干气密封在立式高速泵上的应用

　　乙烯装置回收单元低压凝液泵原采用双端面机械密封, 密封使用寿命短, 封液泄漏严重。改造为干气密封后彻底改变了该泵的运行状况, 解决了泄漏问题, 减少了检修费用。立式高速泵干气密封的成功改造, 为同类立式高速泵轴封改造提供了参考。

　　高速泵在化工行业中应用广泛, 由于其转速高、压力高、密封腔尺寸小等特性, 制造比较困难, 目前国内只有少数几个厂家可以生产成熟的高速泵用机械密封, 而一旦遇到疑难泄漏问题, 可供用户选择余地很小。

　　中石化股份公司天津分公司聚乙烯装置排放气回收单元有2台低压凝液泵G-5213X/5218X, 为立式高速泵, 轴封形式采用双端面机械密封。这2 台泵自2002年10月投用以来, 机械密封频繁发生泄漏, 经常进行检修, 严重影响了生产的稳定运行。本文作者将聚乙烯装置的2台立式高速泵成功地改造为干气密封, 为同类立式高速泵轴封改造提供了参考。

1、原双端面机械密封存在的问题

图1　原双端面机械密封简图

　　原双端面机械密封的简图如图1所示, 其工作流程为: 封液罐底部经冷却后的封液沿动环旋转切线方向进入密封腔, 对密封副进行冲洗, 然后返回封液罐上部。封液的循环靠热虹吸作用实现, 罐内有盘管冷却器。封液罐上部接有低压氮气管线, 罐内压力略高于泵内密封腔的压力, 使封液只能向泵内泄漏, 而泵内的危险介质不能向外泄漏。同时, 封液也可能向泵大气侧泄漏。

　　该密封存在以下问题:

　　(1) 外侧密封泄漏严重, 需经常停泵补充封液。密封寿命短, 平均每两个星期就需更换一次机械密封。曾先后使用过几种机械密封产品, 也曾尝试调整弹簧压缩量、改为波纹管式密封、将楔型环改为O形环等手段, 均未能解决问题。

　　(2) 设计上存在隐患。

　　①因封液压力高于泵内压力, 一旦内侧密封失效, 封液会漏入泵内, 液位下降, 而设计上封液罐无液位低报开关, 若操作人员巡检不及时, 会导致封液漏光, 导致密封面干摩擦, 造成事故。

　　②封液罐的氮气注入管线上无单向阀, 在泵入口阀关闭, 而出口单向阀关闭不严的情况下, 系统背压会反串入泵内, 在密封腔内形成高压, 工艺介质通过内侧密封串入封液罐, 进而通过低压氮气管线串入其它系统, 非常危险。实际运行中曾发生过这种情况。

2、干气密封改造

　　经与有关密封生产厂家探讨后, 决定尝试将原来的接触式机械密封改造为非接触式的干气密封。经计算, 此泵的密封面的线速度和密封压力等参数完全可以满足干气密封的要求。

2.1、干气密封工作原理

　　干气密封是20世纪60年代末期从气体动压轴承的基础上发展起来的一种新型非接触式密封。该密封利用流体动力学原理, 通过在密封端面上开设动压槽而实现密封端面的非接触运行。干气密封最初是为解决高速离心压缩机轴封问题而出现的, 由于密封非接触运行, 因此密封摩擦副材料基本不受pv值的限制,特别适合作为高速、高压设备的轴封。随着干气密封技术的日益成熟, 其应用范围也越来越宽广, 目前,干气密封正逐渐在离心泵及搅拌器上得到应用。总之, 凡使用机械密封的场合均可采用干气密封。干气密封结构与机械密封近似, 也由旋转环、静环、弹簧、密封圈以及弹簧座和轴套组成, 不同之处在于旋转环密封面上加工出有特殊作用的流体动压槽。

图2　干气密封端面动压槽简图

　　如图2所示, 干气密封旋转环旋转时, 密封气体被吸入动压槽内,由外径朝向中心, 径分量朝着密封堰流动。由于密封堰的节流作用,进入密封面的气体被压缩, 气体压力升高。在该压力作用下, 密封面被推开, 流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜, 并向内侧泄漏。气膜的厚度约为3 μm, 且具有良好的刚性, 可以保证在发生工艺条件波动或机械干扰时, 仍能保持稳定的气膜, 保证密封面间的非接触相对运动和稳定的泄漏量。

与机械密封相比, 干气密封具有如下优点:

　　(1) 密封使用寿命长、运行稳定可靠;

　　(2) 密封功率消耗小, 仅为接触式机械密封的5%左右;

　　(3) 与其它非接触式密封相比, 干气密封气体泄漏量小;

　　(4) 可实现介质的零逸出, 是一种环保型密封;

　　(5) 密封辅助系统简单、可靠, 使用中不需要维护。

干气密封的不足之处是:

　　(1) 就近处需要有一定压力的气源, 气源压力要高于介质压力, 使现场应用受到限制;

　　(2) 微量密封气体(通常是氮气) 会进入工艺流程, 所选气体应对生产工艺无不利影响, 也使现场应用受到限制;

　　(3) 在启停瞬间未形成有效气膜时密封面会发生干摩擦, 在需频繁启动的设备上应用时使用寿命可能会缩短。

2.2、改造方案

　　将原双端面机械密封改造为双端面干气密封, 干气密封结构与原双端面机械密封近似, 不需改动原密封腔。主密封气利用原来的封液罐上的精制氮气, 原封液罐作为缓冲罐(也可不设) 。在现场新安装由过滤器、流量计等组成的控制盘, 连接管线作少量改动。

　　干气密封系统简图如图3所示, 其工作流程为:压力为0.7 MPa的密封气(精制氮气) 经过缓冲罐,再经过滤减压阀减压至0.6 MPa, 再通过流量计和单向阀进入密封腔, 一小部分密封气通过内侧密封泄漏入泵内, 另有一部分密封气通过外侧密封泄漏入大气中。

图3　干气密封系统简图

3、改造效果分析

　　2004年12月对G-5213X实施了改造, 改造后一次试车成功, 密封气泄漏量为0.4 m3 /h左右。随对另一台高速泵G-5218X也进行了改造, 同样一次试车成功。2台泵至今已连续运转8个月未发生过轴封泄漏问题, 消除了隐患。

　　低压凝液泵干气密封改造的成功, 解决了长期困扰该泵的轴封泄漏问题, 不但稳定了生产, 也为企业带来了很大的经济效益。改造前, 按每2个星期更换一次机械密封、每套机封3 000元计算, 每年的检修备件费为3 000 ×27 = 81 000 元, 干气密封每套约1万元, 寿命一般为3年, 折合每年3 300元, 此次改造成功每年可节约备件费用7 万多元, 经济效益明显。据了解, 此次改造为全国首例应用于立式高速泵的干气密封改造, 此次改造的成功, 对同类立式高速泵轴封的改造具有一定的参考价值。