串聯(lián)式干氣密封在丙烷泵上的應(yīng)用

1、串聯(lián)式干氣密封在丙烷泵上的應(yīng)用來源： 作者： 時間：2010-01-30從理論上對干氣密封的作用機(jī)理及影響干氣密封性能的主要參數(shù)進(jìn)行了研究。針對丙烷泵的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造出了適合輕烴類介質(zhì)的串聯(lián)式干氣密封及控制系統(tǒng)，工業(yè)運(yùn)行獲得成功，極大地提高了丙烷泵的的性能。一 、 概 述在現(xiàn)代石油化工工業(yè)中，常用離心泵來輸送各種飽和液化石油氣體，如甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丙烷、液氨等。這些液化氣絕大多數(shù)屬于易燃、易爆的危險介質(zhì)，一旦大量泄漏到環(huán)境中，將帶來極大的安全隱患，對生產(chǎn)裝置的安全造成嚴(yán)重的威脅。因此，這類液態(tài)烴泵軸封的可靠性和密封性在很大程度上決定了泵是否能可靠、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。長期以來，在煉油

2、行業(yè)中，丙烷泵的軸封問題一直是難以解決的課題。目前，該類離心泵一般采用單端面機(jī)械密封。在使用過程中，機(jī)械密封經(jīng)常出現(xiàn)磨損嚴(yán)重、壽命短、突然的噴漏等狀況，使用效果很不理想。由于密封頻繁的產(chǎn)生故障，對裝置的連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行造成了較大的影響，甚至出現(xiàn)裝置著火的安全事故?？梢哉f，包括丙烷泵密封在內(nèi)的各類輕烴機(jī)械密封幾乎是各石化行業(yè)普遍存在的老、大、難問題。因此，解決此類機(jī)械密封的問題成為現(xiàn)場設(shè)備管理人員及密封工作者所面臨的一個課題。由于丙烷介質(zhì)具有一些較獨(dú)特的物理性能，采用傳統(tǒng)的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)很難徹底解決丙烷泵的軸封問題。丙烷在泵內(nèi)輸送過程中，呈低沸點(diǎn)液體，該液體極其容易汽化，而且還具有低引火點(diǎn)、低粘度、

3、高蒸汽壓等特征。因?yàn)楸榈倪@些特性，其機(jī)械密封的摩擦副端面難以形成和維持連續(xù)、穩(wěn)定的流體膜，從而導(dǎo)致因流體膜汽化引起干摩擦，造成端面早期磨損。現(xiàn)場設(shè)備管理人員在長期的使用及維修過程中，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)生泄漏的密封拆下后密封面通常有兩種形態(tài)：一是端面幾乎沒有接觸的痕跡，即丙烷介質(zhì)在端面間形成了過大的液膜反力，將密封面推開，造成泄漏；另一種情況是載荷系數(shù)、彈簧比壓過大，密封僅運(yùn)行了很短時間即發(fā)生嚴(yán)重磨損，這些現(xiàn)象都是由丙烷介質(zhì)本身特性造成的。因此，如何改善丙烷泵機(jī)械密封端面潤滑條件，防止密封端面液膜汽化即是解決丙烷泵密封的關(guān)鍵。本文將干氣密封與機(jī)械密封的優(yōu)勢集中在一起，設(shè)計(jì)出的組合密封徹底解決了丙烷泵密

4、封的難題，為解決丙烷等輕烴介質(zhì)的軸封問題指明了方向。二、干氣密封的基本原理（一）、干氣密封基本原理干氣密封從外形結(jié)構(gòu)上與機(jī)械密封相同，同樣由動環(huán) 、靜環(huán) 、彈簧 、密封圈以及彈簧座等組成。圖 1所示為干氣密封環(huán)（可以是動環(huán)，也可以是靜環(huán)）示意圖，環(huán)密封面經(jīng)過研磨、拋光，并在其上面加工有流體動壓槽。動、靜環(huán)作相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，密封氣體被吸入動壓槽內(nèi)，由于密封堰的節(jié)流作用，進(jìn)入密封面的氣體被壓縮，壓力升高。在該氣體膜壓作用下，密封面被推開，與氣體靜壓力、彈簧力形成的閉合力達(dá)到平衡。此時，流動的氣體在兩個密封面間形成一層很薄的氣膜，（通過大量的理論研究與實(shí)踐證明，此氣膜厚度一般在3微米左右），氣膜厚度

