液力透平機械密封國產(chǎn)化改造

安 冬，李寶強

（陜西延長石油（集團(tuán)）延安石油化工廠，陜西延安 727406）

0 引言

240 萬噸/年柴油加氫精制裝置反應(yīng)進(jìn)料泵（P-102A）采用電機和液力透平共同驅(qū)動的方式，該液力透平泵組從德國蘇爾壽公司進(jìn)口。利用液力透平驅(qū)動主要是為了回收反應(yīng)生成油從熱高分至熱低分的壓力能和熱能，降低裝置能耗。相比電機單獨驅(qū)動反應(yīng)進(jìn)料泵，液力透平和電機共同驅(qū)動時，每小時可節(jié)約電能約385 度。

1 原裝密封介紹

液力透平原裝密封采用進(jìn)口某廠家的雙端面機械密封（圖1），多彈簧式，背靠背布置，沖洗方案為API682-PLAN53B，即帶有囊式蓄冷器和冷卻器的外部增壓流體沖洗系統(tǒng)，流體通過雙密封總成中的泵送環(huán)進(jìn)行循環(huán)，沖洗系統(tǒng)壓力要求比密封腔最高壓力高0.2 MPa。

2 改造

自2015 年7 月投用液力透平以來，因機械密封泄漏問題，連續(xù)運行時間從未超過半年，由于該進(jìn)口機械密封采購、生產(chǎn)周期長，且價格高昂，嚴(yán)重制約著該節(jié)能設(shè)備的長周期運行。因此，經(jīng)與國內(nèi)多家密封廠家探討，車間提出相關(guān)改造建議，完成了對其機械密封的國產(chǎn)化改造。

2.1 介質(zhì)側(cè)密封圈的改造

原裝機械密封的內(nèi)部密封靜環(huán)與內(nèi)壓蓋采用材質(zhì)為全氟橡膠的O 形圈進(jìn)行密封，該材質(zhì)耐化學(xué)腐蝕性能優(yōu)異，且最高能耐近300高溫。正常運行時，液力透平密封介質(zhì)側(cè)溫度為200，理論上該O 形圈足以滿足其溫度要求。但實際運轉(zhuǎn)過程中，操作介質(zhì)溫度時有偏高，且摩擦端面產(chǎn)生的部分摩擦熱不能被有效帶走，導(dǎo)致O 形圈實際工作溫度接近其上限溫度，使用性能大幅下降，極容易出現(xiàn)高溫老化等不可恢復(fù)性塑性變形[1]。內(nèi)部密封失效，高溫介質(zhì)進(jìn)入隔離液密封腔，形成惡性循環(huán)，最終將導(dǎo)致外部密封失效。

柔性石墨既有優(yōu)良熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和高導(dǎo)熱性，耐高溫可達(dá)800，同時又具有獨特的可壓縮性和回彈性。因此，國產(chǎn)化機封將該部位的O 形圈由原來的全氟橡膠O 形圈改為模壓成型的柔性石墨矩形圈。

2.2 補償元件（彈簧）的改造

圖1 原機械密封

原機械密封采用多個小彈簧形式的密封元件，一方面是對密封端面產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，使密封端面在啟動、停車或介質(zhì)壓力波動時能夠保持良好的結(jié)合；另一方面來克服輔助密封圈與軸之間的摩擦力，使補償環(huán)軸向移動，以補償密封端面磨損后形成的間隙，即保持動環(huán)的追隨性[2]。原裝機械密封內(nèi)部密封動環(huán)與外部密封動環(huán)共用一組彈簧系統(tǒng)（圖2）。當(dāng)一側(cè)密封面承載能力過大被打開時，在同一組彈簧預(yù)緊力的作用下，另一側(cè)密封端面間隙減??；嚴(yán)重時，液膜閃蒸，出現(xiàn)干摩擦，造成密封失效；亦或者一側(cè)密封因故障出現(xiàn)傾斜時，必然會影響另一端摩擦副間隙及穩(wěn)定性。

根據(jù)共用一組彈簧系統(tǒng)的缺陷性，國產(chǎn)化改造中，將內(nèi)部密封動環(huán)與外部密封動環(huán)設(shè)置獨立的彈簧系統(tǒng)（圖3），端面偏斜時緩沖性能好，即使一端密封故障導(dǎo)致泄漏，也不會直接影響另一端密封，能夠?qū)㈦p端面機械密封的優(yōu)勢最大化。

2.3 密封環(huán)結(jié)構(gòu)的改造

原裝外部密封靜環(huán)采用軸向定位方式（圖4），該靜環(huán)支撐方式結(jié)構(gòu)簡單，傳熱好，但不能吸收腔體的軸向振動[3]，當(dāng)有微小軸向移動或振動時，會加大摩擦端面的磨損。

國產(chǎn)化改造中，改變靜環(huán)及外壓蓋形狀（圖5），靜環(huán)背端面有一彈性橡膠O 形圈，壓力作用在橫截面形心處，產(chǎn)生的力矩之和為0，具有較好的補償、吸振效果，更適用于高壓及變壓工況。

液力透平機械密封內(nèi)部密封壓差約為0.2 MPa，而外部密封壓差約為2.7 MPa，屬于高壓密封。高壓密封動環(huán)要求有最佳的幾何形狀，強化轉(zhuǎn)矩的傳遞機構(gòu)，降低摩擦熱變形。但原裝機械密封內(nèi)、外部密封動環(huán)結(jié)構(gòu)相同。國產(chǎn)化改造中，外部密封采用了與內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)形式不同的高壓密封，該密封動環(huán)采用了錐旋結(jié)構(gòu)，該類型的動環(huán)結(jié)構(gòu)形式更利于導(dǎo)熱、減小溫升、平衡作用力、抑制端面變形。

圖2 共用彈簧系統(tǒng)

圖3 獨立彈簧系統(tǒng)

圖4 原靜環(huán)定位方式

圖5 改造后靜環(huán)定位方式

3 效益分析

國產(chǎn)化改造后的機械密封使用1 年多以來，驅(qū)動端、非驅(qū)動端機械密封運行狀況良好，未出現(xiàn)泄漏情況。

原裝進(jìn)口機械密封價格為27 萬元/套，國產(chǎn)化后價格為5萬元/套，國產(chǎn)化改造前平均半年更換2 套（驅(qū)動端、非驅(qū)動端各1 套），改造后按平均1 年更換2 套計算，每年可節(jié)約材料費約98 萬元。

根據(jù)API 682 要求，囊式蓄能器和儲罐的流體加注（充壓）周期都應(yīng)該大于28 d。而改造前，沖洗系統(tǒng)失壓快，嚴(yán)重時平均每天要充壓1 次，職工勞動強度大，工業(yè)白油消耗量大。國產(chǎn)化改造后，沖洗系統(tǒng)充壓頻率遠(yuǎn)大于28 d，降低了職工的勞動強度，減少了工業(yè)白油的消耗量。

4 結(jié)語

液力透平機械密封國產(chǎn)化的改造，完全滿足原工況的使用要求，延長了機械密封的運行周期，保證了液力透平的安全、經(jīng)濟(jì)、平穩(wěn)、長周期運行。同時對同類機械密封的國產(chǎn)化具有一定的參考作用。