冲洗油往复泵泵阀与填料故障的分析与改进

王 黎 张庆丽

（伊泰集团煤制油公司） （中石油呼和浩特石化公司)

流体机械

冲洗油往复泵泵阀与填料故障的分析与改进

王 黎*张庆丽

（伊泰集团煤制油公司） （中石油呼和浩特石化公司)

以某煤化工装置冲洗油往复泵为例，介绍并分析了泵阀与填料泄漏的原因，并采取了相应措施进行改进，取得了良好效果。

往复泵 泵阀 填料 密封圈 改进

0 前言

某煤化工装置中两台高温高压冲洗油泵的作用是用来为装置内含固介质管线的各个冲洗点提供高温高压冲洗油，以防止各冲洗点处的管线结焦堵塞。该泵的出口压力为20 MPa，操作温度310℃，流量49 m3/h，采用水平的三柱塞单作用柱塞结构，出入口阀采用弹簧预压的球型阀，填料函采用外界供给冲洗油进行冷却和润滑，以延长填料的使用寿命。本文以某煤化工装置冲洗油往复泵为例，介绍并分析了泵阀与填料泄漏的原因，并采取了相应措施进行改进，取得了良好效果。

1 存在的问题

该泵自2009年运行以来故障频发，单台泵运行周期仅为15天，最短仅6天，使得检修维护工作量加大，而且该泵的物料介质温度高，易燃易爆，严重威胁着装置的正常安全生产，因此彻底解决该泵的故障成为当务之急。针对出现的故障，技术人员进行了统计汇总，情况如下：停机共计34次，其中因填料磨损泄漏停机14次，占41%；因冲洗油O形圈损坏停机8次，占23%；因泵盖垫片泄漏停机6次，占18%；因阀座密封面泄漏停机6次，占18%。

通过以上的统计汇总可看出，该泵存在的主要问题有如下几项：

（1）填料泄漏较频繁，泵运转周期较短；

（2）冲洗油O形圈耐高温腐蚀性弱；

（3）泵体运行振动大，泵盖垫片及缸体垫片容易泄漏；

（4）泵体的阀球与阀座密封面不严，容易被冲刷而导致密封面损坏。

2 故障的原因分析及改进措施

2.1 填料泄漏的原因及改进

（1）结构分析

该高温高压往复泵为双填料函结构。填料函沿柱塞轴线方向以串联方式设置了两个填料室并引入了冲洗油，既起到了冷却、冲洗、润滑的作用，同时又防止了含有固体颗粒的介质进入填料。高压填料函在前端设置了节流套 （导向环），起到了减压、节流的作用。在填料中间设有隔环，除可阻止介质在填料中渗漏外，还可使压盖的压紧力均匀地传递到填料上。高压填料室内填料装填顺序依次是：1个节流环→2个填料→1个隔环→2个填料。高压侧安装9组填料，低压侧安装4组填料，如图1所示。

图1 填料函结构

从填料函的结构分析，该高温高压往复泵为双填料函设计，并带有密封冲洗冷却液，填料组合中设有节流环和隔环。相比较其它进口产品和国内类似的填料函设计，这种结构用于输送易燃易爆、有毒液体介质的高压往复泵的填料中是较为合适的。

（2）材质分析

由于泵所输送的介质为煤液化溶剂油，其具有很强的溶解性，且往复泵在工作时液体排量不均衡，柱塞填料承受比较大的冲击载荷，所以要求柱塞填料必须耐磨，要有较强的耐腐蚀性。该泵原设计中填料材质为聚四氟乙烯与聚酰胺纤维混合编织填料，它是由含有石墨粒子的经拉伸强化的聚四氟乙烯纤维编织而成，再浸渍聚四氟乙烯乳液而制成。这种填料可在各种化学介质中使用，且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，所以这种填料常用于较低线速度的转动部位和最高使用温度低于260℃的设备上。混合编织材料的另一种填料材料为聚酰胺纤维，俗称耐纶。它是以聚酰胺为原料，经熔体纺丝等方法制得的一类合成纤维，具有强度高、回弹性好、耐疲劳、耐腐蚀、耐虫蛀等优良性能，密度低于大多数纤维品种。但熔点和软化点分别为220℃和180℃，其耐光和耐热性较差。

