金属波纹管机械密封在特殊工况下的应用实例
介绍了金属波纹管机械密封在VCM 单体输送、DMF 结晶与蒸发等场合的应用，详细分析了波纹管机械密封在此类工况中成功应用的原因。
1、前言
机械密封在泵和搅拌釜等旋转类动设备中应用广泛。常规的弹簧式机械密封由于结构简单、价格便宜、使用方便，基本包揽了-15 ～150℃条件下的使用工况; 如果物料允许被冷却，在150～200℃之间，也可以使用弹簧式机械密封; 而波纹管机械密封则在200℃以上或- 50℃以下的领域被广泛应用。之所以如此，是因为在高( 低) 温条件下，弹簧式机械密封的辅助密封圈会出现失效，如橡胶材质辅助密封圈在高温下会发生老化、在低温下会出现脆裂现象; 四氟乙烯辅助密封圈在高温下发生热变形、在低温下出现冷流，因此在极端温度下金属波纹管机械密封不得不被使用。实际上，金属波纹管机械密封没有辅助的动密封圈，相对于弹簧式机械密封减少了泄漏点，可靠性显著提高，用作轴封优势明显。但波纹管机械密封制造成本相对较高，受经济因素影响，金属波纹管机械密封的应用局限于高温或低温的工作条件，没有完全发挥出可靠性高的优势。近些年，金属波纹管制造技术发展较快，国内有不少厂家都能够生产制造，因此，金属波纹管机械密封的价格有所下降，这也推动了金属波纹管机械密封在一般温度条件下的应用。作者在不同的常温场合应用金属波纹管机械密封取得较好的使用效果，认为金属波纹管机械密封在某些特殊工况下应用是值得推广的。本文介绍几个金属波纹管机械密封在常温下使用效果优于弹簧机械密封的事例。
2、金属波纹管机械密封的应用实例
2.1、在VCM 单体输送泵中的应用
VCM 单体是乳液聚合法生产聚氯乙烯PVC糊树脂的重要原料。
某厂糊树脂装置VCM 连续加料泵，其作用是从罐区直接向反应釜加料。进入反应釜内的加料压力不低于0.8MPa。物料VCM 保存在常温卧式储罐中，温度随季节变化，通常在0 ～ 35℃; 罐内压力即为物料的饱和蒸汽压，通常为0.2 ～0.55MPa; 粘度0.22 左右。罐区到泵入口距离大约20m，泵出口到反应釜的距离大约500m，储罐液位到泵入口中心线的高差正常2 ～3m，最低1.5m。泵在常温下工作，间歇运行( 每天约启动8次) ，要求其流量3 ～8m3 /h、扬程200m。该工位泵原使用法国Ensival 公司生产的多级自吸离心旋涡泵，配背靠背双端面平衡型弹簧机械密封，如图1，2所示。
图1 法国Ensival 自吸离心旋涡泵
图2 自吸离心旋涡泵配用双端面机械密封
在实际使用过程中，我们发现环境温度对泵工作状态影响较大，泵经常出现抽空现象，机械密封寿命通常只有2 个月左右。轴封失效情况为摩
擦副表面烧灼发黑、暴露在介质中的轴套外表面附着一层白色自聚物，机械密封O 形圈被自聚物包裹卡死，轴套上的自聚物妨碍了O 形圈在轴套上滑动，每次轴封失效检修都必须整体更换机械密封。装置开车后，虽多次检修但还是没能很好地解决问题。经分析认为主要原因有:
(1) 泵汽蚀使机械密封失效。原泵的汽蚀余量NPSHr 偏高，泵运行通常是处于接近临界状态，当上游储罐液位偏低或夏天环境温度偏高时，进液压力降低或汽化压提高，泵都会出现汽蚀现象。虽然所选泵为离心旋涡泵，有自吸功能，能够抽送少量气体，但自吸不能解决汽蚀问题。长时间泵汽蚀抽空，导致泵腔内产生的热量无法被输送的物料带走，密封腔内温度上升，物料汽化，最终轴封摩擦副干烧、机械密封失效。
(2) 物料不纯、易自聚导致机械密封失效。物料在泵轴封的细小缝隙内自聚，自聚物粘附于轴套并充塞O 形圈周围的细小缝隙，使机械密封动环失去轴向运动机能，不能自动补偿位移或角度偏差，导致密封面泄漏。
针对此情况，将该位号泵改为四级对称布置的离心泵，结构如图3 所示。泵的4 级叶轮两左两右背靠背对称布置，采用悬臂支撑，轴承部件与轴封布置在吸入侧，以降低密封压力; 高压侧轴端封死不设轴伸。轴封采用波纹管机械密封与弹簧机械密封的组合的双端面密封型式，冲洗方式Plan53，用水阻封。内侧波纹管机械密封防抽空性能好，对聚合物敏感性较低。
图3 对称式多级离心泵结构示意
通过改进，密封腔压力大大降低，密封变得容易多了; 同时，改用波纹管机械密封后，内侧机械密封不受物料中自聚物的影响。考虑到从储罐到泵的进液管路，如果在阳光下直晒，管路中液体的温度会大幅上升，物料更容易汽化。
