氨泵機(jī)械密封方案的選型及應(yīng)用

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

在合成氨項(xiàng)目中，氨泵是不可缺少的機(jī)泵設(shè)備之一，隨著無(wú)密封泵的應(yīng)用與發(fā)展，屏蔽泵和磁力泵的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上避免了傳統(tǒng)的軸端密封，可以做到絕對(duì)無(wú)泄漏，輸送易于氣化的氨介質(zhì)，屏蔽泵是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但是無(wú)密封泵的適用范圍還是有局限性的，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，采用屏蔽泵或者磁力泵，在功率大于75 kW以上且NPSHa不是足夠大(NPSHa≤50 m)的工況下，無(wú)密封泵軸承處產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致介質(zhì)氣化引起軸承損壞的概率大幅度增加。當(dāng)配套電機(jī)功率在75 kW以下時(shí)，氨泵的使用效果較好。因此，在氨泵采用機(jī)械密封泵時(shí)，鑒于液氨易揮發(fā)性及極強(qiáng)的滲透性，合適的機(jī)械密封方案是保障氨泵穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵要素。

1 影響機(jī)械密封方案的因素

本文中涉及到的泵均為符合API610 (ISO 13709)要求的泵，配套機(jī)械密封是符合API682的集裝式機(jī)械密封。影響機(jī)械密封方案的因素有很多，歸納起來(lái)主要有以下因素：①使用工況，如介質(zhì)壓力、溫度、軸徑和轉(zhuǎn)速；②介質(zhì)特性，如濃度、黏度、飽和蒸汽壓、腐蝕性、有無(wú)固體顆粒及纖維雜質(zhì)，是否易氣化，結(jié)晶或聚合等；③主機(jī)工作特點(diǎn)與環(huán)境條件；④主機(jī)對(duì)密封的允許泄漏量、泄汛方向要求；⑤操作及生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性。

2 氨泵的特點(diǎn)

某熱氨泵的操作工況見(jiàn)表1。

表1 某熱氨泵的操作工況

熱氨泵工藝工況運(yùn)行穩(wěn)定、操作工況常規(guī)，此泵原設(shè)計(jì)采用屏蔽泵(多級(jí)和單級(jí)的方案均有)，但是使用情況均不理想，泵在投用后短時(shí)間內(nèi)均發(fā)生軸承損壞，原以為是泵入口配管不當(dāng)導(dǎo)致汽蝕造成的，但是經(jīng)過(guò)多次對(duì)入口的配管進(jìn)行整改，同時(shí)將臥式泵更換為立式泵來(lái)改善入口可能產(chǎn)生的汽蝕，但損壞情況一直得不到改善。根據(jù)運(yùn)行情況及現(xiàn)場(chǎng)的損壞情況分析，導(dǎo)致?lián)p壞的原因主要是因?yàn)檩S承處的溫升導(dǎo)致液氨汽化造成軸承處干磨引起的，最終更換為機(jī)械密封的離心泵。機(jī)械密封腔的壓力約為1.81 MPa(a)，溫度為40 ℃，該工況下的壓力、溫度均不特殊。對(duì)熱氨泵機(jī)械密封方案起決定作用的是氨介質(zhì)的特性：黏度低、潤(rùn)滑性能不佳，同時(shí)氨的飽和蒸汽壓對(duì)溫度極其敏感，再加上氨極強(qiáng)的滲透性。其中液氨極易氣化是影響機(jī)械密封選型的主要因素，液氨在40 ℃時(shí)的飽和蒸汽壓約為1.54 MPa(a)，在64 ℃時(shí)的飽和蒸汽壓約為2.84 MPa(a)，即熱氨泵壓力上升1.3 MPa，溫升只要24 ℃就會(huì)導(dǎo)致汽化(同樣的壓升下，水汽化的溫升為155 ℃)，如果壓力上升0.5 MPa，溫升只要10.5 ℃就會(huì)導(dǎo)致汽化(同樣的壓升下，水汽化的溫升為115 ℃)。如果在泵的密封端面摩擦產(chǎn)生熱量不能迅速傳導(dǎo)到流動(dòng)的介質(zhì)中去，密封端面處的介質(zhì)溫度上升過(guò)高，極易引起氨汽化，導(dǎo)致密封面干磨損害。針對(duì)氨的這種特性，選用了雙端面加壓機(jī)械密封，沖洗方式為PLAN11+13+53B。

3 氨泵密封的使用情況及注意事項(xiàng)

