趙 雄,劉 榮,劉萬(wàn)軍,陳海平,于海洋
(中廣核太陽(yáng)能德令哈有限公司,青海德令哈 817000)
槽式光熱電站導(dǎo)熱油循環(huán)泵為動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)核心設(shè)備,該類(lèi)型泵輸送介質(zhì)溫度高,且介質(zhì)具有較強(qiáng)滲透性及低腐蝕性,該類(lèi)型泵所配置機(jī)械密封及循環(huán)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)屬于適配期,無(wú)成熟穩(wěn)定的實(shí)際應(yīng)用范例。目前國(guó)內(nèi)廣泛用于導(dǎo)熱油輸送的離心泵,其運(yùn)行溫度均在200 ℃左右,而槽式光熱電站配用離心式導(dǎo)熱油輸送泵運(yùn)行設(shè)計(jì)溫度最高達(dá)293 ℃,因此對(duì)泵所配置機(jī)械密封及附屬系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的要求更為嚴(yán)苛。因槽式光熱電站導(dǎo)熱油循環(huán)泵運(yùn)行工況的特殊性,該類(lèi)型泵配置集裝式雙端面機(jī)械密封,根據(jù)兩年多現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì),機(jī)械密封運(yùn)行中故障頻率高、運(yùn)行周期短等問(wèn)題突出。針對(duì)運(yùn)行、檢修中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析,制定相應(yīng)的改進(jìn)方案及預(yù)控措施,使機(jī)械密封達(dá)到正常使用壽命。
導(dǎo)熱油循環(huán)泵屬單級(jí)、臥式、中心線支撐離心泵,用于導(dǎo)熱油(聯(lián)苯-聯(lián)苯醚)的輸送,葉輪為徑向、閉式葉輪,泵體與轉(zhuǎn)動(dòng)部分采用集裝串聯(lián)雙端面機(jī)械密封,泵蓋配置冷卻腔,對(duì)軸密封腔體進(jìn)行冷卻,防止介質(zhì)在機(jī)械密封附近發(fā)生汽化。導(dǎo)熱油循環(huán)泵運(yùn)行最高流量3001.5 m3/h,揚(yáng)程305 m,最高轉(zhuǎn)速2012 r/min,介質(zhì)運(yùn)行溫度293 ℃。
該泵采用的集裝串聯(lián)雙端面機(jī)械密封的原理與單端面機(jī)械密封原理基本相同,都是靠垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面(摩擦副)在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力的作用以及輔助密封的配合下、保持貼合并相對(duì)滑動(dòng)而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置(圖1)。工作時(shí),在流體壓力(介質(zhì)壓力)和彈性元件的彈力等合力的作用下,在密封環(huán)的端面產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)膲壕o力,使兩個(gè)接觸端面(動(dòng)環(huán)、靜環(huán)端面)相互緊密貼合,并在兩端面間維持液膜,達(dá)到密封的目的。雙端面機(jī)械密封有兩道端面密封,若一級(jí)密封失效,二級(jí)密封仍然可密封防止泄漏。配置一套外置循環(huán)系統(tǒng),向密封腔內(nèi)引入封液進(jìn)行堵封、潤(rùn)滑和冷卻,循環(huán)液同樣使用導(dǎo)熱油,用于沖洗、冷卻摩擦副,改善機(jī)械密封工作環(huán)境,同時(shí)作為一級(jí)密封面是否失效的重要檢測(cè)手段[1]。
圖1 串聯(lián)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)
雙端面機(jī)械密封由兩套摩擦副串聯(lián)布置,機(jī)封冷卻循環(huán)系統(tǒng)的壓力一般比一級(jí)密封前的壓力高0.01~0.03 MPa,循環(huán)液設(shè)計(jì)流量15 L/min。當(dāng)一級(jí)密封泄漏時(shí),循環(huán)液會(huì)進(jìn)入泵內(nèi),確保泵內(nèi)介質(zhì)不會(huì)外泄。由于循環(huán)液進(jìn)入泵內(nèi),循環(huán)液系統(tǒng)壓力、液位均降低,可以實(shí)現(xiàn)密封的泄漏監(jiān)測(cè)和報(bào)警。串聯(lián)式機(jī)械密封布置方式使密封腔的壓力逐級(jí)降低,介質(zhì)外漏量減少。一級(jí)密封采用波紋管連接,可補(bǔ)償及緩沖動(dòng)環(huán)因磨損、軸向串量及振動(dòng)等原因產(chǎn)生的軸向位移,同時(shí)動(dòng)環(huán)隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)時(shí)使密封面產(chǎn)生一定的比壓。