我们对用户也提出一些要求，如在泵入口管路增加保温包覆，保证管路温度与储罐一致。尽可能使泵与进液管路处于阴暗潮湿的环境里，避免管路和泵暴露在阳光下直晒。
改进后的泵，在工艺要求的流量范围内汽蚀性能NPSHr 达到1 ～1.5m，在正常生产情况下，轴封的使用寿命在半年以上。随后，我们又对一次性VCM 加料泵及其它单体输送泵进行轴封改造: 采用类似的轴封技术———波纹管机械密封与弹簧机械密封串联( 见图4) ，配Plan52 冲洗方式，也取得成功，使用效果比原弹簧式双机械密封好很多。7 年多的生产实践表明: 新型机械密封寿命普遍都在半年以上; 生产系统稳定的情况下，少数泵机械密封寿命能达到1 年以上。单体泵轴封改进取得了成功，解决了轴封频繁更换的问题。
图4 波纹管机封与弹簧机封的串联结构示意
2.2、金属波纹管机械密封在DMF 生产中的应用
安徽某厂3 万吨/年CO 一歩法二甲基甲酰胺( DMF) 生产装置，需要用到6 台DMF 反应循环泵和2 台DMF 蒸发循环泵。这2 种循环泵原采用进口日机装屏蔽泵，实际使用效果不好，寿命通常只有2 ～ 3 个月。使用一段时间就出现滑动轴承破裂，屏蔽套磨穿。泵失效后，工厂不能修理，必须送专业厂返修，每年的检修花费在200 万元左右。同样采用CO 一歩法工艺的河南某厂6万吨DMF 装置，采用国内某厂生产的磁力离心泵，实际使用效果也较差。基于此对装置上的两个位号循环泵做了改造，直接使用机械密封离心泵。
2.2.1、DMF 反应循环泵
DMF 反应循环泵，也称为合成循环泵，用于反应釜内物料的循环，加速DMF 的生成。泵入口压力1.5 ～ 2MPa，要求循环量150m3 /h、泵扬程大约25m。物料基本组成为DMF 60% ～ 90%、二甲胺、甲醇、甲醇钠( 物料中含细小的甲醇钠固体颗粒) 。物料的温度115 ～ 125℃，粘度0.4，密度953kg /m3。考虑到物料的特殊性，按转速1475r /min 设计流程泵TEK150 -315。对于轴封，鉴于泵工作温度小于150℃，常规思路是采用背靠背双端面弹簧式机械密封，有压甲醇冲洗Plan53，冲洗压力比泵密封腔压力高0.05MPa，则比泵进口压力高0.2MPa。基于此采用副叶轮双端面密封( 内侧机械密封采用金属波纹管机械密封，外侧采用平衡型弹簧机械密封)作为轴封，结构如图5 所示。其基本思路是: 利用副叶轮的离心作用使固体甲醇钠颗粒离开密封腔，以净化密封腔; 同时副叶轮还能降低密封腔压力0.15MPa，为机械密封创造好的工作环境。这样，冲洗压力则只比泵进口压力高0.05MPa。
图5 副叶轮双端面机械密封结构示意图
考虑到系统压力较高，要求操作工谨慎操作，注意冷却与冲洗的操作流程。开车前，泵盖冷却腔和缓冲罐内盘管应接通冷却水，压力不低于0.3MPa，流量不少于0.5m3 /h; 打开氮气源对轴封缓冲罐加压，检查管路各接头处不渗漏。罐内未加压时，泵进出口阀不能打开( 泵轴封不能承受系统的2MPa 的高压作用，否则物料端机械密封静环推开不能复位，还有可能破坏波纹管) ，或者整个循环系统不能加压。停车时，只有泄掉泵腔压力后，才能停轴封缓冲罐氮气，停冷却水。
2.2.2、DMF 蒸发循环泵
DMF 蒸发循环泵是DMF 提纯的关键步骤。泵入口压力0.15MPa，要求循环量60m3 /h、泵扬程大约40m。物料基本组成为DMF90%、二甲胺、甲醇、甲醇钠( 物料中含细小的甲醇钠固体颗粒) 。物料的温度160 ～180℃。与反应循环泵比，工作温度有所提高，工作压力则大大降低。同样采用副叶轮双端面密封( 内侧机械密封采用金属波纹管机械密封，外侧采用平衡型弹簧机械密封) 的轴封方案。
经2 年多的使用表明，所采用的轴封方案是合适的。在严格按操作规程的前提下，轴封更换周期在半年以上。与原屏蔽泵或磁力泵方案比大大降低了检修成本，降低了维修工人的劳动强度。
3、结语
金属波纹管机械密封由于没有辅助的动密封圈，减少了泄漏点，可靠性相对提高。改变传统观念，在某些特定的常温介质中使用金属波纹管机械密封，可以取得令人满意的密封效果。在性价比优于弹簧机械密封时，推广使用金属波纹管机械密封是值得的。
