宋 彬 朱寧寧

蘭州石化公司設(shè)備維修公司 蘭州市

一、問題概述

氣分裝置用的立式離心泵P1，是輸送液態(tài)烴介質(zhì)的關(guān)鍵泵，型號(hào)TTMC80-5，輸送介質(zhì)溫度35℃，流量56.5m3/h，進(jìn)口壓力0.55MPa，出口壓力1.19MPa，轉(zhuǎn)速2590r/min，軸功率75kW。此泵平時(shí)使用中，常出現(xiàn)機(jī)械密封突然泄漏故障，造成液態(tài)烴大量泄漏。

二、故障分析

1.機(jī)械密封失效原因分析

立式泵P1原來使用的機(jī)械密封為丹東克隆生產(chǎn)的型號(hào)為109-58的單端面機(jī)械密封，拆檢發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜環(huán)密封面磨損嚴(yán)重，有明顯的干磨痕跡，機(jī)械密封內(nèi)部存在大量積炭。

機(jī)械密封工作中，動(dòng)靜環(huán)密封端面處會(huì)形成一層厚度為h的密封膜（圖1）。密封膜有一定壓力，可以阻止介質(zhì)泄漏。密封膜的一端為密封介質(zhì)，壓力為P2，另一端為大氣，壓力為P1。對(duì)于物理性質(zhì)穩(wěn)定的流體來說，密封膜為全液相；對(duì)壓縮氣體來說，密封膜為全氣相。

通過查閱化學(xué)手冊(cè)可知，液態(tài)烴的物理性質(zhì)不穩(wěn)定，當(dāng)液態(tài)烴的壓力高于飽和蒸汽壓時(shí)，介質(zhì)液化，在機(jī)械密封端面處形成的密封膜為液相；當(dāng)液態(tài)烴的壓力低于飽和蒸汽壓時(shí)，介質(zhì)汽化，在機(jī)械密封端面處形成的密封膜為汽相。

因?yàn)橐簯B(tài)烴的飽和蒸汽壓PZ大于大氣壓力P1，而小于介質(zhì)壓力P2，那么在動(dòng)靜環(huán)密封端面處必然存在一點(diǎn)，其壓力等于PZ，其半徑等于rz。此時(shí)動(dòng)靜環(huán)端面密封膜為汽、液兩相。在r2rz段介質(zhì)為液相，在rzr1段介質(zhì)為汽相。由此可知，當(dāng)大氣段壓力增大為P3時(shí)，其中P3＞P1，那么rz的半徑會(huì)變小，此處的飽和蒸汽壓PZ也會(huì)隨之移動(dòng)。這樣r2rz段會(huì)增長，其間的延長的液相密封膜有助于機(jī)械密封的平穩(wěn)運(yùn)行，使其運(yùn)行壽命增加；而rzr1段會(huì)變短，可以有效解決機(jī)泵密封端面處液態(tài)烴汽化的問題（圖 2）。

2.引起液態(tài)烴類機(jī)械密封泄漏的原因

圖1 機(jī)械密封端面結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 飽和蒸汽壓位置變化圖

（1）溫度因素。因?yàn)橐簯B(tài)烴物理性質(zhì)不穩(wěn)定，溫度升高會(huì)使其飽和蒸汽壓PZ升高（圖3），使rz的半徑會(huì)變大，從而使r2rz段變短，使r1rz段變長，機(jī)封端面密封膜液相部分變短，汽相部分變長，不利于機(jī)封運(yùn)行，使其壽命變短。

（2）壓力因素。在操作過程中，調(diào)整工藝參數(shù)致使介質(zhì)壓力下降，會(huì)使密封膜壓重新分布，會(huì)使其飽和蒸汽壓PZ所在位置rz的半徑會(huì)變大，從而使r2rz段變短，使r1rz段變長，機(jī)封端面密封膜液相部分變短，汽相部分變長，不利于機(jī)封運(yùn)行，使其壽命變短（圖 4）。

