基于可靠性的GSB-L1型立式高速泵维护探讨

焦 峰

(浙江石油化工有限公司，浙江 舟山 316000)

某公司是100×104t/a乙烯装置的配套下游工厂。该工厂生产装置中在2个位置使用了GSB-L1型立式高速泵。该型号泵自2010年运行以来，密封、齿轮多次出现故障。为了降低GSB-L1高速泵的维修频率，增加设备的可靠性，文中从密封改型和齿轮箱的可靠性维护着手，探讨解决方案[1-2]。

1 GSB-L1型立式高速泵概况

1.1 使用工况

苯乙酮反应器进料增压泵位号P762(1开1备，共2台)，型号为GSB-L1-59/324，转速为8 499 r/min。输送介质为苯乙酮，介质密度为865 kg/m3，温度为76 ℃，正常质量流量为53.3 kg/h，进口压力为0.12 MPa，出口压力为2.8 MPa。

减温减压器入口凝液增压泵位号P919(1开1备，共2台)，型号为GSB-L1-55/353，工作转速为8 499 r/min。输送介质为蒸汽凝液，介质密度为932 kg/m3，温度为143 ℃，质量流量43.5 kg/h，进口压力2.7 MPa，出口压力5.9 MPa。

1.2 结构特点[3]

GSB-L1型立式高速泵主要由电机、联轴器、增速箱、油冷却器、油过滤器、泵体及相关管路等构成，见图1。电机通过支座固定到泵上，电机转速2 980 r/min，通过两级齿轮增速，高速轴转速达到8 499 r/min。叶轮布置在增速箱高速轴上，增速箱内布置3根轴和2个油封。3根轴分别为低速轴、中速轴和高速轴，2个油封分别为增速箱上部的骨架密封和下部的机械密封。高速泵通过内部油管路将齿轮泵输出的润滑油强制注入到轴承和齿轮进行润滑。

图1 GSB-L1型立式高速泵结构示图

2 GSB-L1型立式高速泵主要问题

2.1 机械密封泄漏

P919泵出口压力高达5.9 MPa，密封使用环境苛刻。自2010年投用以来故障频率较高，9 a共更换泄漏密封26次，平均每套密封的寿命只有8个月，远低于机械密封平均3 a的使用寿命。典型故障为，机械密封发生滴漏后，1周左右会发展为连续泄漏，泵内介质蒸汽凝液从密封检漏管内连续喷出。每次发生密封泄漏后，必须停泵检修更换密封。发生泄漏的机械密封静环表面情况见图2。

图2 GSB-L1型立式高速泵泄漏密封静环

2.2 齿轮箱异常振动

GSB-L1型立式高速泵在运行过程中经常出现短时间内振动速度突然升高的现象。如巡检人员定点检测运行泵齿轮箱振动速度值，第1天振动速度值0.8 mm/s,第2天振动速度值1.8 mm/s，第3天振动速度值超过6 mm/s。发现振动速度值升高后，使用振动频谱检测仪检测，振动速度峰值在多倍频，但峰值频率频繁波动，基本没有规律。当齿轮箱振动速度值高于6 mm/s后，必须及时停泵检修。曾因为2 d后停泵，齿轮箱齿轮发生崩齿事故。齿轮箱拆检图见图3，本次拆检中发现滚动轴承中球形滚动体发生剥离、生锈。

图3 GSB-L1型立式高速泵齿轮箱拆检图

3 机械密封泄漏分析与处理方案

3.1 密封结构分析

GSB-L1型立式高速泵介质密封为机械密封，主要由动环、静环、弹性元件、辅助密封件和回转构件组成[4]，见图4。

1.动环 2.静环 3.卡环 4.O型圈 5.挡圈 6.弹簧座组件 7.弹簧

密封弹性元件通常采用弹簧或者波纹管，辅助密封件通常为O型圈，回转构件的主要作用是连接轴并带动动环一起旋转。当密封腔充满介质后，机械密封可能泄漏的位置为动环、静环组成的主密封端面，辅助密封件O型圈(O型密封圈宏观上静止，微观上一直在补偿动环振动引起的位置变化，是动环追随性好坏的关键)，轴和轴套静密封，静环和静环座静密封以及静环座和机泵间的静密封[5]。

3.2 密封可靠性分析

检修记录表明，GSB-L1型立式高速泵发生静密封泄漏的情况极少。因此，文中对故障率高的密封动环、密封静环和辅助密封件进行可靠性分析。由图2泄漏密封静环看到，在动环和静环接触面外围有很多径向冲刷槽，因此可以排除密封制造、安装损坏问题。下文从密封热量角度，分析是否是使用环境不合适导致的密封失效[6]。

机械密封正常工作时，轴向压力使动环、静环在相对转动过程中产生摩擦热，密封附件会对介质产生搅拌效果，并形成搅拌热。机械密封的热量平衡方程为[7]：

QF+QA+QB+Qmi=Q1+Q2+Q3+Qmo

(1)

式中，QF为动、静环的摩擦热，QA为旋转元件的搅拌热，QB为辅助元件振动、摩擦产生的热量，Qmi为介质和外围环境传入的热量，Q1为传递给介质和冲洗液(若有)的热量，Q2为动、静环传递给周围环境的热量，Q3为通过轴传递出的热量，Qmo为介质带走和传出到外围环境的热量，W。

