低溫泵機(jī)械密封泄漏問(wèn)題的解決措施

王　磊　陳新軍　曾登林

摘要：文章針對(duì)低溫泵在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生汽蝕和機(jī)械密封泄漏等現(xiàn)象，在理論分析的基礎(chǔ)上，得出機(jī)械密封幾種失效形式，從而得出端面溫度升高，造成乙烯介質(zhì)汽化，從而導(dǎo)致密封圈失效，引起動(dòng)、靜密封點(diǎn)泄漏的原因，最后文章提出了低溫泵機(jī)械密封泄漏問(wèn)題的解決方法。

關(guān)鍵詞：機(jī)械密封；低溫泵；泄漏；干氣密封；靜環(huán)脫落

中圖分類號(hào)：TQ221文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）16-0189-02

我公司的低溫泵為單級(jí)懸臂式離心泵。該泵是乙炔塔回流泵，工作介質(zhì)是乙烯，其作用是在前續(xù)流程中控制塔頂不含C3組分，由于工作溫度為-54℃，因此該泵簡(jiǎn)稱為乙烯低溫泵。該泵尤其在冬季就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的機(jī)械密封泄漏問(wèn)題，造成機(jī)泵檢修頻次高，運(yùn)行時(shí)間短，對(duì)生產(chǎn)造成了極大影響。因此必須全面分析引起機(jī)械密封泄漏的各種原因，提出切實(shí)可行的措施。為此，從理論分析著手，尋找這類故障的原因，從而采取相應(yīng)措施，以期徹底消除事故隱。

一、密封系統(tǒng)失效原因分析

改造前，該低溫輕烴泵的機(jī)械密封屬于接觸式機(jī)械密封中的串聯(lián)式單端面機(jī)械密封，介質(zhì)端采用傳統(tǒng)接觸式機(jī)械密封，密封介質(zhì)為輕烴（組分較復(fù)雜，C3～C10）；甲醇端同樣采用傳統(tǒng)接觸式機(jī)械密封，密封介質(zhì)為甲醇。密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

（一）摩擦副端面工況分析

輕烴泵的單端面接觸式機(jī)械密封，在其密封端面之間并不存在一個(gè)完整的液膜。密封端面之間產(chǎn)生的大量摩擦熱就會(huì)導(dǎo)致密封面溫度升高，從而促使端面間液膜汽化，而使液體變成蒸氣而發(fā)生相變。此外，由于輕烴介質(zhì)的飽和蒸氣壓高于一個(gè)大氣壓，輕烴介質(zhì)流經(jīng)密封端面間隙時(shí)產(chǎn)生壓力降低，必然在某一位置上發(fā)生汽化（相變）。從而按端面流體膜相態(tài)可分為液相密封、氣相密封以及氣液相混合密封（圖2）。通常在不同的流體膜狀態(tài)下，密封裝置的工作特征有很大區(qū)別。

液相密封密封端面之間充滿一層完整的液膜，見(jiàn)圖2（A），泄漏可能以液體或氣體形式出現(xiàn)。其特點(diǎn)是膜壓系數(shù)為一定值，工作狀態(tài)穩(wěn)定，摩擦因數(shù)小，泄漏量也小。氣液混相密封密封端面之間充滿一層由液體和蒸氣形成的混合膜，見(jiàn)圖2（B），泄漏以氣相形式出現(xiàn)。其特點(diǎn)是膜壓系數(shù)隨溫度不同而變化，工作狀態(tài)不穩(wěn)定，易出現(xiàn)明顯的氣噴振動(dòng)、端面鳴叫等現(xiàn)象，密封端面摩擦磨損嚴(yán)重，極易出現(xiàn)早期失效。因此，其使用周期較短。當(dāng)密封端面溫升過(guò)高使端面液膜完全汽化或當(dāng)工藝操作條件波動(dòng)使密封腔內(nèi)介質(zhì)都已汽化（即密封腔內(nèi)介質(zhì)壓力小于該溫度下的汽化壓力）時(shí)，端面間為全氣膜狀態(tài)，見(jiàn)圖2（C）該氣膜雖為穩(wěn)定氣膜，但密封端面處于干摩擦接觸狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱，使端面溫度急劇升高。如果不采取較強(qiáng)的沖洗冷卻等調(diào)溫措施或立即穩(wěn)定工藝操作，密封面將嚴(yán)重?zé)齻?，密封合金環(huán)端面可因熱裂而失效。

