水煤浆气化激冷水泵机械密封泄漏原因分析及对策

高海松，郑 军

(中石化齐鲁分公司第二化肥厂，山东淄博 255400)

1 激冷水泵工艺流程

水煤浆和氧气经德士古烧嘴充分混合雾化后进入气化炉燃烧室，在约1 400 ℃条件下进行气化反应，生成以CO和H2为有效成分的粗合成气，粗合成气和熔融灰渣一起向下，经均布激冷水的激冷环，沿下降管进入激冷室的水浴中。激冷水泵从洗涤塔中抽取黑水送至气化炉激冷环和文丘里洗涤器，激冷水(7.2 MPa，248 ℃，156.8 t/h)经激冷水过滤器滤去可能堵塞激冷环的固体颗粒，然后送入位于下降管上部的激冷环，激冷水呈螺旋状沿下降管的管壁流下，进入激冷室。从激冷室出来的合成气进入文丘里洗涤器，与从激冷水泵来的洗涤塔黑水混合，使合成气夹带的固体颗粒完全湿润，以便在洗涤塔内能彻底脱除。激冷水泵工艺流程见图1。

图1 激冷水泵工艺流程

激冷水泵的运行状态将会直接影响气化炉的安全运行。2008年10月24日煤气化装置开车以来，共发生2次因激冷水泵出现问题而导致的气化炉停车事故，其中一次是因为机械密封泄漏量太大。由于激冷水中含灰渣较多，当运行泵出现问题需要启动备用泵时，备用泵入口管线内的灰渣就会进入激冷环，导致激冷环压差升高，其后果就是激冷水水量受限，气化炉无法高负荷运行。若管道有结垢的情况，则故障泵出入口切断阀关不严，可能导致故障泵不能安全切出检修，最终结果是气化炉被迫停车。因此，激冷水泵的安全稳定运行成为制约气化炉长周期运行的瓶颈。

2 机械密封简介

机械密封是一种旋转轴用的接触式动密封，其在流体介质和弹性元件的作用下，2个垂直于轴心线的密封端面紧贴着相对旋转，从而达到密封的效果。其优点是密封性能可靠、泄漏量极小、摩擦功率损耗小、工作状况稳定、缓冲性好、使用周期长以及使用范围广，可适用于多种工况；其缺点是结构复杂、制造精度高、装配要求高、维修不方便以及价格高。通用离心泵机械密封种类繁多，型号各异，但它们的泄漏都表现在制造质量不好、安装质量不稳定、工艺操作不当及工况的改变等[1]。机械密封泄漏点主要有五处：轴套与轴间的密封处，动环与轴套间的密封处，摩擦副即动、静环间的密封处，对静环与静环座间的密封处，密封端盖与泵体间的密封处[2-3]。

机械密封主要元件结构示意见图2，机械密封的泄漏与它们的运行状态有关系。

图2 机械密封主要元件结构示意

机械密封的故障主要表现在以下几个方面：①密封端面的故障，如磨损和热裂等；②弹簧的故障，如松弛、断裂和腐蚀等；③辅助密封圈的故障，如有裂口、碰伤、变形、硬化和变质等；④间隙配合不好。

3 激冷水泵机械密封泄漏原因分析

3.1 工艺及操作方面的原因

3.1.1 设计原因

在气化炉投料前，洗涤塔压力要求小于0.4 MPa(一般为了一次投料成功压力都控制在0.1 MPa 以下)，但从除氧器经洗涤塔给料泵补至洗涤塔的高压灰水温度达到了120 ℃。由于高压灰水饱和蒸汽压大于泵入口压力，进入洗涤塔的高压灰水就不可避免地发生汽蚀，对泵体尤其是机械密封造成严重损害。另外，为了保证系统中氧体积分数低于0.5%，投料之前需要对系统进行氮气置换。当洗涤塔液位过高时，充入的大量氮气无法进行有效分离，会造成塔内冷水夹带大量气泡。

