乙烯裝置回收單元低壓凝液泵原采用雙端面機(jī)械密封, 密封使用壽命短, 封液泄漏嚴(yán)重。改造為干氣密封后徹底改變了該泵的運(yùn)行狀況, 解決了泄漏問(wèn)題, 減少了檢修費(fèi)用。立式高速泵干氣密封的成功改造, 為同類立式高速泵軸封改造提供了參考。

　　高速泵在化工行業(yè)中應(yīng)用廣泛, 由于其轉(zhuǎn)速高、壓力高、密封腔尺寸小等特性, 制造比較困難, 目前國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾個(gè)廠家可以生產(chǎn)成熟的高速泵用機(jī)械密封, 而一旦遇到疑難泄漏問(wèn)題, 可供用戶選擇余地很小。

　　中石化股份公司天津分公司聚乙烯裝置排放氣回收單元有2臺(tái)低壓凝液泵G-5213X/5218X, 為立式高速泵, 軸封形式采用雙端面機(jī)械密封。這2 臺(tái)泵自2002年10月投用以來(lái), 機(jī)械密封頻繁發(fā)生泄漏, 經(jīng)常進(jìn)行檢修, 嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文作者將聚乙烯裝置的2臺(tái)立式高速泵成功地改造為干氣密封, 為同類立式高速泵軸封改造提供了參考。

1、原雙端面機(jī)械密封存在的問(wèn)題

圖1　原雙端面機(jī)械密封簡(jiǎn)圖

　　原雙端面機(jī)械密封的簡(jiǎn)圖如圖1所示, 其工作流程為: 封液罐底部經(jīng)冷卻后的封液沿動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)切線方向進(jìn)入密封腔, 對(duì)密封副進(jìn)行沖洗, 然后返回封液罐上部。封液的循環(huán)靠熱虹吸作用實(shí)現(xiàn), 罐內(nèi)有盤(pán)管冷卻器。封液罐上部接有低壓氮?dú)夤芫�, 罐內(nèi)壓力略高于泵內(nèi)密封腔的壓力, 使封液只能向泵內(nèi)泄漏, 而泵內(nèi)的危險(xiǎn)介質(zhì)不能向外泄漏。同時(shí), 封液也可能向泵大氣側(cè)泄漏。

　　該密封存在以下問(wèn)題:

　　(1) 外側(cè)密封泄漏嚴(yán)重, 需經(jīng)常停泵補(bǔ)充封液。密封壽命短, 平均每?jī)蓚�(gè)星期就需更換一次機(jī)械密封。曾先后使用過(guò)幾種機(jī)械密封產(chǎn)品, 也曾嘗試調(diào)整彈簧壓縮量、改為波紋管式密封、將楔型環(huán)改為O形環(huán)等手段, 均未能解決問(wèn)題。

　　(2) 設(shè)計(jì)上存在隱患。

　　①因封液壓力高于泵內(nèi)壓力, 一旦內(nèi)側(cè)密封失效, 封液會(huì)漏入泵內(nèi), 液位下降, 而設(shè)計(jì)上封液罐無(wú)液位低報(bào)開(kāi)關(guān), 若操作人員巡檢不及時(shí), 會(huì)導(dǎo)致封液漏光, 導(dǎo)致密封面干摩擦, 造成事故。

　　②封液罐的氮?dú)庾⑷牍芫�上無(wú)單向閥, 在泵入口閥關(guān)閉, 而出口單向閥關(guān)閉不嚴(yán)的情況下, 系統(tǒng)背壓會(huì)反串入泵內(nèi), 在密封腔內(nèi)形成高壓, 工藝介質(zhì)通過(guò)內(nèi)側(cè)密封串入封液罐, 進(jìn)而通過(guò)低壓氮?dú)夤芫�串入其它系統(tǒng), 非常危險(xiǎn)。實(shí)際運(yùn)行中曾發(fā)生過(guò)這種情況。

2、干氣密封改造

　　經(jīng)與有關(guān)密封生產(chǎn)廠家探討后, 決定嘗試將原來(lái)的接觸式機(jī)械密封改造為非接觸式的干氣密封。經(jīng)計(jì)算, 此泵的密封面的線速度和密封壓力等參數(shù)完全可以滿足干氣密封的要求。

2.1、干氣密封工作原理

　　干氣密封是20世紀(jì)60年代末期從氣體動(dòng)壓軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型非接觸式密封。該密封利用流體動(dòng)力學(xué)原理, 通過(guò)在密封端面上開(kāi)設(shè)動(dòng)壓槽而實(shí)現(xiàn)密封端面的非接觸運(yùn)行。干氣密封最初是為解決高速離心壓縮機(jī)軸封問(wèn)題而出現(xiàn)的, 由于密封非接觸運(yùn)行, 因此密封摩擦副材料基本不受pv值的限制,特別適合作為高速、高壓設(shè)備的軸封。隨著干氣密封技術(shù)的日益成熟, 其應(yīng)用范圍也越來(lái)越寬廣, 目前,干氣密封正逐漸在離心泵及攪拌器上得到應(yīng)用。總之, 凡使用機(jī)械密封的場(chǎng)合均可采用干氣密封。干氣密封結(jié)構(gòu)與機(jī)械密封近似, 也由旋轉(zhuǎn)環(huán)、靜環(huán)、彈簧、密封圈以及彈簧座和軸套組成, 不同之處在于旋轉(zhuǎn)環(huán)密封面上加工出有特殊作用的流體動(dòng)壓槽。