5、十分穩(wěn)定，并具有良好的氣膜剛度，保證密封運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠。在穩(wěn)定狀態(tài)下，作用在密封面上的閉合力（彈簧力和介質(zhì)力）等于開啟力（氣膜反力），氣膜處于設(shè)計(jì)工作間隙。當(dāng)發(fā)生工藝條件波動或機(jī)械干擾，使得密封面貼近，有接觸的趨勢，此時氣膜厚度減小，剛度增大，氣膜反力增加，迫使密封工作間隙增大，恢復(fù)到正常值。相反，若密封氣膜厚度增大，則氣膜反力減小，閉合力大于開啟力，密封面貼近恢復(fù)到正常值。衡量干氣密封穩(wěn)定性的主要指標(biāo)就是氣膜剛度的大小，氣膜剛度越大，表明密封的抗干擾能力越強(qiáng)，運(yùn)行越穩(wěn)定。圖2 表示了干氣密封在運(yùn)行狀態(tài)下密封面上的軸向力平衡圖。（二）、影響干氣密封性能的主要參數(shù)影響干氣密封性能的參數(shù)分為結(jié)構(gòu)參數(shù)

6、和操作參數(shù)。端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封的穩(wěn)定性影響較大，操作參數(shù)對密封的泄漏量影響較大。一）、密封端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣膜剛度的影響1、 動壓槽形狀的影響理論研究表明，對數(shù)螺旋槽產(chǎn)生的流體動壓效應(yīng)最強(qiáng)，氣膜剛度最大，穩(wěn)定性最好，因此，絕大多數(shù)干氣密封都以對數(shù)螺旋槽作為密封動壓槽。2、 動壓槽深度的影響理論研究表明，流體動壓槽深度與氣膜厚度為同一量級時密封的氣膜剛度最大。所以，實(shí)際應(yīng)用中，干氣密封的動壓槽深度一般在310微米。3、動壓槽數(shù)量、寬度及長度的影影響干氣密封動壓槽數(shù)量越多，動壓效應(yīng)最強(qiáng)，但當(dāng)動壓槽達(dá)到一定數(shù)量后，再增加槽數(shù)時，對干氣密封性能影響已經(jīng)很小。此外，動壓槽的寬度、長度對密封性能都有一定的影

7、響。二）、操作參數(shù)對密封泄漏量的影響1、密封直徑、轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響密封直徑越大，轉(zhuǎn)速越高，密封環(huán)線速度越大，干氣密封的泄漏量越大。2、介質(zhì)壓力對泄漏量的影響在密封工作間隙一定的情況下，密封氣壓力越高，氣體泄漏量越大。3、介質(zhì)溫度、粘度對泄漏量的影響介質(zhì)溫度對密封泄漏量的影響是通過溫度對介質(zhì)粘度影響而形成的。介質(zhì)粘度增加，動壓效應(yīng)增強(qiáng)，氣膜厚度增加，但同時流經(jīng)密封端面間隙的阻力增加。因此，其對密封泄漏量的影響不大。三、丙烷泵工藝參數(shù)及其密封的特點(diǎn)B-512丙烷泵是北京燕山分公司煉油廠丙烷車間的關(guān)鍵動設(shè)備，該泵軸封采用的是單端面機(jī)械密封。長期來，丙烷泵密封一直存在不同程度的泄漏，密封使用壽命短，