3.1.2 操作原因

激冷水泵检修后，其机械密封寿命不长，甚至有一次气化炉刚投料完成就发生较大量的泄漏(使用寿命仅2 h)。这与投用时的操作密切相关，主要表现在以下方面：①密封水阀、泵入口阀的打开顺序不正确。正确的顺序是首先打开泵体排气阀，然后投用密封水阀，最后打开泵入口阀。由于该泵操作时一般约4人共同完成，在没有统一的指挥时，常会发生密封水阀还未开而泵入口阀已打开的情况，导致约 240 ℃的激冷水进入机械密封腔体，损坏辅助密封；再加上激冷水中固含量高，泵运行时加剧摩擦副的磨损，导致机械密封短期失效。②阀门开得太快、开度太大。在此情况下，因泵内还没有压力，大量高压密封水直接冲入密封腔体，摩擦副端面脱开，损坏机械密封，此类事故也曾有发生。③由于原始设计机械密封冲洗水管线缺少流量计，操作人员投用机械密封冲洗水时没有一个定量的概念。当冲洗水量不足时，摩擦副长期运行后发生磨损而造成泄漏。

3.2 泵体方面原因

3.2.1 暖泵线故障

由于激冷水温度高，之前暖泵线经常堵塞，造成备用泵自启时不能充分暖泵，泵部件在温度急剧升高的情况下产生裂纹，从而引起泵体振动过大，最终结果就是造成密封损坏。

3.2.2 泵振动过大

动平衡不良、轴承损坏、摩擦、汽蚀、基础松动等原因都可能引起泵体振动过大，过大的振动不可避免地会对机械密封使用造成不良影响。

3.3 密封质量原因

激冷水泵采用单端面高压机械密封，有几次故障后，拆卸集装式机械密封，发现聚四氟乙烯环有高温磨损现象。

4 机械密封失效对策

4.1 改进操作方法

正常生产时，除氧器至洗涤塔的水温在125 ℃左右，尽可能降低洗涤塔的温度是最好、最直接的方法。除氧器的热源主要有脱盐水和净化装置来的低压冷凝液，但是为了保证净化装置液位的稳定和环保的要求，低压冷凝液已基本不再调节，而且为了保障系统水质，精制水不宜减少。经协商，决定在气化炉投料时采用高压灰水泵提供的事故激冷水进行开车，当系统压力升高到0.2 MPa后再启动激冷水泵，从根源上消除了泵汽蚀的可能。

4.2 严格按照操作规程操作

在开泵前，先打开排气阀，再打开密封冲洗水阀，并控制密封水压高于入口压力0.05 MPa，最后打开泵入口阀。

4.3 暖泵线改造

激冷水泵的暖泵线是泵出口单向阀跨线。该跨线设计采用DN 25 mm管线且弯头较多，由于黑水中灰渣较多，暖泵线极易堵塞而造成备用泵不热备。若泵因故自启，泵体部件如导叶、衬板、叶轮等会因热应力产生损坏，由此产生的过大振动会对机械密封造成致命损坏。技术人员对暖泵线实施了改造，一方面减少暖泵线的长度并减少弯头数；另一方面在暖泵线上增加中压锅炉水作为冲洗水，当暖泵线堵塞时，打开冲洗水进行疏通，可保证备用泵时刻处于备用状态。

4.4 机械密封改进

因机械密封聚四氟乙烯环有高温磨损现象而造成密封失效，与密封生产厂家沟通后进行改造。现采用耐温300 ℃的全氟醚O形密封圈代替聚四氟乙烯环。

4.5 机械密封冲洗水管线增加流量计

在机械密封冲洗水切断阀后增加了转子流量计，操作时控制冲洗水量在1.0～1.5 m3/h，避免冲洗水量太小而失去冲洗效果。

5 结语

煤气化激冷水泵机械密封泄漏的原因是多方面的，要解决这个生产难题不仅要从机械密封本身查找原因，更要从其所处的工艺条件着手，另外操作问题、检修质量也会对其造成一定影响。只有不断在实践中发现问题、总结经验，才能找到机械密封失效的原因，从而采取有效的措施解决问题，保障激冷水泵的安全、可靠运行。

参考文献

[1] 顾中华.4112-P3激冷水泵机械密封失效原因分析及对策[J].机械，2009，36(9)：74- 77.

[2] 彭德迟，余良旺.水泵机械密封失效分析及对策[J].给水排水，2006，32(5)：90- 92.

[3] 王彦海，周夏.离心式热氨泵机械密封失效原因分析及改造措施[J].化肥工业，2008，35(2)：62- 63.