從目前氨泵的使用情況來(lái)看，無(wú)論是國(guó)產(chǎn)泵頭還是進(jìn)口泵頭均沒(méi)有任何問(wèn)題，問(wèn)題均出在密封或屏蔽泵的軸承上(均與泵的介質(zhì)氨易于汽化有關(guān)，汽化或夾帶氣體導(dǎo)致干磨)。更換后的離心泵，采用雙端面加壓機(jī)械密封，沖洗方式為PLAN11+13+53B，目前使用情況良好。此方案為帶壓串聯(lián)式機(jī)械密封，適用于易燃、易爆、有毒的易氣化的流體，PLAN53B罐的壓力要維持在比泵的密封腔高出0.2～0.3 MPa。第一級(jí)密封內(nèi)環(huán)采用泵輸送介質(zhì)冷卻，第一級(jí)和第二級(jí)密封面均由加壓密封沖洗罐內(nèi)的緩沖液潤(rùn)滑，以避免液氨在密封面處氣化。在第一級(jí)密封介質(zhì)側(cè)，設(shè)置PLAN14(PLAN11+13)沖洗方案，沖洗介質(zhì)從泵出口至密封腔(節(jié)流襯套和動(dòng)環(huán)O形圈之間的腔體)，通過(guò)節(jié)流孔板(φ3 mm)返回至入口，目的是控制密封腔壓力和保證冷卻流量，同時(shí)避免密封腔存氣。PLAN14和PLAN53B密封示意見(jiàn)圖1、圖2和圖3。

圖1 PLAN14管路和儀表安裝示意

圖2 PLAN53B管路和儀表安裝示意注：1—補(bǔ)液口；2—?dú)饽沂骄彌_罐；3—?dú)饽页錃饪冢?—冷卻器

圖3 PLAN14+53B密封腔

為了保證第一級(jí)密封的壓差，開車期間需要對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況下泵密封腔壓力進(jìn)行檢測(cè)并調(diào)整密封沖洗罐的壓力，以確保密封沖洗的壓差在合理的范圍內(nèi)。以往項(xiàng)目中雙端面加壓機(jī)械密封損壞原因有如下幾個(gè)方面：①有些機(jī)械密封采用了非集裝式，導(dǎo)致密封安裝不好；②密封的選型，密封材料的選擇不合理；③隔離液壓力報(bào)警值是泵制造廠根據(jù)理論計(jì)算值設(shè)定的，實(shí)際的密封腔壓力往往和理論計(jì)算值差距較大。隔離液的壓力無(wú)法保證高于介質(zhì)端壓力，極易造成液氨在密封面處氣化，導(dǎo)致密封失效；④PLAN53B第一級(jí)密封介質(zhì)側(cè)，密封腔節(jié)流襯套和靜環(huán)處的氣體無(wú)法排除極易造成密封表面氣化損壞；⑤目前密封的O形圈為橡膠材質(zhì)(材質(zhì)為乙丙橡膠)，微量雜質(zhì)極易導(dǎo)致O形圈失效，使用效果不理想。

針對(duì)以上可能存在的密封失效損壞的情況，在選用以上推薦的密封方案時(shí)，仍需要做好如下措施，確保機(jī)械密封安全有效：①采用有成功氨泵密封業(yè)績(jī)的制造廠；②采用集裝式機(jī)械密封，出廠時(shí)已調(diào)整好，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需調(diào)整；③采用在泵密封腔上設(shè)置就地壓力表，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)密封腔壓力，然后設(shè)置密封緩沖液壓力高于介質(zhì)側(cè)壓力0.2～0.3 MPa，保證第一級(jí)機(jī)械密封面由緩沖液潤(rùn)滑，而不是液氨，以避免液氨在密封面處氣化；④在第一級(jí)密封介質(zhì)側(cè)從泵出口至密封腔(節(jié)流襯套和動(dòng)環(huán)O形圈之間的腔體)，設(shè)置PLAN14(PLAN11+13的組合)沖洗介質(zhì)通過(guò)節(jié)流孔板(φ3 mm)返回至入口，目的是控制密封腔壓力，提高密封腔氣化溫度；⑤第一級(jí)密封O形圈推薦選用全氟醚橡膠(FFKM)材質(zhì)，以提高耐液氨中含微量雜質(zhì)的可靠性。

4 其他常用的氨泵密封方案及特點(diǎn)

除了上述的密封方案外，目前熱氨泵常用的機(jī)械密封方案還有PLAN11+52、PLAN54和PLAN11+72(機(jī)械密封+干氣密封)。其使用效果與密封的選型、密封材料的選擇(包括O形圈材料)、沖洗方式及其帶壓系統(tǒng)的選型有關(guān)，使用情況有好有壞。

4.1 PLAN11+52

此方案為無(wú)壓串聯(lián)式機(jī)械密封，適用于易燃、易爆、有毒的易汽化的清潔流體，密封腔的壓力僅比進(jìn)口壓力高約0.2 MPa，第一級(jí)密封采用泵輸送介質(zhì)潤(rùn)滑和冷卻密封面，第二級(jí)密封采用常壓密封沖洗罐內(nèi)的緩沖液潤(rùn)滑和冷卻密封面，PLAN52典型示意見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 PLAN52管路和儀表安裝示意注：1—放空口；2—緩沖罐；3—補(bǔ)液口

