乙烯裝置回收單元低壓凝液泵原采用雙端面機械密封, 密封使用壽命短, 封液泄漏嚴重。改造為干氣密封后徹底改變了該泵的運行狀況, 解決了泄漏問題, 減少了檢修費用。立式高速泵干氣密封的成功改造, 為同類立式高速泵軸封改造提供了參考。

　　高速泵在化工行業中應用廣泛, 由于其轉速高、壓力高、密封腔尺寸小等特性, 制造比較困難, 目前國內只有少數幾個廠家可以生產成熟的高速泵用機械密封, 而一旦遇到疑難泄漏問題, 可供用戶選擇余地很小。

　　中石化股份公司天津分公司聚乙烯裝置排放氣回收單元有2臺低壓凝液泵G-5213X/5218X, 為立式高速泵, 軸封形式采用雙端面機械密封。這2 臺泵自2002年10月投用以來, 機械密封頻繁發生泄漏, 經常進行檢修, 嚴重影響了生產的穩定運行。本文作者將聚乙烯裝置的2臺立式高速泵成功地改造為干氣密封, 為同類立式高速泵軸封改造提供了參考。

1、原雙端面機械密封存在的問題

圖1　原雙端面機械密封簡圖

　　原雙端面機械密封的簡圖如圖1所示, 其工作流程為: 封液罐底部經冷卻后的封液沿動環旋轉切線方向進入密封腔, 對密封副進行沖洗, 然后返回封液罐上部。封液的循環靠熱虹吸作用實現, 罐內有盤管冷卻器。封液罐上部接有低壓氮氣管線, 罐內壓力略高于泵內密封腔的壓力, 使封液只能向泵內泄漏, 而泵內的危險介質不能向外泄漏。同時, 封液也可能向泵大氣側泄漏。

　　該密封存在以下問題:

　　(1) 外側密封泄漏嚴重, 需經常停泵補充封液。密封壽命短, 平均每兩個星期就需更換一次機械密封。曾先后使用過幾種機械密封產品, 也曾嘗試調整彈簧壓縮量、改為波紋管式密封、將楔型環改為O形環等手段, 均未能解決問題。

　　(2) 設計上存在隱患。

　　①因封液壓力高于泵內壓力, 一旦內側密封失效, 封液會漏入泵內, 液位下降, 而設計上封液罐無液位低報開關, 若操作人員巡檢不及時, 會導致封液漏光, 導致密封面干摩擦, 造成事故。

　　②封液罐的氮氣注入管線上無單向閥, 在泵入口閥關閉, 而出口單向閥關閉不嚴的情況下, 系統背壓會反串入泵內, 在密封腔內形成高壓, 工藝介質通過內側密封串入封液罐, 進而通過低壓氮氣管線串入其它系統, 非常危險。實際運行中曾發生過這種情況。

2、干氣密封改造

　　經與有關密封生產廠家探討后, 決定嘗試將原來的接觸式機械密封改造為非接觸式的干氣密封。經計算, 此泵的密封面的線速度和密封壓力等參數完全可以滿足干氣密封的要求。

2.1、干氣密封工作原理

　　干氣密封是20世紀60年代末期從氣體動壓軸承的基礎上發展起來的一種新型非接觸式密封。該密封利用流體動力學原理, 通過在密封端面上開設動壓槽而實現密封端面的非接觸運行。干氣密封最初是為解決高速離心壓縮機軸封問題而出現的, 由于密封非接觸運行, 因此密封摩擦副材料基本不受pv值的限制,特別適合作為高速、高壓設備的軸封。隨著干氣密封技術的日益成熟, 其應用范圍也越來越寬廣, 目前,干氣密封正逐漸在離心泵及攪拌器上得到應用。總之, 凡使用機械密封的場合均可采用干氣密封。干氣密封結構與機械密封近似, 也由旋轉環、靜環、彈簧、密封圈以及彈簧座和軸套組成, 不同之處在于旋轉環密封面上加工出有特殊作用的流體動壓槽。

圖2　干氣密封端面動壓槽簡圖

　　如圖2所示, 干氣密封旋轉環旋轉時, 密封氣體被吸入動壓槽內,由外徑朝向中心, 徑分量朝著密封堰流動。由于密封堰的節流作用,進入密封面的氣體被壓縮, 氣體壓力升高。在該壓力作用下, 密封面被推開, 流動的氣體在兩個密封面間形成一層很薄的氣膜, 并向內側泄漏。氣膜的厚度約為3 μm, 且具有良好的剛性, 可以保證在發生工藝條件波動或機械干擾時, 仍能保持穩定的氣膜, 保證密封面間的非接觸相對運動和穩定的泄漏量。

與機械密封相比, 干氣密封具有如下優點:

　　(1) 密封使用壽命長、運行穩定可靠;

　　(2) 密封功率消耗小, 僅為接觸式機械密封的5%左右;

　　(3) 與其它非接觸式密封相比, 干氣密封氣體泄漏量小;

　　(4) 可實現介質的零逸出, 是一種環保型密封;

　　(5) 密封輔助系統簡單、可靠, 使用中不需要維護。

干氣密封的不足之處是:

　　(1) 就近處需要有一定壓力的氣源, 氣源壓力要高于介質壓力, 使現場應用受到限制;

　　(2) 微量密封氣體(通常是氮氣) 會進入工藝流程, 所選氣體應對生產工藝無不利影響, 也使現場應用受到限制;

　　(3) 在啟停瞬間未形成有效氣膜時密封面會發生干摩擦, 在需頻繁啟動的設備上應用時使用壽命可能會縮短。

2.2、改造方案

　　將原雙端面機械密封改造為雙端面干氣密封, 干氣密封結構與原雙端面機械密封近似, 不需改動原密封腔。主密封氣利用原來的封液罐上的精制氮氣, 原封液罐作為緩沖罐(也可不設) 。在現場新安裝由過濾器、流量計等組成的控制盤, 連接管線作少量改動。

　　干氣密封系統簡圖如圖3所示, 其工作流程為:壓力為0.7 MPa的密封氣(精制氮氣) 經過緩沖罐,再經過濾減壓閥減壓至0.6 MPa, 再通過流量計和單向閥進入密封腔, 一小部分密封氣通過內側密封泄漏入泵內, 另有一部分密封氣通過外側密封泄漏入大氣中。

圖3　干氣密封系統簡圖

3、改造效果分析

　　2004年12月對G-5213X實施了改造, 改造后一次試車成功, 密封氣泄漏量為0.4 m3 /h左右。隨對另一臺高速泵G-5218X也進行了改造, 同樣一次試車成功。2臺泵至今已連續運轉8個月未發生過軸封泄漏問題, 消除了隱患。

　　低壓凝液泵干氣密封改造的成功, 解決了長期困擾該泵的軸封泄漏問題, 不但穩定了生產, 也為企業帶來了很大的經濟效益。改造前, 按每2個星期更換一次機械密封、每套機封3 000元計算, 每年的檢修備件費為3 000 ×27 = 81 000 元, 干氣密封每套約1萬元, 壽命一般為3年, 折合每年3 300元, 此次改造成功每年可節約備件費用7 萬多元, 經濟效益明顯。據了解, 此次改造為全國首例應用于立式高速泵的干氣密封改造, 此次改造的成功, 對同類立式高速泵軸封的改造具有一定的參考價值。