低温泵机械密封泄漏问题地解决措施

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低温泵机械密封泄漏问题的解决措施
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　　我公司的为单级悬臂式离心泵。该泵是乙炔塔回流泵，工作介质是乙烯，其作用是在前续流程中控制塔顶不含C3组分，由于工作温度为-54℃，因此该泵简称为乙烯低温泵。该泵尤其在冬季就会出现严重的泄漏问题，造成机泵检修频次高，运行时间短，对生产造成了极大影响。因此必须全面分析引起机械密封泄漏的各种原因，提出切实可行的措施。为此，从理论分析着手，寻找这类故障的原因，从而采取相应措施，以期彻底消除事故隐。


一、密封系统失效原因分析
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　　轻烃泵的单端面接触式机械密封，在其密封端面之间并不存在一个完整的液膜。密封端面之间产生的大量摩擦热就会导致密封面温度升高，从而促使端面间液膜汽化，而使液体变成蒸气而发生相变。此外，由于轻烃介质的饱和蒸气压高于一个大气压，轻烃介质流经密封端面间隙时产生压力降低，必然在某一位置上发生汽化(相变)。从而按端面流体膜相态可分为液相密封、气相密封以及气液相混合密封(图2)。通常在不同的流体膜状态下，密封装置的工作特征有很大区别。
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　　液相密封密封端面之间充满一层完整的液膜，见图2(A)，泄漏可能以液体或气体形式出现。其特点是膜压系数为一定值，工作状态稳定，摩擦因数小，泄漏量也小。气液混相密封密封端面之间充满一层由液体和蒸气形成的混合膜，见图2(B)，泄漏以气相形式出现。其特点是膜压系数随温度不同而变化，工作状态不稳定，易出现明显的气喷振动、端面鸣叫等现象，密封端面摩擦磨损严重，极易出现早期失效。因此，其使用周期较短。当密封端面温升过高使端面液膜完全汽化或当工艺操作条件波动使密封腔内介质都已汽化(即密封腔内介质压力小于该温度下的汽化压力)时，端面间为全气膜状态，见图2(C)该气膜虽为稳定气膜，但密封端面处于干摩擦接触状态，会产生大量的摩擦热，使端面温度急剧升高。如果不采取较强的冲洗冷却等调温措施或立即稳定工艺操作，密封面将严重烧伤，密封合金环端面可因热裂而失效。



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( c' o- o( g# t# O% U9 o　　旧的机械密封的介质机封使用的是密封圈材质为硅橡胶、辅助密封为丁腈橡胶，由于主密封密封圈的硅橡胶不适合介质(C3～C10)组分，容易造成的溶胀腐蚀，因此造成主密封失效；而辅助密封密封圈用的是丁腈橡胶，其温度适用范围为-30℃～120℃，但是受密封介质成分复杂及工艺波动等原因，工作温度有时一般会低于-30℃，最低可达-52℃度，此时当主密封有微量泄漏时，所泄漏的介质进入甲醇腔，由于进入的介质温度低于丁腈橡胶所能承受的最低温度，从而造成辅助密封圈失效。


　　1．正压抽空。正压抽空是指泵腔内的介质工作压力压力高于一个大气压，但箱内介质压力或密封端面流体膜压力低于输送温度下介质的饱和蒸气压，使介质在密封箱内或密封端面之间发生汽化的现象。轻烃泵的来料流量及压力的波动会引起正压抽空，此时轻烃泵用机械密封处于不稳定的气液混相摩擦状态或气相干摩擦状态，密封装置发生故障的概率大为增加。其失效形式表现为密封环因端面干摩擦磨损剧烈而严重烧损、密封面产生鸣叫、间歇式气喷振动、硬质合金环端面产生热裂以及辅助密封圈热胀龟裂等。
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1 ]. N+ I8 X9 e　　2．负压抽空。生产中有时会出现瞬时负压抽空，泵不能输送液体介质，此时密封腔内介质压力低于大气压力，作用在动环背面的闭合力(由弹簧压力和介质压力组成)小于作用在的开启力(由端面接触压力和流体膜压力组成)，动环将向左产生轴向移动，与静环迅速脱开，由于此时两端面间已是负压，静环在其背部大气压力的作用下可能与防转销脱开，并在其与动环间瞬间摩擦力的带动下旋转一定角度，使得整个密封装置不能复位而失效。产生端面分离后，当压力恢复正常时除了会产生瞬间异常泄漏外，动环或补偿环可能会因辅助密封圈与轴(套)卡住而无法复位闭合或动环复位与静环接触不良产生端面偏磨引起密封失效。应当指出，若静环背部有冷却水时或采用双端面密封有封液时，负压抽空一开始便会有冷却水(或封液)进到环端面缝隙中，在端面高温下将产生汽化闪蒸，加剧补偿环的脱开。综上所述，工艺系统的操作不稳定是造成轻烃泵机械密封抽空失效的主要原因。


