加氢反应进料泵填料泄漏分析及处理

陈明 李玉胜 朱耀强(兰州石化维达公司， 甘肃 兰州市 730000)

加氢反应进料泵填料泄漏分析及处理

陈明 李玉胜 朱耀强(兰州石化维达公司， 甘肃 兰州市 730000)

对于加氢反应进料泵填料泄漏，从填料箱、填料材质等几方面进行了分析，提出了解决措施。

加氢反应进料泵 填料密封 芳碳纤维填料

1 简介

柱塞泵以其工作压力高、流量范围大和输出流量可变等优点在炼化生产中得到广泛的应用。柱塞泵是依靠柱塞在缸体孔内做往复运动所产生的容积变化进行吸油和压油的，其工作的可靠性和寿命主要取决于三方面：摩擦副寿命，轴承的寿命以及零件的强度。软填料密封作为柱塞泵中的重要摩擦副组件，直接影响着泵的工作性能和生产的正常进行。

加氢反应进料泵是生产加氢树脂的核心设备。其运行的长周期性，直接关系到加氢树脂生产的连续性。加氢反应进料泵的长周期运行，是确保石油树脂装置连续运行的关键。

加氢反应进料泵为立式高压柱塞泵，参数如下表所示。

加氢反应进料泵参数表

2 泄漏情况的分析

（1）密封机理 对于高压柱塞泵，填料密封是其重要组件，直接影响着泵的工作性能和装置生产的正常运行。密封部分由柱塞、填料函、填料、铜环、笼式环、压盖等部份组成，通过填料压盖将填料压紧在轴的表面。盘根填料在柱塞的密封里起到决定性的作用。盘根之所以能起到密封的作用，其原理主要在于滑动轴承效应和迷宫密封效应。盘根的滑动轴承效应是指在盘根填料和柱塞之间，会因为张力的作用形成一层液膜，使盘根填料和柱塞形成类似于滑动轴承的关系，这样盘根填料和柱塞就不会因为过度摩擦而出现磨损。盘根的迷宫效应则是指，柱塞的表面平整程度无法达到绝对光滑，盘根和柱塞只能部分贴合而做不到完全贴合，在盘根和柱塞之间永远存在着极为微小的间隙，这些间隙就形成了迷宫带，介质在其中被多次节流，而达到密封的作用。

（2）填料密封计算 由机械设计手册(第五版)第3卷P10-232软填料密封计算可知

①填料函的主要结构尺寸。填料截面宽(正方形)S：主填料S=10mm，副填料S=7mm；主填料高度H=129mm，副填料高度H=28mm。

②压紧填料所需力计算。压盖压紧填料所需力Q按式(2-1)确定：

式中：y为压紧力，MPa，取y≈3．5MPa； D为填料箱内壁直径，cm，取D=7．08cm； d为轴径，cm，取d=5．08cm；

由式(2-1)计算得压紧压盖所需力Q=6681．92N。

(3)摩擦功率．填料与转轴间的摩擦力Fm按式(2-2)计算：

经过计算，主填料与柱塞间的摩擦力Fm=18004．917N。

在填料箱的整个填料高度内，侧压力的分布是不均匀的，从填料压盖起到衬套止的压力逐渐减小。因此，填料箱中的摩擦功率P可按式(2-3)近似计算：

式中：v为圆周转速，v=πdn，m/s；n为轴的转速，r/s，

n=1475r/min=24．58r/s；d为轴径，m，d=0．0508m。

经过计算，填料箱中的摩擦功率P=70．63kW。

②密封填料的改进

a．填料箱内填料受力及补偿情况。填料密封结构简单可靠，但也有不足之处，主要有以下几点：受力问题——加氢反应进料泵运行时，介质液体排量不均衡，填料的径向力分布与介质压力分布不一致，填料承受较大的冲击载荷，这就要求填料具有很大的径向力才能达到所需的密封结果。该泵采用硬度较高的减压环来间隔填料，以使压力降沿轴向较均匀地分布。其中柱塞规格为φ50．8mm×450mm，材质为38CrMoAL，通过渗氮处理，表面抛光，使其具有高耐磨性、高疲劳强度和相当大的强度。减压环材质为磷青铜，耐磨、耐腐蚀，并具有一定的机械强度。减压环起着定位和支撑柱塞的作用，同时在轴向力作用下压紧填料，减小间隙。

自动补偿问题——随着填料的磨损，填料与柱塞表面的间隙不断增大，会导致介质泄漏量的增加，这就要求填料耐磨。

散热性差。该泵填料函外侧带有溢流管，可解决散热性差的问题。

b．填料的材质。柱塞泵在2014年以前所使用的是戈尔填料，该填料由GFO纤维编织而成，其中包括聚四氟乙烯纤维、石墨等，在2014年至2015年7月期间使用了3次，使用有效期均在1个月左右。主填料使用10×10mm戈尔盘根，副填料使用7×7mm戈尔盘根。

经过对填料的磨损情况的分析，认为密封失效的原因有：

①该填料耐磨性差，在使用过程中，填料冲洗上接口处直径18mm的溢流管线时有堵塞现象，拆卸管线第一道阀门时能够发现有填料残渣堵塞阀门法兰；

②密封填料切割质量较差，根据柱塞与填料函的尺寸，将填料于45°切下，安装时填料的切口应平行、整齐，安装时切口应错开90°。停泵检修拆卸时可以发现有部分填料从切口处直接压毁而部分填料切口处结合紧密，这样也就造成了填料整体在使用时与柱塞之间的间隙增大的速率较快，继而泄漏较快。

2014年4月1日，更换为碳纤维与高强芳纶纤维编制而成的新型填料后，7月6日泄漏过大需进行更换；2015年1月20日将此填料进行更换，4月17日泄漏过大需进行更换，由以上两次更换后运行情况显示碳纤维与高强芳纶纤维编制而成的新型填料使用周期可提高到2个半月左右。之后2015年7月14日至2016年8月10日装置停工大检修，共更换3次，其中该填料最长使用时长为9个月。该填料由碳纤维为基础材料，四角包覆高强芳纶纤维，交叉编织而成。其中填充膨胀石墨、提高了导热性能；四角包覆芳纶纤维使整体盘根机械强度提高，耐磨性加大，膨胀系数缩小；摩擦系数低、化学稳定性好；耐高温，能在一定轴线工况下使用。同时该填料的切口平行、整齐，不需人工切割，直接使用。

(3)戈尔盘根与四角芳纶碳纤维盘根对比：

戈尔盘根与四角芳纶碳纤维盘根对比表

通过以上对比，在温度190℃，富含C15、C20、Cl-1、OH-1的强腐蚀性介质中，在最大流量条件下B-602A泵出口压力最高可达17MPa；柱塞最大在运行速度为1．7m/s，成型四角芳纶碳纤维盘根更加适用于加氢反应进料泵。

3 总结

通过以上分析，采用机械强度高、耐磨性大、摩擦系数低的芳碳纤维填料，作为该泵的密封填料较理想。在检修时更换填料的同时更换减压环及柱塞，在运行时及时调节压盖预紧力及检查清理溢流管线的堵塞情况均可延长该泵的使用周期。

[1]加氢反应进料泵使用说明书

[2]成大先 机械设计手册(第五版)第3卷

[3]郝木明 过程装备密封技术 中国石化出版社

[4]彭旭东 改善高压柱塞泵的软填料密封《石油化工设备技术》1998年第19卷第2期

[5]刘永利 高压柱塞泵填料密封失效原因及解决办法《水泵技术》1993年第4期