電站配置的3 臺(tái)導(dǎo)熱油循環(huán)泵投運(yùn)第一年,連續(xù)8 次因機(jī)械密封失效發(fā)生泄漏使設(shè)備退出運(yùn)行,機(jī)械密封最短運(yùn)行周期甚至未超過(guò)1 個(gè)月,對(duì)電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成較大影響。
2.1.1 內(nèi)漏
(1)機(jī)械密封增壓缸活塞升起,無(wú)法判斷增壓缸液位,需人工頻繁啟動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)維持。機(jī)械密封增壓缸內(nèi)液位無(wú)法維持,說(shuō)明機(jī)封一級(jí)密封摩擦副已失效發(fā)生微量?jī)?nèi)漏,增壓缸內(nèi)循環(huán)液流入泵內(nèi)使增壓缸液位下降,需頻繁補(bǔ)液維持。
(2)在機(jī)封冷卻系統(tǒng)投運(yùn)正常工況下,機(jī)封循環(huán)液溫度逐漸升高,達(dá)到機(jī)封最高運(yùn)行設(shè)定溫度(保護(hù)動(dòng)作值80 ℃)。該現(xiàn)象說(shuō)明一級(jí)密封摩擦副失效泄漏量已達(dá)到較嚴(yán)重程度,泵內(nèi)高溫導(dǎo)熱油外泄至機(jī)封循環(huán)液腔室內(nèi),超過(guò)機(jī)封循環(huán)液冷卻系統(tǒng)負(fù)載而達(dá)到溫度限值。
(3)機(jī)封循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行壓力不正常下降或與泵入口壓力一致。正常工況下機(jī)封循環(huán)液壓力高于泵入口壓力0.01~0.03 MPa,在機(jī)封摩擦副失效泄漏的情況下,循環(huán)液與泵入口壓差則無(wú)法維持,壓力呈非正常下降趨勢(shì)。
(4)機(jī)封配套循環(huán)系統(tǒng)流量達(dá)不到設(shè)計(jì)水平(設(shè)計(jì)流量15 L/min),且流量波動(dòng)較大。機(jī)械密封摩擦副失效情況下,由于增壓缸液位無(wú)法維持,機(jī)封循環(huán)泵發(fā)生汽蝕,引起流量的波動(dòng)。
2.1.2 外漏
(1)導(dǎo)熱油循環(huán)泵軸端有導(dǎo)熱油或油氣外泄現(xiàn)象。在二級(jí)密封摩擦副失效工況下,系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)熱油延軸端泄漏或機(jī)封檢漏系統(tǒng)排液管路不斷有導(dǎo)熱油漏出。
(2)機(jī)封循環(huán)系統(tǒng)壓力低于泵入口壓力。二級(jí)密封摩擦副失效漏量大,則會(huì)使循環(huán)液系統(tǒng)壓力無(wú)法維持,甚至低于泵入口壓力。
(1)泵運(yùn)行工況變化引起振動(dòng)增大。泵運(yùn)行中由于汽蝕、入口流量不足等非正常運(yùn)行工況,造成泵軸向推力變大或軸向位移變化,致使動(dòng)環(huán)、靜環(huán)密封面出現(xiàn)擠壓、碰撞,密封面碳化硅損傷[2]。
(2)機(jī)械密封制造設(shè)計(jì)因素。機(jī)械密封運(yùn)行中局部卡澀,摩擦副、波紋管等部件發(fā)生傾斜,造成摩擦副損壞及波紋管局部開(kāi)焊及拉裂現(xiàn)象。另外,波紋管是由數(shù)層膜片焊接而成,膜片剛度及應(yīng)力能否滿足設(shè)計(jì)要求對(duì)其使用壽命至關(guān)重要,結(jié)合機(jī)械密封解體檢查情況,波紋管開(kāi)焊、破裂缺陷是密封失效的一個(gè)重要因素。
(3)機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。根據(jù)運(yùn)行中機(jī)封循環(huán)泵存在不規(guī)律異聲,運(yùn)行流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的情況,可判斷機(jī)封循環(huán)泵存在設(shè)計(jì)及選型缺陷,致使機(jī)封冷卻、潤(rùn)滑不足,加劇密封失效。
(4)安裝機(jī)械密封工藝存在偏差。檢修安裝機(jī)械密封定位不準(zhǔn)確,形成較大的壓縮量造成摩擦副密封面磨損加劇。同時(shí),泵與電機(jī)聯(lián)軸器中心偏差大,泵兩側(cè)徑向滑動(dòng)軸承磨損導(dǎo)致中心偏移等因素均會(huì)影響機(jī)械密封的使用壽命[3]。