二、使用干气密封后解决的问题

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　　当动密封按下图所示的转动方向转动，气体沿螺旋槽向内运行的槽根部，但动静环内侧环面在高速旋转下，形成密封面，则气体形成阻力，从而使动静环间压力升高，将两环面分离，产生一定间隙形成气膜。当密封力(简称闭力)与气膜的压力(简称开力)相等时，则动静环密封面间形成 0.0025～0.005m m 的恒定状态的间隙。
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　　（一）增大了介质端机械密封摩擦副液膜宽度
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  Q( B, G) h7 L7 q: Q6 I　　由于介质压力和弹簧力的作用，使密封端面上有一定的压紧力，在动环和静环之间形成很小的间隙，在此间隙上形成液膜，由于间隙很小，介质通过时阻力很大，从而阻止了液体的泄漏，并且可以起到润滑摩擦副，减轻磨损的作用。此液膜存在一个液膜压力其大小由以下公式可知：p+p0=ps+psp如图4所示：

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　　p———密封面间的压紧力；p0———液膜压力；ps———介质压力；psp———动环弹簧力。


　　液膜压力延密封面半径是变化的，密封面外侧是液膜压力最大值，等于泵内介质压力P，延半径方向逐渐降低，到密封内侧变为零。其分布近似呈直线，但随液体性质而略有不同。由于存在正压抽空，膜靠近内侧端流体膜压力低于输送温度下介质的饱和蒸气压，使介质液膜在密封端面之间发生汽化的现象，液膜宽度变小。使用干气密封以后，由于氮气的背压存在，增大了密封面内侧液膜压力，使其发生正压抽空的几率降低或使正压抽空影响降低，从而增加了液膜宽度，延长了主机械密封运转周期。


　　由上述可看出，干气密封的独特之处就在于密封面的螺旋槽结构，它成功地使机械密封两密封面由接触式变为非接触式，从而达到良好的密封性能并且大大延长了密封使用寿命。
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　　(二)解决了主机封微量泄漏的影响程度

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1 P" ^) M7 ]' e& N0 X$ s$ m: H3 S　　改造前的机封，当发生正压或负压抽空时，主机封会发生微量泄漏，使用干气密封以后，增加了主机封的背压，致使低于背压的泄漏无法到达二级密封，即使大于背压的工艺介质泄漏，到达二级干气密封以后也会气化(压力降低所致)由火炬系统进行燃烧处理，从而使工艺介质不会大量外泄至大气中，确保了设备现场环境的安全和不被污染。

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　　(三)解决了由于抽空造成的静环脱落
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　　生产中由于操作不稳定，有时会出现瞬时负压抽空，泵不能输送液体介质，此时密封腔内介质压力低于大气压力，作用在动环背面的闭合力(由弹簧压力和介质压力组成)小于作用在密封端面的开启力(由端面接触压力和流体膜压力组成)，动环将向左产生轴向移动，与静环迅速脱开，由于此时两端面间已是负压，静环在其背部大气压力的作用下可能与防转销脱开，并在其与动环间瞬间摩擦力的带动下旋转一定角度，使得整个密封装置不能复位而失效。产生端面分离后，当压力恢复正常时除了会产生瞬间异常泄漏外，动环或补偿环可能会因辅助密封圈与轴(套)卡住而无法复位闭合或动环复位与静环接触不良产生端面偏磨引起密封失效。改造后在动静环座与动静环之间增加了卡环，使静环位置在工艺波动前后始终保持一致，从而解决了由于工艺波动等原因引起的负压抽空造成整个密封装置不能复位引起的失效。
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" j0 R% U) @/ c  `0 Y/ V. |* e　　(四)解决了密封圈因介质组份复杂导致溶胀、腐蚀及不耐低温等问题

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3 }2 S+ o+ P: ^' N) @+ l" m　　改造后使用材质的密封圈，其适用介质组份范围广，能有效的防止介质对其的溶胀及腐蚀，另外PTFE的适用温度范围为-100℃～260℃，其优良的耐低温性能能解决因低温造成的密封圈补偿作用失效，攻克了密封圈在低温下经常失效的难题。C型环组件特殊的结构是在C型环密封结构的基础上增加了弹簧圈，弹簧圈的弹力有效增加了密封圈的跟随性;C形环在压力的作用下，迫使环口上下张开，压力越大，张开的力就越大，从而达到密封的目的；又因为C形环的材质为PTFE，从而解决丁腈橡胶的耐低温性差以及硅橡胶的跟随性、补偿性差的问题，起到了很好的密封作用。改进机械密封后，取得了良好的效果。
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三、结语
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5 \1 n8 ]  [0 E& L  `　　为非接触式轴封，可靠性高，寿命长，维护方便，辅助系统简单，功率消耗低，使用极长，维护方便，使用极限线速度高，但价格比较昂贵，一般比串级机械密封大五倍。我厂的低温轻烃泵自密封改造后运行状况良好，由于氮气既作为密封气又可作为干燥气，对冷泵的预冷等要求不再苛刻，故障率明显下降，同时，也解决了冷泵中介质易挥发、润滑性差而导致机封主密封损坏，使用寿命短的问题。所以，干气密封在装置机械密封故障率高的如乙烯精馏塔回流泵，脱甲烷釜液泵等重要的轻烃冷泵内有推广应用价值，对乙烯装置稳定运行具有较大的实际意义。