通过以上对两种混编填料材质特性的说明并结合泵的运行条件来分析，该泵介质为高温溶剂油，有着较强的腐蚀性，使用温度高达310℃，这就要求使用的填料要有很好的耐磨性、耐温性和热传导性。原泵设计中选用的填料虽然有许多独特的优点，但也存在着耐温性、耐磨性和导热性相对较弱等缺点。因此需寻求其它具有更好特性的填料来代替现有填料。

（3）改进措施及效果

经过填料特性的分析和比较，发现以下两种填料可进行试用。一是GFO纤维填料，它是以GFO纤维为原料做成的，具有独特的耐高压性能和优良的耐磨损性能及自润滑性能，有着广泛的化学介质适应性、良好的耐温性、较低的高温蠕变性和独特的热传导性，使用温度为300℃，尤其适用于高速的动态密封，防泄漏的效果较为优异。二是杜邦芳纶纤维填料，该填料是用杜邦Kevlar纤维经浸渍聚四氟乙烯乳液和经润滑剂处理编织而成的。由于Kevlar纤维的强度和模量与钢丝相近 (被称为人造金属线)，所以该填料与其它编织填料相比，能承受更高的压力，更耐磨损，使用寿命更长，适用于含固体颗粒的介质，常被推荐用于介质为有机溶剂、固液混合流体的装置。芳纶纤维填料的使用压力可达25 MPa，温度280℃，线速度0～15 m/s。通过对上述两种填料各自的特性和优点比较可知，GFO有较好的耐温性和耐磨性，而芳纶具有较好的抗拉强度和耐高压性能，因此考虑将这两种填料进行混编，使得混编后的填料同时兼备芳纶的强度与耐压性能以及GFO的低摩擦、耐腐蚀、易导热等性能，从而更好地发挥各自的优势。这种混编填料在泵上的试用情况表明，泵在运行期间泄漏量明显减少，连续运行时间达到35天，运转周期较原使用的填料延长了20天，因此大大缩减了检修工作量，节约了检修费用。

经过一段时间的运行效果分析可知，该混编填料运行周期基本稳定在32～36天之间，虽然较之前有了很大的提高，但仍不能满足长周期安全稳定运行的目的。从运行后的拆检情况来看，高压填料函内的前端填料已被冲蚀掉且隔环断裂。分析认为，高压填料共由9组填料组成，中间虽带有隔环，但填料预紧力传到前端时已经很弱，且这两种填料的使用温度已达到极限，因此会出现上述情况。根据装置其余设备的使用经验和耐温、高强特性要求，认为可以采用碳素纤维填料。碳素纤维填料是用聚丙烯晴纤维作为原料，经预氧化和碳化而制得的，含碳量为90%。作为动密封材料，碳素纤维具有较高的抗拉强度、良好的耐热性以及不损伤对磨材料等特点，用于往复运动密封性能十分可靠。型号为 TFA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，编织成致密结构织物，经碳化、烧结，并投入一定数量的准纳米级弥散石墨，以聚四氟乳液浸渍最终制成，使用温度可达350℃，回弹率为89%。该碳素纤维填料 （见图2）具有自润滑、高强度、耐高温、耐腐蚀、高弹性、导热性好、抗压强度高及摩擦系数小等优异性能，因此特别适用于作为高温、高压、腐蚀性和含颗粒流体介质的往复机构填料密封。于是再次对填料进行了改进。经过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GFO和芳纶混编填料配对1根TFA填料，这样的组合更有利于填料压紧力的均匀分配，更能充分发挥TFA的耐温性和抗拉强度的优势。两种填料组合后将兼具各自的优点，更能发挥各自的特性。将上述配对组合的填料在该泵上的使用情况与以前对比，可见泵的运转周期又有了较大幅度的延长，这就证明了这一技术改造是成功的。

2.2 密封圈泄漏原因分析及改进

从该泵填料函的设计结构 （见图3）来看，密封圈的主要作用是密封冲洗油，密封圈的材质为四氟材料。密封圈泄漏不仅会使冲洗油外泄引发火灾，同时填料也失去了冲洗和冷却润滑作用，因此保证密封圈的使用寿命和可靠性至关重要。

