流體阻塞密封在氣分裝置的應(yīng)用

【關(guān)鍵詞】機(jī)械密封,端面膜,流體阻塞密封
【論文摘要】機(jī)械密封端面間存在著端面膜，保證機(jī)械密封端面膜的穩(wěn)定，是維持其密封效果的關(guān)鍵，要確保端面膜為穩(wěn)定膜，只需確保端面膜不發(fā)生相變或雖發(fā)生相變但不破壞端面的貼合即可。引入流體阻塞機(jī)械密封的原理，使用美國FLOWSERVE公司生產(chǎn)的QBBW/QBQW型流體阻塞機(jī)械密封，使長期影響生產(chǎn)的密封泄漏問題得到解決。
岳陽興長石化股份有限公司氣體分離廠于1996年進(jìn)行了擴(kuò)能改造，在投產(chǎn)后的幾年里，該裝置的精丙烯塔中間泵P-4105與回流泵P4107頻繁發(fā)生密封泄漏故障，嚴(yán)重時丙烯介質(zhì)從密封端面處漏出，彌漫四周，造成氣分裝置停工，嚴(yán)重影響生產(chǎn)裝置的安全正常運(yùn)行。2000年引入美國PIT公司的3620型丙烯泵替換上述國產(chǎn)泵，配置美國FLOWSERVE公司生產(chǎn)的QB-BW/QBQW型流體阻塞機(jī)械密封，通過4年多的觀察運(yùn)行，使用效果良好。 
        一、原因分析 
        機(jī)械密封之所以能夠起密封作用是由于機(jī)械密封端面間存在著端面膜，而端面膜的形態(tài)又決定了密封的效果。由于工況的不同，機(jī)械密封端面間存在著液相、氣液混相與氣相等三種型式的端面膜。端面膜存在著不同形態(tài)的原因是被密封液體接近飽和狀態(tài)時，出現(xiàn)沸騰或閃蒸，即發(fā)生相變。而端面膜一旦發(fā)生相變，膜的反壓力就會發(fā)生較大變化，從而導(dǎo)致端面貼合不穩(wěn)定。所以解決問題的關(guān)鍵是如何保證機(jī)械密封的端面膜為穩(wěn)定膜。很顯然，要確保端面膜為穩(wěn)定膜，只需確保端面膜不發(fā)生相變或雖發(fā)生相變但不破壞端面的貼合。  

    
　　已知該泵機(jī)械密封小彈簧的彈簧剛度（P′= 2.85N/nmm)，彈簧預(yù)壓縮量x1= 3mm，裝配時的壓縮量x2=5mm，共有小彈簧12個，故可求得密封在工作狀態(tài)下所受到的彈簧力：FS=12P′(x1+x2)=12×2.85(3+5)=273.6N則彈簧比壓PSP為： 
        (1) 使機(jī)械密封端面貼合的壓力（以下簡稱正壓力）Pb1 (MPa)包括彈簧比壓與介質(zhì)壓力。端面受到的正壓力可按（2）式計(jì)算： 
        Pbl＝PSP+BPS (2) 
        式中 B=（D22一DO2）/（D22一D12） 
        PS—介質(zhì)壓力，MPa 
        測得靜環(huán)端面內(nèi)徑D1=93mm，外徑D2=102mm，動環(huán)0型圈處軸套外徑Do = 95mm，介質(zhì)壓力PS=2.2MPa，則B=0.786，由此可求得施加給端面的正壓力Pb1=1.93MPa。 