（二）密封圈功能的失效

舊的機(jī)械密封的介質(zhì)機(jī)封使用的是密封圈材質(zhì)為硅橡膠、輔助密封為丁腈橡膠，由于主密封密封圈的硅橡膠不適合介質(zhì)（C3～C10）組分，容易造成的溶脹腐蝕，因此造成主密封失效；而輔助密封密封圈用的是丁腈橡膠，其溫度適用范圍為-30℃～120℃，但是受密封介質(zhì)成分復(fù)雜及工藝波動(dòng)等原因，工作溫度有時(shí)一般會(huì)低于-30℃，最低可達(dá)-52℃度，此時(shí)當(dāng)主密封有微量泄漏時(shí)，所泄漏的介質(zhì)進(jìn)入甲醇腔，由于進(jìn)入的介質(zhì)溫度低于丁腈橡膠所能承受的最低溫度，從而造成輔助密封圈失效。

（三）低溫輕烴泵抽空造成的失效

1．正壓抽空。正壓抽空是指泵腔內(nèi)的介質(zhì)工作壓力壓力高于一個(gè)大氣壓，但密封箱內(nèi)介質(zhì)壓力或密封端面流體膜壓力低于輸送溫度下介質(zhì)的飽和蒸氣壓，使介質(zhì)在密封箱內(nèi)或密封端面之間發(fā)生汽化的現(xiàn)象。輕烴泵的來(lái)料流量及壓力的波動(dòng)會(huì)引起正壓抽空，此時(shí)輕烴泵用機(jī)械密封處于不穩(wěn)定的氣液混相摩擦狀態(tài)或氣相干摩擦狀態(tài)，密封裝置發(fā)生故障的概率大為增加。其失效形式表現(xiàn)為密封環(huán)因端面干摩擦磨損劇烈而嚴(yán)重?zé)龘p、密封面產(chǎn)生鳴叫、間歇式氣噴振動(dòng)、硬質(zhì)合金環(huán)端面產(chǎn)生熱裂以及輔助密封圈熱脹龜裂等。

2．負(fù)壓抽空。生產(chǎn)中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)負(fù)壓抽空，泵不能輸送液體介質(zhì)，此時(shí)密封腔內(nèi)介質(zhì)壓力低于大氣壓力，作用在動(dòng)環(huán)背面的閉合力（由彈簧壓力和介質(zhì)壓力組成）小于作用在密封端面的開(kāi)啟力（由端面接觸壓力和流體膜壓力組成），動(dòng)環(huán)將向左產(chǎn)生軸向移動(dòng)，與靜環(huán)迅速脫開(kāi)，由于此時(shí)兩端面間已是負(fù)壓，靜環(huán)在其背部大氣壓力的作用下可能與防轉(zhuǎn)銷脫開(kāi)，并在其與動(dòng)環(huán)間瞬間摩擦力的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)一定角度，使得整個(gè)密封裝置不能復(fù)位而失效。產(chǎn)生端面分離后，當(dāng)壓力恢復(fù)正常時(shí)除了會(huì)產(chǎn)生瞬間異常泄漏外，動(dòng)環(huán)或補(bǔ)償環(huán)可能會(huì)因輔助密封圈與軸（套）卡住而無(wú)法復(fù)位閉合或動(dòng)環(huán)復(fù)位與靜環(huán)接觸不良產(chǎn)生端面偏磨引起密封失效。應(yīng)當(dāng)指出，若靜環(huán)背部有冷卻水時(shí)或采用雙端面密封有封液時(shí)，負(fù)壓抽空一開(kāi)始便會(huì)有冷卻水（或封液）進(jìn)到環(huán)端面縫隙中，在端面高溫下將產(chǎn)生汽化閃蒸，加劇補(bǔ)償環(huán)的脫開(kāi)。綜上所述，工藝系統(tǒng)的操作不穩(wěn)定是造成輕烴泵機(jī)械密封抽空失效的主要原因。