图2 TFA填料和混编填料组合

图3 O形圈密封

针对该泵冲洗油密封圈因材质问题而导致的泄漏，迫切需要对O形圈材质进行升级。O形密封圈失效的主要原因在于煤液化用循环供氢溶剂作为冲洗油有着较强的腐蚀性和溶蚀性，该泵原设计中的四氟材料不能抵抗冲洗油的腐蚀和溶蚀，致使O形圈的密封失效。因此需要寻找一种耐腐蚀性能好的O形圈材料，确保该材料不会在实际循环供氢溶剂冲洗油的工况下被溶蚀，且在腐蚀性介质的长期作用下具有较强的抗腐蚀性、耐冲蚀性和良好的热稳定性。通过对各种O形圈材质特性进行比较分析可知，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，并能较容易地模压成各种形状的产品。通过对氟橡胶材料特性的研究，发现经过预处理的过氟橡胶具有优异的耐溶剂性和耐热性，且表面没有渗透、开裂和针孔现象，尤其是由一些专业公司生产的过氟橡胶 （GFF4）有着卓越的稳定性和对溶剂油优异的耐蚀性。于是通过更换这种经过预处理的过氟橡胶O形圈，有效地解决了O形圈的密封失效问题。

2.3 泵体的改进措施

2.3.1 泵阀组结构分析及改进

泵阀作为往复泵中的关键部件，其工作性能的好坏，直接影响着泵的性能及可靠性。本文所述的高温高压冲洗油泵出入口的阀组选用的是球阀。由于泵和阀组在运行过程中整体振动较大，因此存在泵盖垫片易泄漏、阀组垫片易冲蚀等问题。根据该泵在运行过程中液力端存在的故障和对各种泵阀的性能与特性进行比较，拟对泵阀重新选型并进行相应的改进。泵阀的类型一般有盘型阀和球阀，盘型阀又可分为平板阀和锥形阀。球阀结构简单，拆装方便，互换性强，适合于悬浮液等介质。阀球在启、闭过程中伴有旋转运动，因此其磨损均匀。阀球及其密封接触表面粘附的杂质易被清除，具有所谓的 “自洁”作用，所以密封性能好。球阀阀隙流道较平滑，流体阻力小，适合于输送黏度较高的液体。平板阀广泛应用于输送常温清水或类似于清水的介质，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，阀板刚度较大，不论介质黏度高低都比较适宜，通常多用于高压和超高压泵上。阀的下部带有导向套，下部设计为翼型的导向锥形阀，便于减轻阀重，增加流通能力。从以上特性分析来看，采用球阀作为阀组非常适合于悬浮液介质、杂质或输送黏度较高的液体。但对于该泵，运行的高温冲洗液介质较干净，因此锥形阀相对于球阀更具有优势。锥形阀的流量系数大，水阻力小，过流能力强。此外，锥形阀相对于球阀体积更小，重量较轻，密闭性能更好，不论介质黏度高低都比较适宜。必须注意，阀的撞击力大小与泵阀的设计选型有着很大的关系。阀的升程过高，泵阀落到阀座上时就会产生较大的撞击力。因此，要从根本上解决泵运行振动大、噪音大和泵盖垫片频发泄漏问题，就必须改变原泵中入口阀的结构，即将原来的球阀改为锥形阀。经过某厂家重新测绘和核算后，设计了新的锥形阀组 （见图 4）。新的锥形阀组应用在该泵上，运行时泵体的振动明显减小，泄漏故障率也明显降低。

2.3.2 泵阀组垫片的泄漏分析及改进

该泵阀座垫片原设计为缠绕垫，在复杂苛刻的工况下，泵阀组承受着比较大的交变冲击载荷，阀与阀座之间极易泄漏，且泄漏后不仅造成泵的压力波动和不上量，而且由于介质泄漏，还造成了泵体的严重冲蚀。泵体和阀座被冲蚀后只能外委加工，需要对缸体的密封面和阀座密封面进行激光熔覆修复处理，这就会严重影响装置的正常生产。

图4 阀组改进前后对比

结合其它泵的设计经验，考虑将单向阀密封垫改用经退火后的紫铜垫。经过试用发现，退火后的紫铜垫虽然比缠绕垫有着较好的致密性，但高温密封性能较差，且高温强度不足，在冲击载荷下极易发生泄漏，无法保证泵的稳定运行。经过研究分析，考虑将阀座密封垫改为齿形金属垫。这种齿形金属垫是用精密车床在不锈钢平垫片两面加工出同心的沟槽而制成的，根据不同的介质，可选择柔性石墨、PTFE或其它一些软金属粘贴在垫片的两面。这种齿形组合垫尤其适合于高温、高压工况条件和交变压力的场合，它在较低的预紧力下能可靠、紧密地结合，即使在极高的载荷下也能保证密封性能，并保护金属面不被损伤。泵体垫片改用齿形垫后，再未发生介质对泵体的冲蚀现象。

