T F A 填料 2 O 1 1 年 1 0 月，再次对填料进行 了改进 。经综 合分析填料 函的结构及填料特性 ，决定对填料进 行组合配对使用，即用1 根GF O和芳纶混编填料配 对1 根T F A盘根 ，这种组合更有利于填料 力的均匀 分配 ，且能充分发挥T F A的耐温性和 抗拉强度 ， 组合后填料兼备各 自的优 点，更能发挥各 自的特 性 。填料组合改进后 ，泵 的运转周期 由原来 的3 5 天左右，提高至连续稳定运行6 0 天以上。 2 ．2密封圈泄漏原因分析及改进试验 故障统计分析表 明2 0 ％的停机 由于填料 函密封 圈泄漏所致 ，从该泵填料 函设计结构看 ，该密封 圈的主要作用是密封冲洗 油，材质为 四氟 见 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ． ． ■ 维修改造 石 油 和 化工 设备 2 0 1 2 年 第 1 5 卷 4 。密封圈泄漏不仅使冲洗油外泄，引起火灾 ， 同时使填料失去 了冲洗、冷却润滑液 。因此应保 证密封圈的可靠性。 图4 0 型圈密封图 密封0型圈失效的主要原因在于煤液化用循环 供氢溶剂有着较强的腐蚀或溶蚀性 ，该泵原设计 四氟圈不能满足冲洗油的腐蚀和溶蚀致使O型圈密 封 失效 。需选用一种耐腐蚀性 能好 的材料 ，确保 该材料不在循环供氢溶剂冲洗油 的工况条件 下被 溶蚀 ，还应在腐蚀性介质 长期作用下 ，具有较 强 的抗腐蚀、耐冲蚀性能和 良好的热稳定性 。 通过对各种0型圈材质特性的比较，氟橡胶耐 油及耐温性能优 良，是四氟材料理想 的替代品。 氟橡胶具有制作成型填料所必须 的优 良弹性和机 械强度 以及较好 的耐磨性、耐腐蚀性和耐热性 。 对于选定 品种 的橡胶 ，可 以通过调整配方和硫化 条件 ，在一定程度上改变其硬度和机械强度 。通 过对 氟橡 胶材 料特 性研 究发 现 ，经预 处理 的过 氟橡胶 具有优异 的耐溶剂性 、耐热性 ，表面无渗 透 、开裂和针孔现象 。日本大金公司生产 的过氟 橡胶 G F F 4 有着卓越的稳定性和对溶剂油优异 的耐蚀性 ，通过更换这种经过预处理的过氟橡胶O 型圈，有效地解决了泄漏 问题。 2 - 3泵体改进措施 2 ．3 ． 1 阀组结构分析改进 泵 阀组作为往复泵 内关键部件 ，其 工作性 能 好坏 ，直接 影响着泵 的性能及可靠性。该泵 原设 计选用的是球 阀结构作为该泵 的出入 口阀组。在 运行过程中存 在整 体振动大 、泵盖垫片易泄漏 、 阀组垫片易冲 蚀等 问题 。根据该泵在液 力端存在 的故障和泵 的运行实 际状况 ，经对各种 泵阀的性 能和特性进行 比较，拟对泵阀选型进行改进 。 泵 阀在选型上一般有盘型阀和球 阀，盘型 阀 又分为平板 阀和锥形 阀。球阀结构简单 ，装拆方 便，互换性强 ，阀球及密封接触表 面粘 附的杂质 易被清 除，流体 阻力小 ，适合于输送悬浮液和粘 度较高的液体等。 图5 泵阀组原结构图 平板 阀广 泛 用于 输送 清 水或 类似 清 水 的介 质 。结构简单 ，制造较容易，但密封性 能不如锥 形阀，多用于排放压力较低 的泵 。 锥形 阀较 平 板 阀在制 造 上较 复 杂 ，但 流 道 较平滑 ，流量系数大 ，水阻力小，过流 能力强 ， 密 闭性能好 ，不论介质黏度高低都 比较适宜，因 阀板刚度较大 ，通常多用于高压和超 高压泵 中， 阀的下部设计成翼型 的导 向锥形阀，便于减轻 阀 重，增加流通能力 。 另 一个优 点是 锥形 阀相 对 于球 阀，体 积 更 小、重量较轻；密闭性能好，不论介质黏度高低 都 比较适用，更适合该泵应用。 更重要是 ，阀的撞击力大与泵 阀的设计选 型 有很大的关系 。阀的升程过高致使 阀落到阀座 时 产生严重的撞击力，流速太快 ，也不利于 阀的流 动稳定性。