对式(1)简化计算，考虑密封正常运行时QB很小，认为QB=0；考虑空气的传热系数低，认为Q2=0；考虑转轴基本没有接触外围环境，认为Q3=0；稳态下可以认为Qmi=Qmo，则式(1)可写为：

QF+QA=Q1

(2)

机械密封采用强制循环冷却，QA会及时被冷却液带走。而QF需要通过密封静环、动环的热传导和热对流传递给Q1。

机泵在启动、停止阶段密封发生干摩擦，时间较短。机泵正常运行时，机械密封的摩擦副为边界摩擦状态，其QF可用下式计算。

QF=fπdmbpcv

(3)

其中

dm=(D1+D2)/2b=(D2-D1)/2v=(πdmn)/2

式中，f为密封接触面的摩擦因素，结合P919工况，取0.15；dm为密封面平均直径，D1、D2为密封接触面的内、外径，b为密封面的宽度，m；pc为密封面比压，Pa；v为动、静环接触端面的平均速度，m/s；n为轴转速，r/min。

P919机械密封处的轴径为25 mm，将密封尺寸参数带入式(3)，得到QF为10.88 W。摩擦热QF通过密封静环、动环的热传导和热对流传递给外部环境。为了分析机泵正常运行时机械密封副的表面温度，文中采用ANSYS软件，对机械密封动环、静环进行建模，其材料参数见表1。

表1 动、静环材料参数

静环导热系数低，但有冲洗介质冷却。动环导热系数高，但被143 ℃的工作介质包围。采用ANSYS进行的密封动、静环间稳态热分析表明，机泵正常工作时，密封副处的温度可以达到156 ℃。此温度相比动环的使用极限温度200 ℃有一定裕量。但是，假如冲洗介质温度高，或者由于泵送流量变化，容易导致动、静环间摩擦副温度高，发生动、静环因为摩擦副散热差而产生热裂纹的情况[8]。

3.3 密封泄漏解决方案

针对实际运行中密封副容易产生热裂纹问题，提出将PLAN21密封方案修改为PLAN23密封方案。PLAN21方案从泵的出口引入冲洗介质，经孔板、热交换器到达密封部位；PLAN23密封方案从密封腔引入冲洗介质，经热交换器到达密封部位。对于P919的工况，PLAN23密封系统靠热力循环冷却密封腔内介质，需要的换热量更小。

改进后的GSB-L1立式高速泵密封结构见图5。改型后的密封动、静环密封面周围介质温度低，解决了高温密封摩擦副的散热问题。经过一段运行观察，密封寿命满足要求。需要注意的是，密封冷却器介质侧依靠温差进行自然循环，在开泵前排净热交换器及管线内空气是十分必要的。

图5 改进后GSB-L1型立式高速泵密封结构示图

4 齿轮箱异常振动分析与处理方案

4.1 异常振动分析

P919、P762均为单级、单吸、立式高速泵，其齿轮箱均为两级增速结构。在齿轮箱工作期间，齿轮会产生啮合冲击，冲击力通过转轴和轴承传递到齿轮箱体上，导致齿轮箱振动。当冲击力过大时，会影响齿轮箱的对中性，加速齿轮的疲劳破坏[9]。针对齿轮箱异常振动涉及的主要故障现象，分析出了可能故障及故障原因，见表2。

表2 齿轮箱可能故障及故障原因

4.2 异常振动解决方案

4.2.1检修数据控制

检修过程中应严格执行检修方案，做好检修记录。首先检查联轴器对中情况，然后解体检查减速箱内各零部件的磨损、腐蚀和冲蚀程度，检查轴的弯曲度，最后检查转子的安装间隙值。必要时，检查转动齿轮轴的动平衡数据，以及润滑油过滤器、齿轮箱内的油泵、喷嘴情况等。具体检修控制数据见表3。

表3 立式高速泵检修控制数据

4.2.2工艺参数控制

GSB-L1型立式高速泵扬程高、流量低，在操作运行中需要平稳控制流量、压力及入口汽蚀余量等，避免由于工艺参数不合适，导致转子轴向力大或轴向力不稳定，加速齿面磨损[10]。解决泵送流量波动，可以在工艺流程中设置出口返回入口的流量控制阀，或者设置机械流量保护装置，如安全阀等。结合工艺特点及投资经济性，此工厂选择了在泵出口设置自动循环阀。当泵送流量低时，泵出口压力升高，循环阀打开，保证泵送流量稳定。

5 GSB-L1型立式高速泵故障预防性维护方案[11]

按故障库归类，在考虑故障可能性和故障影响的基础上，针对P919、P762高速泵的故障现象和故障机理提出的预防性维护建议见表4。

表4 P919、P762立式高速泵预防性维护建议

6 结语

对某化工企业在用的4台GSB-L1型立式高速泵故障进行分析。在统计、归类机泵检修数据基础上，针对故障频率较高的机械密封和齿轮箱，分析了失效原因，提出了改造方案和预防性维护方案。工厂实施改造方案和预防性维护方案后，此4台高速泵由之前平均6个月的故障检修，延长到平均1 a的预防性维护。通过推行基于可靠性的维护，提高了机泵连续运行的可靠性，同时也降低了检修费用。