Split-loop-reaktorin aksiaalipumpun mekaanisen tiivisteen kestoikäongelmien syiden tunnistaminen ja ratkaiseminen

Abstract

Diplomityön tavoitteena oli tunnistaa ja ratkaista Borealis Polymers Oy:n PE2 laitoksen split-loop-reaktorin aksiaalipumpun API PLAN 52 ja -53c mukaisesti toteutetun mekaanisen tiivisteen kestoikäongelmat. Tutkimus aloitettiin kirjallisuustutkimuksella aksiaalipumpuista ja mekaanisista tiivisteistä sekä niiden vaurioitumismuodoista. Heinäkuun 2019 ja huhtikuun 2020 tuotannon alasajoihin johtaneita tapahtumia ja vaurioita tutkittiin pääasiassa prosessidatan ja laitevalmistajien huoltoraporttien avulla. Mekaanisen tiivisteen tiivistepintojen vauriomuotojen kuten lämpösäröjen, urautumien ja reunalohkeamien perusteella tutkinta kohdistettiin pääasiassa voitelun toiminnan ja värähtelyiden tutkimiseen.

Tiivistenesteen viskositeetti käytetyssä lämpötilassa on ollut välillä 31,2—44,9 cSt, joka on korkeampi kuin suunniteltu 15—20 cSt. Liian korkea viskositeetti voi vaikuttaa tiivistenesteen kykyyn poistaa lämpöä tiivistepinnoilta. Tiivistenesteen lämpötilaan vaikuttavat ulkoilman lämpötilan mukaan säätyvät lämmityssaatot ja merivesijäähdytyksen lämpötila. Voitelun toiminnan parantamiseksi lämmityssaattojen teho tulee säätyä siten, että saavutetaan ja ylläpidetään tiivistenesteen suunniteltu viskositeetti kaikissa olosuhteissa tai vaihtoehtoisesti ottaa käyttöön toinen tiivisteneste. Tuotannon alas- ja ylösajojen aikana ilmenee värähtelyitä 2 x kierrostaajuudella, mikä voi johtua kardaanin ongelmista, linjausvirheestä tai akselin taipumisesta. Värähtelyitä tutkitaan tarkemmin seuraavassa seisokissa. Aksiaalipumpun toimintapiste on pumppukäyrän oikeassa laidassa aiheuttaen mahdollisesti epävakaata kuormitusta.

Heinäkuun 2019 mekaanisen tiivisteen tukilaakerin vaurio havaittiin värähtelymittauksissa heti heinäkuun alun käynnistyksen jälkeen, joten on mahdollista, että käynnistyksessä ilmenevät värähtelyt ovat aiheuttaneet vaurion. Toisaalta tiivistenesteen seassa oli myös virtausta heikentäviä teflonteipin palasia. Huhtikuun 2020 alasajo johtui mekaanisen tiivisteen normaalia suuremmista vuodoista, jotka alkoivat heti heinäkuun 2019 käynnistyksen jälkeen. Tuotetta oli päässyt tiivistepatruunan sisään sellaiselle alueelle, mikä on mahdollista vain, jos tiivistepatruunan kiristys on löystynyt värähtelyiden vuoksi tai linjaus on ollut virheellinen. Molempien vaurioiden tapauksissa tiivistepinnoilta löydettiin lisäksi merkkejä puutteelliselle voitelulle tyypillisistä lämpösäröistä ja urautumista sekä värähtelyille tyypillisistä reunalohkeamista.

The purpose of this master thesis was to identify and solve causes of reduced mechanical seal life of Borealis Polymers PE2 plant split loop reactor axial flow pump. Mechanical seal is designed according to API PLAN 52 and -53c. The study started with literature research related to axial flow pumps and mechanical seals and their forms of damage. Events and damages that led to the shutdown of production on July 2019 and April 2020 were investigated mainly with process data and equipment manufacturer’s maintenance reports. The investigation focused mainly to lubrication and vibrations due to seal faces damage forms such as heat cracking, grooves and edge chipping.

Viscosity of the sealing fluid at the temperature used has been between 31,2—44,9 cSt which is more than designed 15—20 cSt. Too high viscosity may affect the ability of the seal oil to cool the seal faces. Heat tracing is adjusted according to the outdoor temperature and sea water cooling according to sea water temperature which have an effect to seal oil temperature. To improve lubrication, power of heat tracing should be set in a way that seal oil viscosity is maintained in designed way on all conditions. Or alternatively, choose another seal oil. During production starts and stops vibrations occur 2 times per revolution frequency most probably due to cardan shaft problems, alignment problem or shaft deflection. Vibrations will be investigated more on next production stop. Axial flow pump operating point is on the right side of the curve causing possibly unstable load.

Mechanical seal bearing damage was detected by vibration measurements soon after production start on July 2019, which makes vibrations during starts one possible cause of damage. However, also pieces of teflon tape were found among the seal oil causing impaired flow. Shutdown on April 2020 was due to increased leak of mechanical seal that started soon after start on July 2019. Product was present inside mechanical seal in a place that is only possible if bolts of the seal cartridge were loose or alignment was incorrect. In both cases, signs of thermal cracking and grooving, which are typical problems caused by inadequate lubrication and edge cracking which is typical problem caused by vibrations were found on seal faces.