圖2　干氣密封端面動(dòng)壓槽簡(jiǎn)圖

　　如圖2所示, 干氣密封旋轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí), 密封氣體被吸入動(dòng)壓槽內(nèi),由外徑朝向中心, 徑分量朝著密封堰流動(dòng)。由于密封堰的節(jié)流作用,進(jìn)入密封面的氣體被壓縮, 氣體壓力升高。在該壓力作用下, 密封面被推開(kāi), 流動(dòng)的氣體在兩個(gè)密封面間形成一層很薄的氣膜, 并向內(nèi)側(cè)泄漏。氣膜的厚度約為3 μm, 且具有良好的剛性, 可以保證在發(fā)生工藝條件波動(dòng)或機(jī)械干擾時(shí), 仍能保持穩(wěn)定的氣膜, 保證密封面間的非接觸相對(duì)運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定的泄漏量。

與機(jī)械密封相比, 干氣密封具有如下優(yōu)點(diǎn):

　　(1) 密封使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠;

　　(2) 密封功率消耗小, 僅為接觸式機(jī)械密封的5%左右;

　　(3) 與其它非接觸式密封相比, 干氣密封氣體泄漏量小;

　　(4) 可實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的零逸出, 是一種環(huán)保型密封;

　　(5) 密封輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠, 使用中不需要維護(hù)。

干氣密封的不足之處是:

　　(1) 就近處需要有一定壓力的氣源, 氣源壓力要高于介質(zhì)壓力, 使現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用受到限制;

　　(2) 微量密封氣體(通常是氮?dú)? 會(huì)進(jìn)入工藝流程, 所選氣體應(yīng)對(duì)生產(chǎn)工藝無(wú)不利影響, 也使現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用受到限制;

　　(3) 在啟停瞬間未形成有效氣膜時(shí)密封面會(huì)發(fā)生干摩擦, 在需頻繁啟動(dòng)的設(shè)備上應(yīng)用時(shí)使用壽命可能會(huì)縮短。

2.2、改造方案

　　將原雙端面機(jī)械密封改造為雙端面干氣密封, 干氣密封結(jié)構(gòu)與原雙端面機(jī)械密封近似, 不需改動(dòng)原密封腔。主密封氣利用原來(lái)的封液罐上的精制氮?dú)? 原封液罐作為緩沖罐(也可不設(shè)) 。在現(xiàn)場(chǎng)新安裝由過(guò)濾器、流量計(jì)等組成的控制盤(pán), 連接管線作少量改動(dòng)。

　　干氣密封系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖3所示, 其工作流程為:壓力為0.7 MPa的密封氣(精制氮?dú)? 經(jīng)過(guò)緩沖罐,再經(jīng)過(guò)濾減壓閥減壓至0.6 MPa, 再通過(guò)流量計(jì)和單向閥進(jìn)入密封腔, 一小部分密封氣通過(guò)內(nèi)側(cè)密封泄漏入泵內(nèi), 另有一部分密封氣通過(guò)外側(cè)密封泄漏入大氣中。

圖3　干氣密封系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3、改造效果分析

　　2004年12月對(duì)G-5213X實(shí)施了改造, 改造后一次試車(chē)成功, 密封氣泄漏量為0.4 m3 /h左右。隨對(duì)另一臺(tái)高速泵G-5218X也進(jìn)行了改造, 同樣一次試車(chē)成功。2臺(tái)泵至今已連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)8個(gè)月未發(fā)生過(guò)軸封泄漏問(wèn)題, 消除了隱患。

　　低壓凝液泵干氣密封改造的成功, 解決了長(zhǎng)期困擾該泵的軸封泄漏問(wèn)題, 不但穩(wěn)定了生產(chǎn), 也為企業(yè)帶來(lái)了很大的經(jīng)濟(jì)效益。改造前, 按每2個(gè)星期更換一次機(jī)械密封、每套機(jī)封3 000元計(jì)算, 每年的檢修備件費(fèi)為3 000 ×27 = 81 000 元, 干氣密封每套約1萬(wàn)元, 壽命一般為3年, 折合每年3 300元, 此次改造成功每年可節(jié)約備件費(fèi)用7 萬(wàn)多元, 經(jīng)濟(jì)效益明顯。據(jù)了解, 此次改造為全國(guó)首例應(yīng)用于立式高速泵的干氣密封改造, 此次改造的成功, 對(duì)同類立式高速泵軸封的改造具有一定的參考價(jià)值。