圖1 



        結(jié)合以上的計(jì)算，從表1可見，當(dāng)丙烯的溫度在45-53℃之間波動時，非常容易遇到施加給端面膜的正壓力（使端面貼合的壓力）與丙烯飽和蒸氣壓相等的情況，一旦遇到這種情況，端面液膜就會在端面間劇烈沸騰，從而沖開端面，使丙烯從端面處量泄漏出來。如果能夠使介則可以獲得穩(wěn)定的端面膜。 
        二、流體阻塞機(jī)械密封原理 
        假設(shè)需要密封的流體為A（圖2)，機(jī)械密封的作用是防止流體從其一端流向另一端，而產(chǎn)生流動的原因是機(jī)械密封的兩側(cè)存在壓差?，F(xiàn)在流體A(丙烯）流向大氣，原因是流體A的力大于大氣壓，此時端面間流體膜的成分為流體A。由以上分析可知，在現(xiàn)有的工況下，流體A作為端面膜時，端面很容易被沖開。如果在流體A的另一端施加比流體A壓力更大的流體B，且流體B在現(xiàn)有的工況下較易被密封，這樣就實(shí)現(xiàn)了密封介質(zhì)的轉(zhuǎn)化，使泄漏問題得到解決。事實(shí)上，進(jìn)口泵所配置的機(jī)械密封就是這一原理。即動態(tài)平衡帶壓密封系統(tǒng)，所謂動態(tài)平衡就是機(jī)械密封端面所受到的正壓力始終保持在一定范圍內(nèi)，不隨流體A壓力的變化而變化。調(diào)壓缸的活塞上部為流體B，選擇合適的上下承壓面積以及合適剛度的彈簧可保證流體B比流體A高出0.1-0.2MPa的壓力，這樣可保證內(nèi)外密封端面間的端面膜為B。流體B為合成白油（具有較好綜合性能的一種潤滑油），這樣端面間流體膜的成分為合成白油，在上述工況下，白油的飽和蒸氣壓遠(yuǎn)小于端面正壓，可獲得穩(wěn)定的端面膜。 



圖2 


        調(diào)壓缸活塞下部為引壓側(cè)：流體A的動態(tài)壓力直接引至活塞下部，活塞隨壓力的變化而上下運(yùn)動，使上部流體B的壓力隨流體A的壓力變化而同向變化，形成動態(tài)密封。借助驅(qū)液環(huán)（泵送環(huán)）的強(qiáng)制循環(huán)和熱虹吸的重力循環(huán)，造成對密封摩擦副的有效沖洗與散熱。同時裝有密封液換熱器，可以對密封液進(jìn)行不間斷地冷卻。通過觀察活塞位置指示板的位置，可以判斷密封是否處于正常狀態(tài)。由于白油的潤滑性能非常優(yōu)良，因而機(jī)械密封的使用壽命得到了很大提高。 
        三、流體阻塞機(jī)械密封的使用效果 
        引入QBBW/QBQW型進(jìn)口流體阻塞機(jī)械密封后，在長達(dá)4年的使用期間，出了兩次故障，一次是由于裝置突然波動，造成泵P-4105前端的動環(huán)密封圈失效，一次是泵P-4107后端密封油罐的活塞位置指示板急劇上升，前者屬于非正常失效，后者屬于正常磨損，在及時處理后恢復(fù)正常。 
目前密封使用效果良好，基本達(dá)到了預(yù)期使用效果。統(tǒng)計(jì)表明，一臺進(jìn)口泵（含密封）的購入費(fèi)用為90萬元，4臺泵共需資金360萬元，平均每年密封維護(hù)費(fèi)用在8萬元以下，泵體6年內(nèi)無需解體檢查，即6年內(nèi)共需設(shè)備投入408萬元。 
        以前平均每年用于密封維護(hù)的費(fèi)用達(dá)30萬元，每次泄漏丙烯價值在0.3-5萬元之間，每年泄漏次數(shù)在20次以上，裝置停工一次所造成經(jīng)濟(jì)損失在50-80萬元，平均每年停工（含局部停工）2次，這樣平均每年的損失在210萬元，6年的損失在1260萬元。新設(shè)備6年內(nèi)可為企業(yè)節(jié)省800萬元的費(fèi)用。 


        參考文獻(xiàn) 
        1　北京石油設(shè)計(jì)院編．《石油化工工藝計(jì)算圖表》．烴加工出版社，1985 
（源自：中國流體機(jī)械網(wǎng)）