無水機(jī)械密封在磷化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

白保生，陳 虹

(云南云天化股份有限公司紅磷分公司 云南開遠(yuǎn) 661699)

云南云天化股份有限公司紅磷分公司(以下簡稱紅磷分公司)的主要產(chǎn)品為磷酸一銨、磷酸二銨、復(fù)合肥料等系列磷化工產(chǎn)品，生產(chǎn)原料涉及磷酸、硫酸、氟等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，因此，生產(chǎn)過程中的泄漏控制始終是核心工作，而耐磨蝕離心泵的軸密封是泄漏控制工作的重點(diǎn)及難點(diǎn)。紅磷分公司在泵密封件的選擇上先后使用過內(nèi)置單(雙)面、外置單(雙)面、HTM集裝式等機(jī)械密封，在泄漏點(diǎn)的控制上取得了顯著的成效，但仍然存在一定的問題。此外，機(jī)械密封都需用冷卻水，不但造成了一次水資源的消耗，而且現(xiàn)場冷卻水排放會(huì)影響周圍環(huán)境。為逐步推進(jìn)節(jié)能降耗目標(biāo)，紅磷分公司不斷尋求新技術(shù)，通過對(duì)目前較為先進(jìn)的HTM集裝式機(jī)械密封進(jìn)行局部改進(jìn)，取消了機(jī)械密封冷卻水，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、綠色文明生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。

1 機(jī)械密封概述

機(jī)械密封是由至少一對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面在流體壓力及補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力的作用及輔助密封的配合下，保持貼合并且相對(duì)滑動(dòng)，構(gòu)成防止流體泄漏的一種裝置，通常采用端面密封形式，一般用作泵類設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸密封，由主要部件(動(dòng)環(huán)、靜環(huán))、輔助密封件(密封圈)、彈力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)(彈簧、推環(huán))和傳動(dòng)件(彈簧座或固定螺釘)四大部件組成。機(jī)械密封的旋轉(zhuǎn)端在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，處于介質(zhì)中的彈簧本身受到離心力影響而很容易發(fā)生變形，而強(qiáng)腐蝕性的介質(zhì)在強(qiáng)烈攪動(dòng)下對(duì)彈簧更加不利；靜止端主要承受摩擦、溫度及腐蝕的影響。無論是旋轉(zhuǎn)端還是靜止端都是機(jī)械密封中最為主要的零配件，其性能直接關(guān)系到密封的效果及使用壽命，因此，對(duì)密封環(huán)的材料、結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、表面加工質(zhì)量等都有較高的要求。

2 普通機(jī)械密封應(yīng)用情況

2.1 單端面內(nèi)置機(jī)械密封的應(yīng)用

單端面只有1個(gè)密封面，其冷卻液為泵體內(nèi)介質(zhì)，無冷卻水，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單端面內(nèi)置機(jī)械密封主要結(jié)構(gòu)

單端面內(nèi)置機(jī)械密封在紅磷分公司主要用于輸送濃硫酸、硫酸銨等與水能產(chǎn)生強(qiáng)烈反應(yīng)且本身比較潔凈、無懸浮顆粒的化工原料的離心泵，機(jī)械密封的彈簧、支座、密封件等直接與酸接觸，長期承受腐蝕及離心力的影響，使用工況條件惡劣，容易產(chǎn)生密封失效，給生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行及環(huán)境保護(hù)帶來很大的影響。

2.2 雙端面內(nèi)置機(jī)械密封的應(yīng)用

雙端面內(nèi)置機(jī)械密封有2個(gè)密封面，靠近泵葉輪端的密封面用于防止輸送介質(zhì)從軸端泄漏，另一端用于防止機(jī)械密封冷卻水泄漏。該機(jī)械密封需用冷卻水降溫，冷卻水在機(jī)封室內(nèi)形成一定壓力(0.3～0.5 MPa)以平衡泵內(nèi)介質(zhì)壓力。雙端面內(nèi)置機(jī)械密封主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1、7.靜止環(huán)O形密封圈 2、6.動(dòng)、靜環(huán)密封面 3、5.動(dòng)環(huán)O形密封圈 4.密封蓋(法蘭盤)墊圈圖2 雙端面內(nèi)置機(jī)械密封主要結(jié)構(gòu)

雙端面內(nèi)置機(jī)械密封在紅磷分公司主要用作輸送含有懸浮顆粒的濃磷酸、洗滌液等耐磨蝕泵的軸端密封，在使用過程中通常存在以下問題。

(1) 機(jī)械密封需要冷卻水冷卻摩擦面，若發(fā)生水管堵塞、水管接頭脫落等故障時(shí)，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生機(jī)械密封燒損現(xiàn)象，導(dǎo)致輸送介質(zhì)從軸端向外噴灑。