2.3.3 泵盖螺栓拆卸困难及断裂问题的改进措施

用载丝螺栓压紧泵盖密封垫也存在一些问题。泵体经高温后载丝螺栓难以从泵体中取出，且时常会发生断裂，因此经常需上车床加工。分析泵盖螺栓断裂的原因主要是疲劳破坏，即螺栓在长期的交变载荷和阀组的冲击载荷下，螺栓发生疲劳断裂。针对该泵盖垫片泄漏、高温载丝螺栓难以拆卸和频繁断裂的问题，采取了改进措施，将泵盖单头螺栓改为双头高强度螺栓，并在螺母处增加预紧弹簧来提高螺栓对泵盖垫片的预紧力，同时防止螺栓松动。除此之外，在安装时，用力矩扳手按照设计提供的预紧力进行紧固，并在泵体预热后及启泵前对泵盖螺栓进行热紧。通过以上改造，解决了泵盖螺栓拆卸困难及断裂的问题。

3 加强检修质量控制和设备维护管理

3.1 严格管控填料的安装质量

高压往复泵的稳定运行除了受结构设计的影响外，安装和运行维护也对延长填料使用寿命起着很大的作用。因此对填料的安装提出如下的要求。

（1）填料安装前，要将填料函和填料表面的污垢清理干净，对填料的几何尺寸和质量进行细致检查。

（2）填料安装时，要注意安装顺序，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，每层填料需按要求错开角度。

（3）填料安装时要注意冲洗油在填料函内的流程畅通，以避免安装后冲洗油的通道发生阻塞，同时要保证柱塞找正的精度，以防止偏磨。

（4）填料压紧螺母的预紧力应当适中，这主要是根据实际安装经验和泵运行后的状况来调整，可允许填料有微量的泄漏，以保证其对填料的润滑。

3.2 加强设备的维护管理

（1）要合理地对高、低压填料压紧螺母进行紧固作业。要经常检查填料泄漏状况和冲洗油回油压力的变化，对高、低压填料压紧螺母进行紧固作业。根据填料泄漏情况进行适当的紧固，但不可一次调整过大。预紧力较大时，也会造成填料磨损加剧而发生泄漏。

（2）保证冲洗液畅通，使填料能得到充分有效地冲洗、冷却和润滑。在高压往复泵中，冲洗液对填料的运行效果及使用寿命起着至关重要的作用。因为冲洗液不仅可以冲洗杂质，同时也起到冷却降温、对填料与柱塞的摩擦进行充分润滑的作用。所以要经常检查冲洗油的流量和温度变化，观察填料的运行效果，定期清洗冲洗油过滤器，以防止冲洗油管路堵塞。

3.3 规范泵的检修作业

（1)在安装泵体螺栓时，要严格按照拧紧顺序用力矩扳手进行紧固，以防止紧偏以及预紧力不够和过度的情况发生。

（2)在泵体预热过程中及启动前，要对泵盖螺栓进行热紧。

4 结束语

（1）填料组合经过改进后，泵的运转周期由原来的20天延长至连续稳定运行60天以上。O形圈材质升级为GFF4后，再没发生过因溶剂油腐蚀导致冲洗油泄漏而停机的故障。

（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齿形垫后，未发生对泵体的冲蚀。将泵盖单头螺栓改为双头高强度螺栓，并在螺母处增加预紧弹簧后，有效地解决了泵盖处泄漏和螺栓断裂的问题。

（3）阀组结构型式的设计改进解决了原泵阀故障频繁的问题，有效地延长了泵的运行周期。

（4）对泵的运行和检修维护进行了规范，也使泵的运行周期得到了有效的延伸。

[1]胡国帧，石流，阎家宾.化工密封技术 [M].北京：化学工业出版社，1990.

[2]往复泵设计编写组.往复泵设计 [M].北京：机械工业出版社，1987.

[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，2005，26（5）：38-41.

[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，2007，25（5）：9-12.

[5]叶永彪，朱永有，王龙龙.往复泵泵阀失效分析 [J].通用机械，2006（2）：25-26.

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，高级工程师。鄂尔多斯市，017209。