催化剂喷雾往复式高压泵密封系的技术改进

杨宏涛

(中国石化催化剂有限公司齐鲁分公司，山东 淄博 255300)

卧式三柱塞往复式高压泵(以下简称高压泵)在FCC催化剂制备中用于催化剂装置的高压喷雾干燥工序，其主要作用是将催化剂胶体输送到干燥塔顶进行高压喷雾并干燥成型。高压泵在催化剂生产应用过程中有着流量压力平稳、维修容易、易损件容易加工、出口压力高等优点。

随着催化剂胶体的固含量的不断提高，高压泵喷雾压力也在不断提高，导致高压泵在运行过程中柱塞填料密封频繁泄漏，浪费物料，降低产品收率，污染生产环境。针对高压泵柱塞填料密封问题进行了原因分析和技术改进。

1 高压泵工作原理

高压泵是利用柱塞交替进行吸入和排出来达到输送催化剂胶体的目的。当柱塞从最左位置向右运动时，排出阀关闭，工作腔容积扩大，物料在吸入压力作用下，顶开进液阀，直到柱塞运动到右侧极限位置。反之柱塞从右向左运动，利用工作腔内压力，将进液阀关闭，随着柱塞向左推移，物料在柱塞的作用下将排液阀顶开，液体通过排出管排出，直到柱塞运动到左侧极限位置，如此周而复始持续运行。高压泵工作原理见图1。

注：1.排出管;2.排液阀;3.进液阀;4.进口管;5.工作腔;6.柱塞;7.柱塞杆;8.十字头;9.连杆;10.曲轴

2 高压泵柱塞填料密封系技术改进

高压泵柱塞填料密封泄漏的途径主要包括催化剂胶体通过填料本身的缝隙泄漏、通过填料与填料函内壁之间的缝隙泄漏、通过填料与柱塞之间的缝隙泄漏。

高压泵柱塞填料密封泄漏的主要原因是柱塞磨损和填料失效。经过分析，造成柱塞磨损和填料失效的主要原因是：(1)物料腐蚀；(2)物理磨损；(3)填料压盖预紧力不合适；(4)高压泵运行中维护不当。针对以上问题进行了技术改进。

2.1 高压泵柱塞填料密封结构及原理

高压泵采用主副双填料函密封结构，外供水进行强制冷却润滑，同时阻止带有SiO2硬质颗粒的催化剂胶体进入填料。主密封函两端安装主副导向套，中间安装7根填料；副填料函安装两端为压环，中间安装3根填料。通过压盖对填料施加轴向压紧力，使填料产生轴向压缩变形，同时产生对填料径向压紧力，使填料径向膨胀紧贴于填料函内壁和柱塞表面，阻止物料泄漏，是典型的软填料密封[1-2]，高压泵填料函结构见图2。

注：1.柱塞；2.主密封函体；3.垫环；4.主导向套；5.填料环；6.副导向套；7.副密封函体；8.压环；9.O型圈；10.主填料调节帽；11.垫环；12.副填料调节帽

3.3 高压泵柱塞填料密封技术改进

2.3.1 填料密封结构改进

填料柱塞密封泄漏的主要原因是柱塞腐蚀磨损和填料失效，从大量的检维修实例来看，安装在主填料函内侧端部的不锈钢垫环，在使用过程中柱塞由于重力作用造成偏心下垂，极易刮擦柱塞造成往复机械损伤，并且存在不锈钢垫环不耐酸腐蚀问题，垫环内表面腐蚀出沟槽或毛刺，表面不光滑，加剧了不锈钢垫环与柱塞之间的磨损，从而导致填料密封泄漏。主填料函填料密封结构图、不锈钢垫环如图3、图5所示。

注：1.芳纶填料；2.赤士盾填料

图3 主填料函填料密封结构图

图4 不锈钢垫环

针对密封结构存在的缺陷，对密封结构进行了技术改进。通过分析讨论，将密封结构中的不锈钢垫环去掉，采取调整导向套长度和填料环数的方案，即加长副导向套、填料环数不变的方案，从而调整零部件装配位置，优化密封结构。填料密封结构改进后，记录了改进前后年度的运行周期，填料密封的运行周期见表1。

表1 填料密封的运行周期

由表1可以看出，填料密封结构改进后，延长了高压泵柱塞填料密封的运行周期，减少了胶体泄漏，平均运行周期延长了26.4%，柱塞填料密封检维修成本降低了21.1%。

2.3.2 柱塞改进

为了解决柱塞腐蚀磨损问题，根据高压泵的工作条件，从柱塞材质方面进行改进。

高压泵目前所使用的的柱塞是由316L不锈钢制成，在催化剂生产中，带有SiO2硬质颗粒的催化剂胶体对316L不锈钢柱塞的磨损严重，因此寻求一种耐磨性更高的柱塞材质，是解决柱塞磨损问题的关键所在。

陶瓷材料是指用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。陶瓷材料中的结构陶瓷，主要用于制作结构零件。机械工业中的一些密封件、轴承、刀具、球阀、缸套等都是频繁经受摩擦而易磨损的零件，用金属和合金制造有时也是使用不了多久就会损坏，而先进的结构陶瓷零件极其耐磨。鉴于陶瓷的高耐磨性，选用了陶瓷柱塞，在催化剂生产中进行了工业试验，两种材质柱塞的使用寿命见表2。

表2 各种材质柱塞使用寿命表

由表3可以看出，在相同的工作条件下，陶瓷柱塞的使用寿命远远长于316L不锈钢柱塞的使用寿命。综合考虑材料的使用寿命和价格，选用陶瓷材料的柱塞性价比更高，陶瓷柱塞如图5所示。

图5 陶瓷柱塞

柱塞材质改进后，陶瓷柱塞的填料环组内壁光滑，芳纶填料和赤世盾填料内表面基本持平，而不锈钢柱塞的填料环组内壁磨损严重，且附着胶粒，芳纶填料和赤世盾填料内表面有着明显的高度差，可见陶瓷柱塞的表面光洁度消除了对填料环组的磨损，陶瓷柱塞表面粗糙度、填料环组磨损情况对比如图6、图7所示。

图6 陶瓷柱塞表面粗糙度

图7 填料环组磨损情况对比

根据检维修情况，统计了改进前后近三年的填料密封的运行周期，填料密封的运行周期见表3。

表3 填料密封的运行周期

由表3可以看出，柱塞材质改进后，柱塞不磨损，不但柱塞的使用寿命大大延长，同时尽最大可能发挥填料的使用价值，延长了柱塞填料密封的运行周期，2019年比2017年平均运行周期延长了16.8%，柱塞填料密封检维修成本明显降低。

3 结论

通过对往复式高压泵的填料密封结构和柱塞材质改进后，延长了高压泵柱塞填料密封的运行周期，明显延长了柱塞的使用寿命，降低了柱塞填料密封检维修费用，减少了胶体泄漏，提高了产品收率，增加了企业效益，陶瓷柱塞在同行业中值得进行推广应用。