圖5 PLAN52密封腔

中國(guó)五環(huán)工程有限公司在某項(xiàng)目中的熱氨泵，密封沖洗方案為(PLAN11+52)，原配套為小彈簧、平衡型機(jī)械密封。開車期間一級(jí)密封面多次損壞，廠家多次維修機(jī)封，并且更換密封面及密封圈的材質(zhì)均沒(méi)有解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)運(yùn)行過(guò)程及密封端面損壞的情況進(jìn)行分析，認(rèn)為損壞的原因可能有兩方面：一方面是一級(jí)密封面產(chǎn)生的熱量極易使液氨達(dá)到氣化壓力，在機(jī)械密封端面氣化，破環(huán)密封端面的平衡力；另外一方面是小彈簧平衡型結(jié)構(gòu)在非正常工況下的追隨性也大大降低，使動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的密封面直接撞擊和干磨。后來(lái)更換為金屬波紋管型機(jī)械密封，將密封環(huán)和波紋管制成一個(gè)整體，中間沒(méi)有輔助密封圈，此方案減少了一個(gè)泄漏點(diǎn)，同時(shí)減少了補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的摩擦力，改善了補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的追隨型，降低了機(jī)械密封端面對(duì)介質(zhì)的敏感性。更換后的使用效果還是不錯(cuò)的，但是一級(jí)密封端面容易氣化的隱患并沒(méi)有消除。

圖6 PLAN54管路和儀表安裝示意

4.2 PLAN54

此方案為帶壓雙端面(背靠背結(jié)構(gòu))機(jī)械密封，適用于易燃、易爆、有毒的易汽化的介質(zhì)，外供密封沖洗液的壓力高于密封腔的壓力，在密封端面處是由外供密封沖洗液進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，杜絕了液氨到達(dá)密度斷面發(fā)生氣化的可能性。PLAN54典型示意見(jiàn)圖6、圖7。

圖7 PLAN54密封腔

在尿素裝置中進(jìn)口EBARA的高壓液氨泵通常采用PLAN54的機(jī)械密封方案，機(jī)械密封是由荏原和日本皮拉公司聯(lián)合針對(duì)此泵設(shè)計(jì)開發(fā)的，為了確保密封沖洗的安全可靠性，設(shè)置有完整的密封沖洗系統(tǒng)，密封沖洗管線上設(shè)有壓力、壓差及自動(dòng)調(diào)節(jié)閥等相關(guān)的監(jiān)控、調(diào)節(jié)及報(bào)警裝置，如果外供水源不能滿足密封沖洗壓力的要求，還需要設(shè)置獨(dú)立的密封沖洗水箱及系統(tǒng)。機(jī)械密封的使用效果總體上是不錯(cuò)的，但是運(yùn)行成本和一次投資的成本都較高，對(duì)于較小的氨泵來(lái)說(shuō)，性價(jià)比不高。

4.3 PLAN11+72(機(jī)械密封+干氣密封)

此方案為帶壓串聯(lián)式機(jī)械密封，適用于易燃、易爆、有毒的易汽化的流體，此方案目前在很多工廠都是屬于改造方案，比如海南東方和川化都有相應(yīng)的改造成功的使用業(yè)績(jī)，改造后的使用情況也不錯(cuò)。此方案需使用N2來(lái)隔離，通常第一級(jí)密封也有泄漏，但被外面的干氣密封氮?dú)獯档交鹁婀苤?，其壽命與氮?dú)獾姆€(wěn)定性和密封設(shè)計(jì)有關(guān)。采用此種方案，設(shè)備采購(gòu)成本和后期的維護(hù)成本都是比較高的。對(duì)于較小的氨泵來(lái)說(shuō)，性價(jià)比不高。PLAN72典型示意見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 PLAN72管路和儀表安裝示意

圖9 PLAN72密封腔

但是針對(duì)這種方案，筆者認(rèn)為還有兩個(gè)需要注意的地方：一方面是第一級(jí)的密封方案采用PLAN14的沖洗方案增加了密封腔壓力，同時(shí)避免密封腔存氣，在介質(zhì)為氨的工況下，比采用PLAN11的使用效果更好；另外一方面需考慮到地域環(huán)境的差別，當(dāng)設(shè)備是用于嚴(yán)寒的北方，考慮到在PLAN72的放空側(cè)，為了避免泄漏排放的氣氨在放空的過(guò)程中出現(xiàn)冷凝引起液封，此時(shí)增加PLAN75，從機(jī)械密封的低點(diǎn)進(jìn)行積液導(dǎo)淋后排放，PLAN75典型示意見(jiàn)圖10、圖11。

圖10 PLAN75管路和儀表安裝示意

圖11 PLAN75密封腔

以上幾種密封方案也是在氨泵上比較常見(jiàn)的密封型式，每種密封型式都有其適用的場(chǎng)合和工況。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合使用業(yè)績(jī)，主要針對(duì)氨泵常用的密封方案進(jìn)行了介紹，并對(duì)每種方案的適用場(chǎng)合進(jìn)行了對(duì)比說(shuō)明，以及采用推薦的機(jī)械密封方案時(shí)應(yīng)注意采取的措施。在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)不同的工況，用戶和工程技術(shù)人員可以根據(jù)設(shè)備的使用工況選擇合適的密封方案，以確保氨泵安全、可靠、長(zhǎng)周期運(yùn)行。