導(dǎo)熱油循環(huán)泵為單級(jí)離心泵,輸送介質(zhì)為高溫導(dǎo)熱油,運(yùn)行中會(huì)存在一定的汽蝕現(xiàn)象引起泵體振動(dòng);泵啟動(dòng)初期,泵體各部由于受熱不均產(chǎn)生振動(dòng)情況也較為明顯。由于機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)密封面材質(zhì)為碳化硅,泵振動(dòng)會(huì)造成碳化硅結(jié)合面的沖擊破損,引起機(jī)械密封泄漏,故泵啟動(dòng)前應(yīng)充分進(jìn)行暖泵、排氣等操作,泵運(yùn)行中加強(qiáng)對(duì)濾網(wǎng)前后差壓的關(guān)注,防止泵及管路系統(tǒng)運(yùn)行中振動(dòng)。運(yùn)行中加強(qiáng)對(duì)機(jī)械密封各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)督,重點(diǎn)關(guān)注機(jī)封溫度,機(jī)封循環(huán)裝置流量、壓力等參數(shù),規(guī)范機(jī)封循環(huán)系統(tǒng)增壓罐補(bǔ)液操作,防止監(jiān)控不到位導(dǎo)致的機(jī)封損壞[4]。
在解體故障機(jī)械密封過(guò)程中發(fā)現(xiàn)機(jī)封內(nèi)波紋管密封卡澀偏斜導(dǎo)致機(jī)封內(nèi)漏。由于卡澀偏斜受力不均等因素造成波紋管產(chǎn)生裂紋(一部分是波紋管本身存在質(zhì)量問(wèn)題),對(duì)此,由設(shè)備制造廠家對(duì)波紋管與機(jī)械密封連接部位進(jìn)行了優(yōu)化改造,消除了機(jī)械密封內(nèi)部卡澀補(bǔ)償量不足的問(wèn)題。同時(shí),機(jī)械密封使用波紋管基本依靠國(guó)外進(jìn)口(國(guó)內(nèi)有少量生產(chǎn)廠家),在機(jī)械密封修復(fù)過(guò)程中,對(duì)國(guó)外某公司生產(chǎn)波紋管與國(guó)產(chǎn)波紋管進(jìn)行對(duì)比使用,由于焊接工藝方面差異,進(jìn)口配件使用壽命明顯優(yōu)于國(guó)產(chǎn)配件,從安全性能方面考慮建議機(jī)封修復(fù)盡量使用進(jìn)口原廠配件。
機(jī)封外置冷卻循環(huán)系統(tǒng)配置2 臺(tái)磁力泵(1 用1 備),運(yùn)行初期流量在5~8 L/min(設(shè)計(jì)15 L/min),未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,對(duì)機(jī)械密封摩擦副的冷卻潤(rùn)滑效果不良。經(jīng)對(duì)磁力泵加裝變頻器改造后,機(jī)封循環(huán)泵流量逐步達(dá)到15 L/min,機(jī)械密封超溫現(xiàn)象得到一定改善。但在運(yùn)行中又發(fā)現(xiàn)增壓罐補(bǔ)液系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定,存在機(jī)封循環(huán)系統(tǒng)流量不穩(wěn)定、壓力波動(dòng)等因素,對(duì)機(jī)械密封使用壽命造成一定影響,通過(guò)調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)排氣方式,減少磁力泵內(nèi)部汽蝕的方式使該問(wèn)題得以解決。
機(jī)械密封檢修安裝過(guò)程嚴(yán)格執(zhí)行檢修工序工藝,對(duì)泵聯(lián)軸器中心、軸承間隙、機(jī)械密封定位等工序嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)控制,防止由于檢修安裝工藝不良導(dǎo)致的機(jī)封壽命縮短。
針對(duì)導(dǎo)熱油循環(huán)泵集裝機(jī)械密封運(yùn)行中頻繁發(fā)生密封失效的問(wèn)題,通過(guò)提高運(yùn)行工況穩(wěn)定性,對(duì)機(jī)封內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),優(yōu)化機(jī)封冷卻循環(huán)系統(tǒng),提高檢修工藝水平等一系列措施,該類(lèi)故障近1 年內(nèi)僅出現(xiàn)一次,達(dá)到設(shè)備使用正常水平,使設(shè)備運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性得到有效保障。