8、檢修頻率高，給生產(chǎn)帶來一定的影響，同時，由于丙烷泄漏給生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行帶來極大危害。為此，我廠曾經(jīng)專門組織過丙烷泵密封攻關(guān)隊(duì)伍，但效果不是十分理想。B-512丙烷泵是沈陽水泵廠制造的150Y67x8型多級泵，密封采用的是單端面機(jī)械密封。泵的工藝條件如下：介 質(zhì): 丙烯、丙烷、丁烷等旋 向： 逆時針 （從電機(jī)方向看）密封軸徑： 65mm正常轉(zhuǎn)速： 2950r/min介質(zhì)溫度： 2540吸入壓力： 1.31.6 MPa 吸入溫度： 25出口壓力： 4.25.0 MPa 出口溫度： 40丙烷在25時的飽和蒸汽壓約1.2MPa，在40時約為1.5MPa，可見丙烷介質(zhì)的飽和蒸汽壓對溫度特別敏感。當(dāng)機(jī)械

9、密封磨損產(chǎn)生熱量時，會增加密封端面的溫度，造成部分液膜氣化，而端面液膜汽化反過來會影響密封端面的潤滑性能，是密封面溫度更高，如此形成惡性循環(huán)，最后造成密封端面無法形成液膜，密封端面處于干摩擦狀態(tài)，最后密封端面因燒毀而失效。這也就是丙烷泵機(jī)械密封特別容易出現(xiàn)劇烈磨損的原因。四、丙烷泵用串聯(lián)式干氣密封的特點(diǎn)：根據(jù)丙烷的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，我們決定采用機(jī)械密封與干氣密封組合的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，來解決丙烷泵的密封問題。該串聯(lián)式干氣密封具有以下特點(diǎn)：.氣密封與接觸式機(jī)械密封串聯(lián)使用，第一級機(jī)械密封為主密封，密封介質(zhì)為丙烷；第二級干氣密封為輔助密封，密封介質(zhì)主要為氮?dú)饧吧倭繌臋C(jī)械密封泄漏出已汽化的丙烷氣體；

10、.干氣密封與主密封間通入氮?dú)猓瑝毫σ话銥?.60.8MPa，這樣可以大大提高了主密封的背壓，減小了丙烷在端面間由于摩擦熱而汽化的程度（見圖3），避免機(jī)械密封出現(xiàn)劇烈磨損現(xiàn)象，從而極大地延長主密封的使用壽命，提高主密封的性能；.主密封泄漏的丙烷介質(zhì)進(jìn)入一、二級密封之間的密封腔，密封腔壓力為0.60.8MPa，在此壓力下，丙烷已經(jīng)為氣相。（在單端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)中，該泄漏氣體直接向環(huán)境泄漏，造成很大的危害；在串聯(lián)式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)中，該泄漏氣體與緩沖液混合，形成氣、液混相，造成第二級機(jī)械密封很快損壞，丙烷氣進(jìn)一步向環(huán)境泄漏。）該氣相丙烷隨氮?dú)庖黄鹋畔蚧鹁妫ɑ驈U氣回收系統(tǒng)），從而保證工藝介質(zhì)幾乎不向大氣泄

11、漏，是一種環(huán)保型、安全型密封結(jié)構(gòu)；.當(dāng)主密封失效后，干氣密封在短時間內(nèi)起到主密封作用，防止工藝介質(zhì)突然向大氣大量泄漏；.由于干氣密封的保護(hù)作用，即使因工藝波動出現(xiàn)抽空現(xiàn)象，組合密封也不易受損。五、丙烷泵用串聯(lián)式干氣密封設(shè)計(jì)和應(yīng)用根據(jù)我廠B-512丙烷泵的特點(diǎn)，我們和成都一通科技有限公司合作，在不改變原泵體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了適合該泵應(yīng)用的串聯(lián)式干氣密封，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該密封設(shè)計(jì)參數(shù)如下：1、主密封機(jī)械密封結(jié)構(gòu)參數(shù)：密封面外徑DO= 85.5 密封面內(nèi)徑Di=76平衡直徑 DB=78 載荷系數(shù) K =0.80彈簧比壓 PS=0.25MPa 端面比壓 Pb=0.51MPa（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主密封