(2) 密封件經(jīng)長期磨損、腐蝕而失效后，冷卻水就會(huì)進(jìn)入泵內(nèi)與濃磷酸、洗滌液等介質(zhì)混合，即出現(xiàn)內(nèi)漏現(xiàn)象。內(nèi)漏現(xiàn)象不易發(fā)現(xiàn)，雖然不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，但會(huì)使磷酸、洗滌液濃度降低，影響生產(chǎn)控制指標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量事故。

(3) 存在水資源消耗，冷卻水外排影響周圍環(huán)境。

3 無水機(jī)械密封的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用概況

針對(duì)普通機(jī)械密封在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中存在的問題，紅磷分公司成立專門的技術(shù)攻關(guān)小組，通過與機(jī)械密封生產(chǎn)企業(yè)的合作并結(jié)合實(shí)際工況條件，對(duì)HTM集裝式機(jī)械密封的動(dòng)、靜密封環(huán)進(jìn)行了改進(jìn)，得到WHS系列無水集裝式機(jī)械密封，其外形及結(jié)構(gòu)如圖3所示。

WHS系列無水集裝式機(jī)械密封自2017年11月投用以來，設(shè)備運(yùn)行正常，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到改造要求，解決了紅磷分公司長期存的離心泵軸密封難題，不僅節(jié)省了一次水，而且為綠色文明、低碳環(huán)保生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

3.2 無水機(jī)械密封的設(shè)計(jì)

機(jī)械密封冷卻水主要用于移除動(dòng)、靜密封環(huán)在相對(duì)高速滑動(dòng)過程中所產(chǎn)生的熱量，所以無水機(jī)械密封首先要解決移除動(dòng)、靜密封環(huán)摩擦而產(chǎn)生的熱量問題。通過不斷研究和試驗(yàn)，從2個(gè)方面可以完全解決摩擦發(fā)熱問題。

1.靜環(huán)密封圈 2.摩擦副 3.動(dòng)環(huán)密封圈 4.壓蓋密封圈 5.軸套密封圈圖3 WHS系列無水集裝式機(jī)械密封外形及結(jié)構(gòu)

(1) 結(jié)構(gòu)上采用單端面集裝形式，充分利用輸送介質(zhì)(濃磷酸、洗滌液)來吸收熱量。

(2) 對(duì)動(dòng)、靜環(huán)的材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)。普通機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)的材質(zhì)為碳化硅-碳化硅、碳化鎢-碳石墨、三氧化二鉻Cr2O3-碳石墨等，具有耐磨、堅(jiān)硬等優(yōu)點(diǎn)，但在相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)中必然會(huì)產(chǎn)生較大的熱量。而碳化硅+碳合金材質(zhì)不但繼承了碳化硅耐磨、堅(jiān)硬的特性，而且在密封面間會(huì)形成很薄的碳粉末以達(dá)到潤滑密封面的效果，從而極大地減少了動(dòng)、靜環(huán)摩擦產(chǎn)生的熱量。

3.3 無水機(jī)械密封與普通機(jī)械密封的對(duì)比

以LC50/350型耐磨蝕離心泵為例，無水機(jī)械密封與普通機(jī)械密封使用情況對(duì)比如表1所示。

表1 無水機(jī)械密封與普通機(jī)械密封使用情況對(duì)比

密封形式適用介質(zhì)存在問題密封失效因素使用周期/月年運(yùn)行費(fèi)用/(元·臺(tái)-1)單端面機(jī)械密封 濃硫酸、硫酸銨等無懸浮顆粒液體 密封件長期承受腐蝕影響,使用壽命短長期磨損、過熱損壞、化學(xué)腐蝕49 000雙端面機(jī)械密封 含有懸浮顆粒的濃磷酸、洗滌液等 水資源消耗高,容易出現(xiàn)內(nèi)漏現(xiàn)象,易引發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量事故長期磨損、過熱損壞、化學(xué)腐蝕49 000無水機(jī)械密封可適用于各種液體操作控制嚴(yán)格,不允許“打空泵”運(yùn)行長期磨損、化學(xué)腐蝕57 200

由表1可知，新型的WHS系列無水集裝式機(jī)械密封應(yīng)用于磷化工生產(chǎn)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，不但能延長設(shè)備使用周期、降低生產(chǎn)成本，而且能節(jié)約水資源，避免出現(xiàn)內(nèi)漏現(xiàn)象，防止由此導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量事故發(fā)生。

紅磷分公司使用無水機(jī)械密封以來，極大地改善了現(xiàn)場操作環(huán)境，降低了水資源消耗，延長了設(shè)備使用壽命，為保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)綠色文明生產(chǎn)提供了有力保障。