馬斌良，于 陽，米孜拉夫·麥麥提，陸 軍，陶 軍

(中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司，新疆獨山子 833699)

軸流泵機械密封的改造與設(shè)計

馬斌良，于 陽，米孜拉夫·麥麥提，陸 軍，陶 軍

(中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司，新疆獨山子 833699)

某石化公司軸流泵機械密封多次發(fā)生泄漏，本文分析了機械密封失效的原因，對某結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進行了改進設(shè)計，將原串聯(lián)機械密封改造為串聯(lián)氣液膜密封，并設(shè)計了機械密封密封氣的控制系統(tǒng)，最后通過機械密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算，對原機械密封結(jié)構(gòu)進行了改造和優(yōu)化，改造后的機械密封性能優(yōu)于進口機械密封，實現(xiàn)了聚合反應(yīng)器循環(huán)軸流泵長周期運行。

軸流泵；密封；改造；設(shè)計

1 前言

某石化公司軸流泵屬于廠級主要設(shè)備，2009年投用以來，該軸流泵因機械密封失效導(dǎo)致裝置非計劃停工5次。每次裝置停車都造成乙烯原料的損失和過渡料、廢料的產(chǎn)生，直接經(jīng)濟損失高達95.14萬元，嚴重影響了裝置的經(jīng)濟效益。

根據(jù)實際使用情況記錄，該軸流泵機械密封使用壽命較短，平均使用壽命為6～8個月，購置一套進口機械密封價格高昂，單臺套機械密封價格近15.8萬元，并且采購周期較長，嚴重威脅到裝置的長周期運行，因此對軸流泵機封的改造刻不容緩[1-2]。

2 故障原因分析

軸流泵原配套密封為串聯(lián)接觸式機械密封(圖1)，沖洗方案采用API 682 Plan32+52，密封沖洗介質(zhì)為異丁烷。軸流泵在生產(chǎn)TUB121雙峰產(chǎn)品期間，反應(yīng)器的壓力下降至2.8 MPa時，機械密封經(jīng)常發(fā)生泄漏。同時密封油顏色逐漸變黑，取樣分析發(fā)現(xiàn)油品中磨粒超標，說明機械密封發(fā)生持續(xù)的磨損。

對機封泄露的原因進行分析，發(fā)現(xiàn)密封沖洗液異丁烷屬于易汽化類介質(zhì)，密封端面摩擦熱無法通過Plan 52系統(tǒng)封液罐中密封油帶走，造成密封端面異丁烷介質(zhì)汽化，主密封密封端面流體膜相態(tài)不穩(wěn)定，出現(xiàn)氣液混相，密封端面動靜環(huán)摩擦副接觸不良，密封端面磨損嚴重，造成主密封介質(zhì)泄漏，密封油污染，加之密封油循環(huán)不暢，進一步加劇主副密封的失效，最終導(dǎo)致軸流泵停工。

圖1 機械密封剖面示意

3 新型機械密封的方案設(shè)計與選型

通過上述分析，可以看出異丁烷的氣化造成主密封密封面液膜的不穩(wěn)定是導(dǎo)致機械密封泄露的根本原因，如何阻止異丁烷氣化，保證密封面液膜穩(wěn)定是解決該機械密封泄露的根本途徑。針對軸流泵運行工況及介質(zhì)特點，選擇將原機械密封改造為氣液膜串聯(lián)密封[1]，并配置相應(yīng)的密封氣控制系統(tǒng)，通過提高密封氣的壓力，實現(xiàn)已丁烷飽和蒸汽壓的提高，從而降低或防止因內(nèi)側(cè)主密封密封端面液膜汽化而造成的密封失效。

3.1 結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)軸流泵輸送介質(zhì)工況條件、軸流泵結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)場公用工程條件(表1)，按照API 682-2014版(第四版)，選用布置方式二的干氣密封(2CW-CS)結(jié)構(gòu)；密封沖洗方案采用Plan32+72+76。內(nèi)側(cè)主密封為液膜密封，外側(cè)安全密封為氣膜密封(圖2)。

表1 軸流泵數(shù)據(jù)

圖2 氣液膜串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)示意

密封結(jié)構(gòu)設(shè)計為串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，介質(zhì)側(cè)密封為主密封，雙平衡型結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)反壓及泵短暫抽空工況；大氣側(cè)氣膜密封為安全密封(抑制密封)，非接觸式運轉(zhuǎn)，摩擦功耗低。主密封與安全密封之間設(shè)置迷宮密封。

