流体阻塞密封在气分装置的应用

【关键词】机械密封,端面膜,流体阻塞密封
【论文摘要】机械密封端面间存在着端面膜，保证机械密封端面膜的稳定，是维持其密封效果的关键，要确保端面膜为稳定膜，只需确保端面膜不发生相变或虽发生相变但不破坏端面的贴合即可。引入流体阻塞机械密封的原理，使用美国FLOWSERVE公司生产的QBBW/QBQW型流体阻塞机械密封，使长期影响生产的密封泄漏问题得到解决。
岳阳兴长石化股份有限公司气体分离厂于1996年进行了扩能改造，在投产后的几年里，该装置的精丙烯塔中间泵P-4105与回流泵P4107频繁发生密封泄漏故障，严重时丙烯介质从密封端面处漏出，弥漫四周，造成气分装置停工，严重影响生产装置的安全正常运行。2000年引入美国PIT公司的3620型丙烯泵替换上述国产泵，配置美国FLOWSERVE公司生产的QB-BW/QBQW型流体阻塞机械密封，通过4年多的观察运行，使用效果良好。 
        一、原因分析 
        机械密封之所以能够起密封作用是由于机械密封端面间存在着端面膜，而端面膜的形态又决定了密封的效果。由于工况的不同，机械密封端面间存在着液相、气液混相与气相等三种型式的端面膜。端面膜存在着不同形态的原因是被密封液体接近饱和状态时，出现沸腾或闪蒸，即发生相变。而端面膜一旦发生相变，膜的反压力就会发生较大变化，从而导致端面贴合不稳定。所以解决问题的关键是如何保证机械密封的端面膜为稳定膜。很显然，要确保端面膜为稳定膜，只需确保端面膜不发生相变或虽发生相变但不破坏端面的贴合。  

    
　　已知该泵机械密封小弹簧的弹簧刚度（P′= 2.85N/nmm)，弹簧预压缩量x1= 3mm，装配时的压缩量x2=5mm，共有小弹簧12个，故可求得密封在工作状态下所受到的弹簧力：FS=12P′(x1+x2)=12×2.85(3+5)=273.6N则弹簧比压PSP为： 
        (1) 使机械密封端面贴合的压力（以下简称正压力）Pb1 (MPa)包括弹簧比压与介质压力。端面受到的正压力可按（2）式计算： 
        Pbl＝PSP+BPS (2) 
        式中 B=（D22一DO2）/（D22一D12） 
        PS—介质压力，MPa 
        测得静环端面内径D1=93mm，外径D2=102mm，动环0型圈处轴套外径Do = 95mm，介质压力PS=2.2MPa，则B=0.786，由此可求得施加给端面的正压力Pb1=1.93MPa。 


图1 



        结合以上的计算，从表1可见，当丙烯的温度在45-53℃之间波动时，非常容易遇到施加给端面膜的正压力（使端面贴合的压力）与丙烯饱和蒸气压相等的情况，一旦遇到这种情况，端面液膜就会在端面间剧烈沸腾，从而冲开端面，使丙烯从端面处量泄漏出来。如果能够使介则可以获得稳定的端面膜。 
        二、流体阻塞机械密封原理 
        假设需要密封的流体为A（图2)，机械密封的作用是防止流体从其一端流向另一端，而产生流动的原因是机械密封的两侧存在压差。现在流体A(丙烯）流向大气，原因是流体A的力大于大气压，此时端面间流体膜的成分为流体A。由以上分析可知，在现有的工况下，流体A作为端面膜时，端面很容易被冲开。如果在流体A的另一端施加比流体A压力更大的流体B，且流体B在现有的工况下较易被密封，这样就实现了密封介质的转化，使泄漏问题得到解决。事实上，进口泵所配置的机械密封就是这一原理。即动态平衡带压密封系统，所谓动态平衡就是机械密封端面所受到的正压力始终保持在一定范围内，不随流体A压力的变化而变化。调压缸的活塞上部为流体B，选择合适的上下承压面积以及合适刚度的弹簧可保证流体B比流体A高出0.1-0.2MPa的压力，这样可保证内外密封端面间的端面膜为B。流体B为合成白油（具有较好综合性能的一种润滑油），这样端面间流体膜的成分为合成白油，在上述工况下，白油的饱和蒸气压远小于端面正压，可获得稳定的端面膜。 



图2 


        调压缸活塞下部为引压侧：流体A的动态压力直接引至活塞下部，活塞随压力的变化而上下运动，使上部流体B的压力随流体A的压力变化而同向变化，形成动态密封。借助驱液环（泵送环）的强制循环和热虹吸的重力循环，造成对密封摩擦副的有效冲洗与散热。同时装有密封液换热器，可以对密封液进行不间断地冷却。通过观察活塞位置指示板的位置，可以判断密封是否处于正常状态。由于白油的润滑性能非常优良，因而机械密封的使用寿命得到了很大提高。 
        三、流体阻塞机械密封的使用效果 
        引入QBBW/QBQW型进口流体阻塞机械密封后，在长达4年的使用期间，出了两次故障，一次是由于装置突然波动，造成泵P-4105前端的动环密封圈失效，一次是泵P-4107后端密封油罐的活塞位置指示板急剧上升，前者属于非正常失效，后者属于正常磨损，在及时处理后恢复正常。 
目前密封使用效果良好，基本达到了预期使用效果。统计表明，一台进口泵（含密封）的购入费用为90万元，4台泵共需资金360万元，平均每年密封维护费用在8万元以下，泵体6年内无需解体检查，即6年内共需设备投入408万元。 
        以前平均每年用于密封维护的费用达30万元，每次泄漏丙烯价值在0.3-5万元之间，每年泄漏次数在20次以上，装置停工一次所造成经济损失在50-80万元，平均每年停工（含局部停工）2次，这样平均每年的损失在210万元，6年的损失在1260万元。新设备6年内可为企业节省800万元的费用。 


        参考文献 
        1　北京石油设计院编．《石油化工工艺计算图表》．烃加工出版社，1985 
（源自：中国流体机械网）