12、機(jī)械密封結(jié)構(gòu)參數(shù)：密封面外徑DO= 85.5 密封面內(nèi)徑Di=76平衡直徑 DB=78 載荷系數(shù) K =0.80彈簧比壓 PS=0.25MPa 端面比壓 Pb=0.51MPa干氣密封結(jié)構(gòu)參數(shù)：理論研究表明，螺旋槽產(chǎn)生的流體動壓效應(yīng)最強(qiáng)，產(chǎn)生的氣膜剛度最大。為此，我們采用螺旋槽干氣密封結(jié)構(gòu)。利用有限元計(jì)算程序，對干氣密封端面螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：優(yōu)化時，以干氣密封具有最佳的氣膜剛度為優(yōu)化目標(biāo)，同時將干氣密封的最大剛漏比作為優(yōu)化的參考目標(biāo)。干氣密封最大剛漏比的物理意義是在密封具有較大氣膜剛度的情況下氣體泄漏量較小。優(yōu)化時干氣密封輸入?yún)?shù)如下：介質(zhì)平均粘度: = 1.42 X10-

13、5 Pa•S 密封轉(zhuǎn)速N=2950轉(zhuǎn)/分工作氣膜厚度Ho=3微米 工作壓力P=0.7 MPa螺旋槽密封面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化（1） 螺旋角的影響當(dāng)螺旋角為16左右時，密封的氣膜剛度、剛漏比和承載能力達(dá)到最大值。（2） 槽深的影響當(dāng)螺旋槽的槽深為設(shè)計(jì)氣膜厚度的3.5倍時，干氣密封的氣膜剛度、剛漏比以及承載能力最大。（3） 螺旋槽槽長的影響當(dāng)槽長與壩長之比小于1.5時，干氣密封的剛度、剛漏比、氣膜承載能力變化較大。（4） 螺旋槽槽寬的影響槽寬壩寬比在0.41.2范圍內(nèi)，密封的性能變化不是很大。（5） 螺旋槽槽數(shù)的影響隨著螺旋槽槽數(shù)的增加，干氣密封的氣膜剛度、剛漏比、氣膜承載能力均

14、有所提高?？紤]加工工藝上的原因，干氣密封螺旋槽數(shù)量選擇在1030為宜。（二）、B-512丙烷泵干氣密封系統(tǒng)流程說明：見圖二，外部氮?dú)夤芫W(wǎng)氮?dú)膺M(jìn)入控制系統(tǒng)，經(jīng)過濾器，減壓閥后，為干氣密封提供穩(wěn)定、干燥、清潔的密封氣；當(dāng)主密封泄漏過大或氮?dú)鈮毫^低，單向閥起到防止工藝介質(zhì)反串入氮?dú)夤芫W(wǎng)的作用；進(jìn)入密封腔的氮?dú)馀c主密封泄漏的微量工藝介質(zhì)通過節(jié)流孔板排向火炬；當(dāng)主密封機(jī)械密封泄漏過大時，由于限流孔板的作用，密封腔壓力上升，泄漏管線上的壓力表指示上升（或壓力開關(guān)發(fā)出報(bào)警信號），表明密封失效。六、干氣密封實(shí)驗(yàn)室臺架試驗(yàn)在完成了B-512丙烷泵干氣密封的設(shè)計(jì)制造后，我們在成都一通科技有限公司的試驗(yàn)臺上進(jìn)行了干氣密封的性能模擬試驗(yàn)。參考API617離心壓縮機(jī)干氣密封的試驗(yàn)規(guī)程，并按此規(guī)程對B-512丙烷泵干氣密封進(jìn)行性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，干氣密封具備高度的穩(wěn)定性、可靠性，漏量也非常穩(wěn)定，與設(shè)計(jì)值非常吻合。七、工業(yè)運(yùn)行考核成都一通科技有限公司設(shè)計(jì)制造的B-512丙烷泵干氣密封于2005年2月在我北京燕山石化煉油廠第六作業(yè)部丙烷裝置進(jìn)行干氣密封及控制系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝和工業(yè)運(yùn)行，干氣密封工業(yè)運(yùn)行一次成功。八、結(jié)論1) 在理論上，采用有限元法對干氣密封工作原理，端面槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，保證干氣密封具有良好的密封性和穩(wěn)定性。2）試驗(yàn)