催化裂化裝置P304/2機封泄漏分析*

許立太，宋 楊，許鵬星

(1.蘭州石化職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730060;2.蘭州石化公司 設備維修公司，甘肅 蘭州 730060)

1 機封泄漏現象概述

P304/2是300萬噸/年催化裂化裝置冷油泵房的重要裝置之一，它主要負責將C304底部的汽油補充吸收到C301。其工藝條件:該泵入口壓力為0.89 MPa，工藝壓力為2.4 MPa，出口壓力2.5 MPa，流量為208.35 m3/h，輸送介質為穩(wěn)定汽油，工作溫度為40℃，轉數為2950 r/min。

2012年11月P304/2按計劃大修處理，同時按照原始記錄上的機封90B-65ZE換取機封，組裝好試車時打開管道入口閥門時機封沒有泄漏。當啟動電機試車時便開始滲漏，只能將機封拆卸下來重新檢查，發(fā)現機封端面有一道細小的裂紋，認為這是造成這次滲漏的主要原因。于是更換一套新的機封，并對其端面進行了仔細的檢查，確認無誤后開始組裝，隨著第二套機封的安裝，試車時機封仍泄漏，但這次拆卸下來的機封完好無損并沒有缺陷，連續(xù)多次的更換機封，但都達不到理想的效果。由于汽油為易揮發(fā)介質，極易氣化并產生相變，汽油泵機械密封的冷卻系統在結垢或堵塞時，由于端面摩擦產生的熱量使介質飽和蒸汽壓上升，當密封的工作壓力低于介質的飽和蒸汽壓時，端面液膜發(fā)生閃蒸爆裂，喪失潤滑，造成端面干摩擦，從而發(fā)生泄漏。汽油比較難封，故對泵304的機封前后更換了多次，但是效果甚微。

2 泄漏原因分析

P304/2機封泄漏的原因是多方面的:

(1)冷卻沖洗不良，在機械密封冷卻系統出現結垢或阻塞時，由于端面摩擦及旋轉元件攪拌液體產生熱量而使介質的飽和蒸汽壓上升，造成介質壓力低于其飽和蒸汽壓的狀況，端面液膜發(fā)生閃蒸爆裂，喪失潤滑，造成端面干摩擦，從而發(fā)生泄漏。

(2)動、靜環(huán)的壓縮量設定不當，壓縮量過大會使機封端面磨損嚴重，容易發(fā)生泄漏，而壓縮量過小又會達不到密封效果。

(3)動、靜環(huán)端面與軸中心線垂直度偏差過大，會加劇動靜環(huán)的磨損。

(4)密封圈過大或過小，太軟或太硬，耐蝕、耐溫性能不好，會發(fā)生變形和老化，或者密封圈存在缺陷，也會發(fā)生泄漏。

(5)設計選型有誤，密封端面比壓偏低或密封材質冷縮性較大等。

通過多次的安裝與調試，疏通冷卻沖洗水線，調整機封壓縮量，找正等方法都未能解決P304/2機封泄漏現象。造成泄漏的原因有可能是第五種，設計選型有誤，密封端面比壓偏低或密封材質冷縮性較大等，但又由于機封90B-65ZE的端面材料是石墨與碳化鎢，在其它的同介質泵中都有良好的密封效果，因而密封端面比壓低很有可能就是造成泄漏的原因。

3 解決方法

由于90B-65ZE機封多次安裝未能達到使用要求，而DTM70B-1又是臺帳上所記錄的備用機封之一，且具有較大的壓縮范圍，所以下面根據P304/2的實際情況對DTM70B-1進行設計計算。