介質(zhì)側(cè)主密封與大氣側(cè)安全密封間通入一定壓力的氮氣，一方面為主密封提供一定背壓，防止介質(zhì)汽化；另一方面為安全密封提供潤滑介質(zhì)。

正常情況下，主密封起密封介質(zhì)作用，氣膜密封起安全密封作用。氮氣將主密封泄漏的微量介質(zhì)排向火炬，確保介質(zhì)不泄漏到大氣環(huán)境。由于安全密封利用氮氣作為密封介質(zhì)，因此氣膜密封泄漏至大氣側(cè)氣體為純凈氮氣，對環(huán)境無污染。當(dāng)主密封失效時，氣膜密封在8 h可以起到安全密封的作用，為檢修提供充足時間，防止意外事故的發(fā)生。

3.2 密封控制系統(tǒng)選型

密封控制系統(tǒng)是密封的重要組成部分，包括穩(wěn)壓過濾單元、監(jiān)測顯示單元?？刂葡到y(tǒng)的主要作用是為密封提供壓力穩(wěn)定且潔凈(過濾精度1微米)、干燥的氮氣，并監(jiān)測干氣密封的運轉(zhuǎn)狀況，確保密封安全、可靠、長周期運行。

管網(wǎng)氮氣首先進入控制系統(tǒng)的穩(wěn)壓過濾單元，通過過濾和穩(wěn)壓，過濾清除管網(wǎng)氮氣中的雜質(zhì)及水分，確保氮氣干燥、清潔，并且保證氮氣在一定的設(shè)定壓力下。

通過對進氣壓力監(jiān)測和排火炬壓力監(jiān)測，可以觀察機械密封的運行狀態(tài)。進氣壓力監(jiān)測設(shè)為低壓力報警，當(dāng)進氣壓力監(jiān)測低報時，表明密封氣進氣壓力過低或外側(cè)氣膜密封泄漏量過大；排火炬壓力監(jiān)測設(shè)為高壓報警，當(dāng)排火炬壓力監(jiān)測高報時，表明主密封泄漏過大，密封需要更換。

通過流量監(jiān)測單元顯示氮氣消耗量。當(dāng)進氣壓力監(jiān)測低報且流量超標，表明外側(cè)氣膜密封失效，密封需要更換。

4 新型機械密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

改造后的密封為氣液膜串聯(lián)密封，主密封為液膜密封，副密封為氣膜密封，其結(jié)構(gòu)設(shè)計計算需分別進行。

4.1 主密封結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

4.1.1 密封環(huán)面的寬度b

(1)

式中d2——密封環(huán)面外徑，mmd1——密封環(huán)面內(nèi)徑，mm

取d1=118.9mm，密封環(huán)帶寬度b=3.7mm，則d2=126.3mm。

4.1.2 密封流體壓力有效作用面積Ae

密封流體壓力p:

p=p1-p2

(2)

式中p1——密封流體高壓側(cè)壓力,MPa,p1=5MPa

p2——密封流體低壓側(cè)壓力,MPa,p2=1.05MPa

將已知參數(shù)代入式(2)得p=5-1.05=3.95MPa。對于內(nèi)側(cè)密封，平衡直徑db=120mm。

密封流體壓力有效作用面積Ae：

(3)

將已知參數(shù)代入式(3)得Ae=1218.08mm2。

4.1.3 面積比B

(4)

將已知參數(shù)代入式(4)得B=0.86。

4.1.4 密封環(huán)帶面積A

(5)

將已知參數(shù)代入得A=1424.37mm2，內(nèi)側(cè)密封取間隙為2.15mm，選用彈簧比壓psp=0.28MPa。

4.1.5 摩擦系數(shù)f

摩擦是密封端面在運行過程中的主要物理現(xiàn)象，根據(jù)使用工況選擇摩擦系數(shù)f=0.07。

4.1.6 膜壓系數(shù)km

(6)

式中R1,R2——密封面內(nèi)圓和外圓半徑

將已知參數(shù)代入式(6)得km=0.51。

4.1.7 端面比壓pb

(7)

式中r——密封端面半徑，mmh——密封液膜厚度，mmφ——密封面扇形角度，°

將已知參數(shù)代入式(7)得pb=1.6625MPa。

4.1.8 平均滑移速度V

V=1.25×10-5πn(d2+d1)