二、使用干氣密封后解決的問(wèn)題

當(dāng)動(dòng)密封按下圖所示的轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，氣體沿螺旋槽向內(nèi)運(yùn)行的槽根部，但動(dòng)靜環(huán)內(nèi)側(cè)環(huán)面在高速旋轉(zhuǎn)下，形成密封面，則氣體形成阻力，從而使動(dòng)靜環(huán)間壓力升高，將兩環(huán)面分離，產(chǎn)生一定間隙形成氣膜。當(dāng)密封力（簡(jiǎn)稱閉力）與氣膜的壓力（簡(jiǎn)稱開(kāi)力）相等時(shí)，則動(dòng)靜環(huán)密封面間形成0.0025～0.005mm的恒定狀態(tài)的間隙。

（一）增大了介質(zhì)端機(jī)械密封摩擦副液膜寬度

由于介質(zhì)壓力和彈簧力的作用，使密封端面上有一定的壓緊力，在動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間形成很小的間隙，在此間隙上形成液膜，由于間隙很小，介質(zhì)通過(guò)時(shí)阻力很大，從而阻止了液體的泄漏，并且可以起到潤(rùn)滑摩擦副，減輕磨損的作用。此液膜存在一個(gè)液膜壓力其大小由以下公式可知：p+p0=ps+psp如圖4所示：

p——密封面間的壓緊力；p0——液膜壓力；ps——介質(zhì)壓力；psp——?jiǎng)迎h(huán)彈簧力。

液膜壓力延密封面半徑是變化的，密封面外側(cè)是液膜壓力最大值，等于泵內(nèi)介質(zhì)壓力P，延半徑方向逐漸降低，到密封內(nèi)側(cè)變?yōu)榱?。其分布近似呈直線，但隨液體性質(zhì)而略有不同。由于存在正壓抽空，液膜靠近內(nèi)側(cè)端流體膜壓力低于輸送溫度下介質(zhì)的飽和蒸氣壓，使介質(zhì)液膜在密封端面之間發(fā)生汽化的現(xiàn)象，液膜寬度變小。使用干氣密封以后，由于氮?dú)獾谋硥捍嬖?，增大了密封面?nèi)側(cè)液膜壓力，使其發(fā)生正壓抽空的幾率降低或使正壓抽空影響降低，從而增加了液膜寬度，延長(zhǎng)了主機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)周期。

由上述可看出，干氣密封的獨(dú)特之處就在于密封面的螺旋槽結(jié)構(gòu)，它成功地使機(jī)械密封兩密封面由接觸式變?yōu)榉墙佑|式，從而達(dá)到良好的密封性能并且大大延長(zhǎng)了密封使用壽命。

（二）解決了主機(jī)封微量泄漏的影響程度

改造前的機(jī)封，當(dāng)發(fā)生正壓或負(fù)壓抽空時(shí)，主機(jī)封會(huì)發(fā)生微量泄漏，使用干氣密封以后，增加了主機(jī)封的背壓，致使低于背壓的泄漏無(wú)法到達(dá)二級(jí)密封，即使大于背壓的工藝介質(zhì)泄漏，到達(dá)二級(jí)干氣密封以后也會(huì)氣化（壓力降低所致）由火炬系統(tǒng)進(jìn)行燃燒處理，從而使工藝介質(zhì)不會(huì)大量外泄至大氣中，確保了設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的安全和不被污染。

（三）解決了由于抽空造成的靜環(huán)脫落

生產(chǎn)中由于操作不穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)負(fù)壓抽空，泵不能輸送液體介質(zhì)，此時(shí)密封腔內(nèi)介質(zhì)壓力低于大氣壓力，作用在動(dòng)環(huán)背面的閉合力（由彈簧壓力和介質(zhì)壓力組成）小于作用在密封端面的開(kāi)啟力（由端面接觸壓力和流體膜壓力組成），動(dòng)環(huán)將向左產(chǎn)生軸向移動(dòng)，與靜環(huán)迅速脫開(kāi)，由于此時(shí)兩端面間已是負(fù)壓，靜環(huán)在其背部大氣壓力的作用下可能與防轉(zhuǎn)銷脫開(kāi)，并在其與動(dòng)環(huán)間瞬間摩擦力的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)一定角度，使得整個(gè)密封裝置不能復(fù)位而失效。產(chǎn)生端面分離后，當(dāng)壓力恢復(fù)正常時(shí)除了會(huì)產(chǎn)生瞬間異常泄漏外，動(dòng)環(huán)或補(bǔ)償環(huán)可能會(huì)因輔助密封圈與軸（套）卡住而無(wú)法復(fù)位閉合或動(dòng)環(huán)復(fù)位與靜環(huán)接觸不良產(chǎn)生端面偏磨引起密封失效。