3.1 選 材

通過查詢工藝條件，選取與之相匹配的動靜環(huán)材料，工藝條件查找主要零部件的材料，如表1所列［1］。

表1 常用機械密封主要零件材料

根據表1，由已知P304/2被密封的介質為粗汽油，溫度為40℃，為此，其旋轉環(huán)可選石墨，相應的靜止環(huán)材料選碳化鎢。

3.2 平衡系數與載荷系數的確定［2］

機械密封的載荷系數K是在摩擦副軸向力平衡條件下，各軸向力與密封上最大介質壓力的比值，它反映了各種軸向力作用的大小。

式中:d1、d2分別為密封面內直徑與外直徑;dB為平衡直徑。

平衡系數β同樣反應各種軸向力的大小，正常情況下，平衡系數β不能超過0.5，否則機封就會失效。一般β值為(0.15～0.45)，β用公式表示為β=1-K。平衡系數β選用遵照以下原則:①平衡系數越大，則由介質引起的端面比壓越小，雖然磨損小但容易泄漏，反之系數越小則端面比壓越大，加劇了磨損。②介質粘度越小，適用β越大。③介質粘度越大，適用β越小。根據以上討論，選取P304/2的β=0.4，則K=0.6。

3.3 密封環(huán)的主要尺寸

(1)靜環(huán)尺寸的確定 靜環(huán)端面寬度b1與端面內經d1和外徑d2，端面凸臺h，密封環(huán)與軸面配合間隙e均是密封環(huán)的主要尺寸。在強度，剛度允許的前提下，端面寬度b1應盡量取較小值，過大則冷卻、潤滑效果不好，但也不能過?。?］。一般靜環(huán)端面b1的寬度選取如表2所列。根據表2，再結合P304/2的軸徑為60 mm確定機封靜環(huán)寬度b=4 mm。

表2 窄環(huán)端面寬度b

(2)動環(huán)端面寬度的確定 一般來說，動環(huán)端面寬度要比靜環(huán)b1大1～3 mm，在本次設計中，選取動環(huán)端面寬度b2=6 mm。

(3)端面凸臺高度h 端面凸臺高度一般取2～3 mm，石墨等可取3 mm，考慮到強度與耐磨性，取h=3 mm。

(4)端面內經d1和外徑d2根據已知載荷系數K，端面寬度b及平衡直徑db，可算出端面內經d1:

端面外徑:d2=d1+2b=75.8(mm)

3.4 密封環(huán)與軸的端面間隙

對于密封環(huán)與軸的配合間隙，旋轉環(huán)與靜止環(huán)取值不同。旋轉環(huán)雖然與軸無相對運動，但為保證具有一定的浮動性以補償軸與靜止環(huán)的偏斜和軸振動等影響，取直徑間隙e1=0.5～1 mm。對于靜止環(huán)，因為它與軸有相對運動，其間隙應稍大，取直徑間隙e2=1～2 mm。設計中選e1=0.8 mm，e2=1.5 mm。

3.5 輔助密封圈與彈性元件的選取

輔助密封圈有O形，V形及柔性石墨等。其中以橡膠O形圈最為常見，且結構簡單，拆裝方便，有自封作用，動摩擦阻力小、耐壓力、溫度變化范圍大。所以此次設計選用橡膠O形密封圈。O形密封圈安裝后的壓縮量應該適當，普通橡膠O形圈壓縮量取截面直徑的5%～10%，對軸的過盈量為1%～3%，如表3所列。根據表3，再結合P304/2的軸徑為60 mm的實際情況，取d2=φ5.2 mm。

表3 橡膠O形圈尺寸及壓縮率推薦表

機械密封中彈性元件的主要作用是對密封端面產生一定的預緊壓力，使端面在啟動，停車或介質壓力波動時能保持良好的結合。同時用來克服輔助密封圈與軸之間的摩擦力，使補償環(huán)沿軸向移動，以補償端面磨損后形成的間隙，此外，還可對軸的跳動等引起的振動起一定的緩沖作用。本次機封設計中選擇內裝式圓柱螺旋壓縮彈簧的小彈簧，采用八根均布的方式排列。為了取得較大的彈簧比壓，選取材料為1Cr18Ni9的小彈簧的單個設計壓力位55 N，小彈簧的其它各種幾何尺寸均符合機封的要求。

根據P304/2對端面材料的選取和摩擦副端面內外徑的計算，以及輔助密封圈與彈性元件的選取，可以發(fā)現DTM70B-1基本滿足P304/2的使用要求。

4 前后兩套機封的性能對比

PV值是用來描述密封面的工作情況的，摩擦副承受的摩擦力有兩部分，一部分是處于端面間的液壓力造成的液體摩擦力，另一部分是有摩擦副的接觸面造成的摩擦力，與端面比壓有關。