由参考文献泵阀设计公式可知 f 西 F hl- - 1 - e -L fFo 公式中F 日 和 F n r 分别为阀在打开过程中受到 向上 的推举力和 向下的恢复力 。它们的合 力决定 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 8 0 ． ■ 维修改造 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 2 年第 1 5 卷 度螺栓 ，以解决高温螺栓难 以取 出的问题 ，并在 螺母 处增加预紧弹簧 ，提高螺栓对泵盖垫片 的预 紧力，保证密封 同时 防止螺栓松 动。另外安装 时 要求严格按照力矩紧 固，并在预热后、启泵前对 泵盖螺栓进行热紧 。 3 加强检修质量控制和操作维护 3 ． 1 提高填料安装质量 1 填料安装前 ，需对填料函和填料表面污 垢清理干净 ，对填料 的几何尺寸及质量进行认真 检查。 2 填料安装时，需注意安装 的顺序 ，特 别 要注意节流环、隔环 与填料组合搭配顺序 以及填 料 与填料之 间的组合顺序 ，填料每层需按要求错 开角度 。 3 填料安装需注意冲洗油在填料函内的流 程 畅通 ，避免安装后冲洗 油管路不通 ，同时要 保 证柱塞找正的精度，防止偏磨。 4 填料压紧螺母的预紧力应适 中，要根据 安装实际情况和泵运行后的状况 ，允许填料有微 量泄漏 ，以保证对填料的充分润滑。 3 ．2 加强维护延长填料运行周期 1 合理地对高、低压填料压紧螺母进行紧 固作业 。应经常检查填料泄漏状况和冲洗油回油 压力变化 ，根据泄漏情况及时对 高、低压填料进 行适当的紧固作业，必要时可停用后紧固。 2 保证冲洗液畅通，使得填料能得到充分 有效的冲洗、冷却和润滑 。冲洗液不仅冲洗填料 杂质 ，同时也起着冷却 、降温 的作用 ，并对填料 与柱塞的摩擦起着润滑作用 。要经常检查冲洗油 的压力 、温度变化，定期清洗冲洗油过滤器，防 止冲洗油堵塞油管路。 3 ．3 规范检修作业解决泵体泄漏 1 在安装泵体螺栓时严格按照拧紧顺序和 力矩要求进行紧 固作业 ，防止紧偏和 预紧力 不够 和过度情况发生。 2 在泵运行预热后、启动前 ，对泵盖螺栓 进行热紧。 4结束语 1 填料组合改进后，泵运转周期 由原来的 2 0 天左右提高至连续稳定运行6 0 天以上，O型圈材 质升级为GF F 4 后 ，再未发生因溶剂油腐蚀导致冲 洗油泄漏停机故障。 2 球 阀改为锥形 阀后，振动明显减小 ，泵 盖垫片故障率降低 ；泵阀组密封垫 由原来的石墨 缠绕垫 改为波齿垫后 ，未发生对泵体 的冲蚀 。泵 盖单头螺栓 改为双头高强度螺栓 ，在螺母处增加 预紧弹簧后 ，有效解决了螺栓断裂 问题。 3 规范了泵检修和运行维护的要求，使泵 运行得到了进一步改善，延长了泵的运行周期 。 4 在泵的几种改进措施中，阀组结构型式 的设计 改进是解决原泵 阀故障频 繁的根本途径 ， 其它几种措施也起到了较好的效果 。 ◆参考文献 【 1 ]1胡国帧，石流，阎家宾． 化工密封技术口 棚． 北京化学工 业出版社 ，1 9 9 0 ． [ 2 】 往复泵设计编写组． 往复泵设计[ M】 ． 北京机械工业 出版社，1 9 8 7 ． 【 3 ] 杨返修，郑孝军． 高压往复泵填料密封效果及使用寿命的 影响因素分析【 J 】 _ 石油化工设备技术，2 0 0 5 ，2 6 5 ． [ 4 】 李强，宫恩祥，石海峡等． 高压往复泵进排液阀故障分析 与改进设计[ J 】 ． 排灌机械，2 0 0 7 ，2 5 5 ． [ 5 】叶永彪，朱永有，王龙龙． 往复泵泵阀失效分析[ J ] ． 通用机 械 ，2 0 0 6 ， 2 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m