改造后在動(dòng)靜環(huán)座與動(dòng)靜環(huán)之間增加了卡環(huán)，使靜環(huán)位置在工藝波動(dòng)前后始終保持一致，從而解決了由于工藝波動(dòng)等原因引起的負(fù)壓抽空造成整個(gè)密封裝置不能復(fù)位引起的失效。

（四）解決了密封圈因介質(zhì)組份復(fù)雜導(dǎo)致溶脹、腐蝕及不耐低溫等問(wèn)題

改造后使用PTFE材質(zhì)的密封圈，其適用介質(zhì)組份范圍廣，能有效的防止介質(zhì)對(duì)其的溶脹及腐蝕，另外PTFE的適用溫度范圍為-100℃～260℃，其優(yōu)良的耐低溫性能能解決因低溫造成的密封圈補(bǔ)償作用失效，攻克了密封圈在低溫下經(jīng)常失效的難題。

C型環(huán)組件特殊的結(jié)構(gòu)是在C型環(huán)密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了彈簧圈，彈簧圈的彈力有效增加了密封圈的跟隨性;C形環(huán)在壓力的作用下，迫使環(huán)口上下張開(kāi)，壓力越大，張開(kāi)的力就越大，從而達(dá)到密封的目的；又因?yàn)镃形環(huán)的材質(zhì)為PTFE，從而解決丁腈橡膠的耐低溫性差以及硅橡膠的跟隨性、補(bǔ)償性差的問(wèn)題，起到了很好的密封作用。改進(jìn)機(jī)械密封后，取得了良好的效果。

三、結(jié)語(yǔ)

干氣密封為非接觸式軸封，可靠性高，壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便，輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)單，功率消耗低，使用極長(zhǎng)，維護(hù)方便，使用極限線速度高，但價(jià)格比較昂貴，一般比串級(jí)機(jī)械密封大五倍。我廠的低溫輕烴泵自密封改造后運(yùn)行狀況良好，由于氮?dú)饧茸鳛槊芊鈿庥挚勺鳛楦稍餁?，?duì)冷泵的預(yù)冷等要求不再苛刻，故障率明顯下降，同時(shí)，也解決了冷泵中介質(zhì)易揮發(fā)、潤(rùn)滑性差而導(dǎo)致機(jī)封主密封損壞，使用壽命短的問(wèn)題。所以，干氣密封在裝置機(jī)械密封故障率高的如乙烯精餾塔回流泵，脫甲烷釜液泵等重要的輕烴冷泵內(nèi)有推廣應(yīng)用價(jià)值，對(duì)乙烯裝置穩(wěn)定運(yùn)行具有較大的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

[1]錢錫俊，陳弘．泵與壓縮機(jī)[M]．中國(guó)石油大學(xué)出版社．

[2]仁曉善．化工機(jī)械維修手冊(cè)[M]．化工工業(yè)出版社．

[3]橡膠密封制品實(shí)用加工技術(shù)[M]．化學(xué)工業(yè)出版社，2002．

[4]石油化工設(shè)備維護(hù)檢修規(guī)程第一冊(cè)：通用設(shè)備[M]．中國(guó)石化出版社，2006．

[5]中國(guó)石油天然氣總公司．化工檢修鉗工．2005．

作者簡(jiǎn)介：王磊（1979－），男，新疆獨(dú)山子石化公司技術(shù)員，助理工程師，研究方向：設(shè)備管理；陳新軍（1978－），男，新疆獨(dú)山子石化公司技術(shù)員，助理工程師，研究方向：設(shè)備管理和檢維修；曾登林（1970－），男，新疆獨(dú)山子石化公司技術(shù)員，高級(jí)技師，研究方向：設(shè)備管理和檢維修。