4.1 計算端面比壓為P g

機械密封的端面比壓是決定密封性能和密封壽命的重要參數。機械密封的運轉實踐證明，維持端面間適宜的液膜。使摩擦副在液體摩擦狀態(tài)下工作是保障機械密封可靠運行及延長使用壽命的重要環(huán)節(jié)。端面比壓過大，端面間液膜無法形成會造成摩擦面發(fā)熱，磨損加劇和摩擦功率增加。端面比壓過小，易于泄漏，而當端面比壓小于端面間的液膜壓力時，密封端面將會被推開，使密封失效［4］。因此，正確計算與分析機封端面比壓對于密封的操作與設計十分重要。

(1)首先計算90B-65ZE機封:

式中:Ps為彈簧比壓，MPa;λ為機械密封流體膜反壓系數，可近似取λ≈0.5;P為介質壓力，是密封腔處的介質壓力。P=0.7 P2;P2為泵出口壓力，2.5 MPa;K為平衡系數，K=0.6。

對于內流式結構，常用范圍是0.15～0.25 MPa，金屬波紋管機封90B-65ZE，選取Ps=0.2 MPa。

(2)而后使用的改進DTM70B-1機封:

式中:λ為機械密封流體膜反壓系數，可以近似的取λ≈0.5;P為介質壓力，是密封腔處的介質壓力。P=0.7 P2;P2為泵出口壓力，2.5 MPa;K為平衡系數，K=0.6;其K，λ，P值兩者都一樣，關鍵在于Ps值不同，由于P304/2以前使用的機封90B-65ZE可能是由于比壓不夠而造成泄漏，在選型時，應選擇較大的彈簧比壓來增大機封的端面比壓。由于DTM70B-1采用八根彈簧，其單個設計壓力為55 N可得出:

4.2 P g V值的計算

端面壓力Pg與密封端面平均滑動速度V的乘積表示PgV值，是機械密封實際工作時的性能參數。因為摩擦功率與摩擦熱量均與PgV成正比。隨著PgV值的升高，當摩擦面溫度達到某一值時，會引起液膜的強烈蒸發(fā)，或使邊界膜失向(破壞了極性分子的定向排列)而造成吸附膜脫吸，導致摩擦副兩個表面直接接觸產生劇烈磨損。所以PgV值是反映密封摩擦副的工作能力，也是評定摩擦副材料磨損性和耐熱性的重要指標［5］，常用摩擦副材料的值如表4所列。

表4 常用摩擦副材料的［P g V］值

表4看出碳化鎢，石墨的［PgV］值為90 MPa·m/s。為使機封安全投用，一般情況下，其實際PgV不得超出(0.2～0.25)［PgV］。由于泵的轉速為2 950 r/min，所以對于機封DTM70B-1的密封面平均周速V為:

式中:n為轉速，49 r/s

可以計算出V=49×0.0717π/2=11.047(m/s)

對于90B-65ZE

符合使用要求。

5 結論

(1)依據摩擦副尺寸計算改進前后的機械密封的計算端面比壓分別為0.375 MPa和0.534 3 MPa，改進前的機封比壓屬于正常范疇(0.3～0.7 MPa)偏小。有可能產生泄漏，而改進后的機封端面比壓為0.534 3 MPa，大于改進前的，安裝后試車投運，機封不再泄漏，效果良好。

(2)機械密封選型不當造成動靜環(huán)磨損，發(fā)生泄漏，結合P304/2與密封介質的特點，對泵的機封進行選型設計，新選型的機封結構能滿足設備使用要求，可實現密封介質的零泄漏，延長該泵的使用周期，自投運到現在，效果良好。

［1］ 徐 灝.密封［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005.

［2］ 陳國定.機械設計基礎［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［3］ 王金剛.石化裝備流體密封技術［M］.北京:中國石化出版社，2007.

［4］ 龔天宏.現場解決機械密封泄漏的方法［J］.石油化工設備技術，2001(2):62-64.

［5］ 孫秀麗.離心泵機械密封泄漏原因分析及處理方法［J］.化學工程師，2008(3):45-47.