(8)

式中n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min

將已知參數(shù)代入式(8)式得V=14.15m/s。

4.2 密封性能參數(shù)的計算

4.2.1 泄漏量

(9)

對于內(nèi)側(cè)密封，取膜厚h=1.3μm，將已知參數(shù)代入式(9)得Q=0.1851mL/h。

4.2.2 摩擦功耗和扭矩的計算

摩擦力F：

(10)

摩擦功耗N：

N=FV=4.02W

(11)

摩擦微扭矩dMf：

(12)

摩擦扭矩Mf：

(13)

4.2.3PV的計算

根據(jù)已知條件P=3.95MPa，V=14.15m/s，則：

PV=55.8925MPa·m/s

4.3 外側(cè)副密封結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

外側(cè)安全密封為氣膜密封，其理論基礎(chǔ)為雷諾方程：

根據(jù)氣膜密封具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過專用軟件可得:密封開啟力為4313.8N，端面氣膜厚度為2.58μm，氣膜密封功率消耗為3W，氣膜密封端面氮氣消耗量為0.115Nm3/h，氣膜剛度為0.21846×109N/m。

根據(jù)JB/T11289-2012《干氣密封技術(shù)條件》，氣膜密封滿足旋轉(zhuǎn)時密封泄漏量≤0.25Nm3/h要求。

5 機械密封改造后的性能驗證

5.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證

經(jīng)過現(xiàn)場多次調(diào)試，將進氣壓力PI30012設(shè)為低壓力報警，報警值為250 kPa；排火炬壓力PI30014設(shè)為高壓報警，報警值為1300 kPa。氮氣消耗量FI30013設(shè)為高流量報警，報警值為40 Nm3/h。

通過現(xiàn)場一年多的使用，軸流泵進氣壓力PI30012和排氣壓力PI30014均穩(wěn)定在1000 kPa左右,氮氣消耗量FI30013穩(wěn)定在15 Nm3/h左右。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示改造后的機械密封運行良好。

5.2 機械密封解體檢查驗證

利用轉(zhuǎn)產(chǎn)停工的時間，對改造后的機械密封進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)機械密封的動環(huán)和靜環(huán)磨損正常，沒有發(fā)生偏磨現(xiàn)象。

6 結(jié)語

軸流泵機械密封沖洗介質(zhì)氣化造成機械密封動靜環(huán)磨損，發(fā)生機封泄漏的設(shè)備故障。結(jié)合已丁烷易氣化的特點，對軸流泵機械密封進行選型和設(shè)計。DCS監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示改造后的機械密封使用效果良好，解體檢查結(jié)果也證明機械密封滿足設(shè)備使用要求，有效的延長了軸流泵的運行周期。

[1] 馬凱，蔡仁良，勵行根，等.反應(yīng)堆壓力容器用C形密封環(huán)的變形特性研究[J].壓力容器，2016，33(1)：14-19.

[2] 何方，張爾卿，陳侃.乙烯三機干氣密封設(shè)計參數(shù)優(yōu)化[J].化工設(shè)備與管道，2016，53(3)：46-52.

Reconstruction Design of Mechanical Seal for Axial Flow Pump

MA Bin-liang,YU Yang,Mizraph·Maimait,LU Jun,TAO Jun

(PetroChina Dushanzi Petrochemical Company,Dushanzi 833699,China)

The axial flow pump of a petrochemical company often happens the leakage fault of mechanical seal.The reason of mechanical seal failure was analyzed,the structure and control of the mechanical seal was designed,the original series mechanical seal was transformed into the tandem gas liquid membrane seal，and the seal gas control system was also designed for the machine seal.At last,through the design calculation of the mechanical seal structure,the structure of the original machine sealing was reformed and optimized,the performance of modified machine seal is better than that of the original import mechanical seal.Through the improvement,the long-period safe & stable operation of The axial flow pump was gained.

axial-flow pump；mechanical seal；transform；design

1005-0329(2017)02-0053-04

2016-07-12

TH312

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.012

馬斌良(1975-)，男，工學(xué)博士，高級工程師，主要從事設(shè)備管理工作，通訊地址：833699 新疆克拉瑪依市獨山子石化分公司乙烯廠機動處，E-mail：mabingliang@petrochina.com.cn。