（3）介質(zhì)組分。液態(tài)烴中輕組分增加，會(huì)使介質(zhì)汽化傾向加大，會(huì)使密封膜壓重新分布，會(huì)使其飽和蒸汽壓PZ所在位置rz的半徑會(huì)變大，從而使r2rz段變短，使r1rz段變長，機(jī)封端面密封膜液相部分變短，汽相部分變長，不利于機(jī)封運(yùn)行，使其壽命變短。

圖3 飽和蒸汽壓變化對(duì)膜壓分布的影響

圖4 壓力變化對(duì)密封膜壓分布的影響

（4）介質(zhì)雜質(zhì)。介質(zhì)中含有水、堿液等雜質(zhì)時(shí)，在液態(tài)烴發(fā)生汽化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶體，加劇密封端面磨損，不利于機(jī)封運(yùn)行。

3.分析結(jié)論

由此可見，想提高原有機(jī)械密封的使用壽命，可以對(duì)原有機(jī)械密封形式進(jìn)行改進(jìn)，將其改為串聯(lián)式機(jī)械密封形式，在第一道機(jī)械密封處增加背壓，加強(qiáng)沖洗效果，降低密封端面溫度。在工藝操作上保證機(jī)泵運(yùn)行平穩(wěn)，保證壓力、介質(zhì)組分、雜質(zhì)等均符合工藝要求。

三、密封改進(jìn)

將原來普通單端面接觸式機(jī)械機(jī)封改為接觸式機(jī)械密封與干氣密封串聯(lián)使用（圖5），這樣可以為接觸式機(jī)械密封提供一個(gè)背壓，使密封端面處的飽和蒸汽壓PZ發(fā)生移動(dòng)，使液相密封膜長度變長，從根本上解決液態(tài)烴汽化的問題。

1.機(jī)械密封（主密封）結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)泵運(yùn)行情況并參照原有機(jī)封相關(guān)參數(shù)，確定串聯(lián)式干氣密封中機(jī)械密封（主密封）的設(shè)計(jì)參數(shù)。密封面內(nèi)徑71mm，密封面外徑97mm，載荷系數(shù)0.635，彈簧比壓0.049MPa，端面比壓0.076MPa。

2.干氣密封參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)研究，干氣密封的動(dòng)壓槽采用對(duì)數(shù)螺旋槽，可以獲得最好的流體動(dòng)壓效應(yīng)。利用廠家提供的干氣密封優(yōu)化軟件，采用有限元方法對(duì)動(dòng)壓槽結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在軟件中輸入相關(guān)參數(shù)：密封面內(nèi)徑71mm，密封面外徑97mm，介質(zhì)平均黏度1852.67Pa·s，密封轉(zhuǎn)速 2950r/min，工作氣膜厚度 1.6μm，工作壓力0.4MPa，可得動(dòng)壓槽的優(yōu)化數(shù)據(jù)。

動(dòng)壓槽螺旋角17°左右時(shí)，螺旋槽的深度可以設(shè)定為氣膜厚度的3.5倍，此時(shí)氣膜的剛度、剛漏比和承載能力可以達(dá)到最大值。動(dòng)壓槽的槽長和密封壩長之比如果＜1.4，則氣膜的剛度、剛漏比和承載能力3個(gè)指標(biāo)會(huì)變化較大，如果動(dòng)壓槽的槽寬和密封壩寬之比為0.4～1.2，則氣膜的剛度、剛漏比和承載能力3個(gè)指標(biāo)會(huì)變化較小。此外，動(dòng)壓槽的數(shù)量應(yīng)選擇在15～25條。

圖5 立式泵P4/1用串聯(lián)式干氣密封

四、總結(jié)

通過對(duì)液態(tài)烴泵機(jī)封泄漏故障的分析，找到了引發(fā)泄漏的主要原因，并以此為切入點(diǎn)對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行改進(jìn)，取得良好效果。液態(tài)烴泵使用改進(jìn)后的機(jī)械密封已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)中，將原來機(jī)械密封壽命由3個(gè)月提升到2年。