串联机械密封在气分装置液化气泵上的应用

摘 要：针对我厂气体分馏装置液化气泵机械密封频繁泄漏的问题，本文分析了液化气泵泄漏的主要原因，介绍了液化气泵串联机械密封的使用和特点，通过使用此密封，不仅确保了装置的安全生产，而且还避免了因频繁更换密封所带来的资金浪费，产生了较大的经济效益。

关键词：液化气泵 泄漏 串联机械密封 保护系统

1 前言

我车间30万吨/年气体分馏装置泵-4为丙烯塔-1回流泵，输送介质为丙烯、丙烷，该泵自2009年8月份以来，经常发生机械密封（单级）泄漏情况，严重时出现喷漏。液化气具有易燃易爆、低引火点、低粘度等特点，液化气的频繁外泄，极大的增加了安全隐患，对装置的安全、连续运行造成了较大的影响，并且污染了环境。同时，频繁更换密封也造成了资金和人力的浪费。

2 机械密封泄漏原因分析

机械密封靠弹性构件和介质压力在动环和静环的接触端面上产生压紧力，使两个端面紧密贴合并做相对运动，也可做补偿磨损的轴向移动，且在端面间维持一层极薄的液膜而达到密封的目的，这层液膜具有液体的动压力与静压力，它能平衡密封介质压力和润滑端面，从而达到密封和长久使用的目的。从机械密封的结构和工作原理，液化气介质的性质及日常应用结果来看，液化气泵机械密封泄漏的原因分析如下：

2.1 密封端面液膜闪蒸形成初期泄漏

因为液化气为易挥发性介质，所以极易汽化，产生相变。液化气泵机械密封的冷却系统在结垢堵塞时，或是工艺条件波动时，由于端面摩擦及旋转元件搅拌液体产生热量致使介质的饱和蒸气压上升，当密封的工作压力低于介质的饱和蒸气压时，端面液膜发生闪蒸爆裂，丧失润滑，造成密封端面干摩擦，致使密封泄漏。拆解泄漏的机械密封时发现两点。

（1）静环被轻微咬蚀，有慧星状纹理，有的石墨环外沿切边，是因液膜闪蒸后密封端面倾斜所致；动环密封面有径向裂纹 （热裂），是因密封端面间液膜转化为气态时的温差过大而造成。

（2）静环上严重磨损和凹槽；动环有径向裂纹和变色；O形圈硬化、开裂，是因密封端面干摩擦所造成。

2.2 密封端面结冰促使更大泄漏

当密封端面形成干摩擦，端面磨损出现轻微泄漏后，挥发的液化气使周围的水汽遇冷凝结成冰晶，密封端面及其周围结冰，从而导致更大的泄漏。

3 机械密封频繁泄漏的解决办法

针对这一情况，我厂维修车间和丹东克隆密封厂家联合对泵-4进行了密封改造，用串联机械密封替换以往的单级机械密封。

3.1 串联机械密封的结构与机理

串联机械密封是由两对单端面密封同向排列在一起的密封，在串联密封中，隔离流体在两对磨擦副间，将介质端一对磨擦副与大气端磨擦副隔离，起润滑、密封、冷却作用。其结构如图1所示：

1—冲洗口；2—弹簧组件Ⅰ；3—静环Ⅰ；4—内压盖；5—泵送环

6—封油出口；7—封油入口；8—外压盖；9—弹簧组件Ⅱ；10—静环Ⅱ

图1 串联机械密封示意图

该密封动环端面开有动压半圆槽，密封旋转时可以将更多的介质带入密封端面，在端面间形成液膜，并维持液膜的状态和刚度，减少因液化气润滑性差造成的剧烈摩擦，减少密封端面的磨损，延长密封使用寿命。封油侧密封对封油进行密封，并利用泵送环输送封油，保持封油的循环，带走摩擦热并润滑端面。为了加强泵送效果，在设计中加大泵送环螺距及导程，调整泵送环与腔径的间隙及螺旋槽深度，同时，将压盖上封油的进出口设计成切向，减少油路的阻碍，方便循环。

3.2 密封循环保护系统

串联机械密封循环保护系统由自冲洗保护系统和封油保护系统组成。自冲洗保护系统是借助泵的输送介质液化气的出口压力，从泵出口经冲洗线到泵密封腔内的自冲洗保护。利用输送介质从泵出口到泵密封腔进行自冲洗实现了热平衡，减轻了密封端面的干摩擦程度，改善了密封的环境。

封油保护系统由封油罐、管件、阀件、压力表、温度计等组成。

在封油罐内装入冷冻机油，由串联机械密封上的泵送环，利用泵轴的转动带动封油罐内的机油，使其在封油罐到密封腔内强制闭路循环冲洗。这样封油不但带走了由端面摩擦产生的大量热量，降低了温度，而且还使端面得到了充分的润滑，极大程度的避免了端面的干摩擦，提高了机械密封的可靠性。

3.3 串联机械密封的特点

从2009年11月份将泵-4改为串联机械密封到现在，已有4个月的时间。在这段时间内，丙烯塔-1回流泵泵-4从未发生过密封泄漏情况。与以前使用过的单级机械密封相比，串联机械密封有以下特点：

（1）实现了平稳生产

随着串联机械密封的使用，泵-4密封频繁泄漏问题已得到解决，使气体分馏装置消灭了因泵密封频繁泄漏导致装置停工停产的被动局面。

（2）抗工艺波动的能力加强

由于串级机械密封由两种保护系统保护，所以当工艺不稳，自冲洗系统保护作用减小时，封油保护系统将会给密封提供冷却和润滑，最大限度的避免了辅助密封圈O型环、V型环等密封原件的损伤，延长了密封的使用寿命。

（3）安全性高，利于环保：

如果泵密封一旦泄漏，泄漏出的液化气会进入密封封油液保护系统的封油罐中，最后通过封油罐的放空口排到低压瓦斯线中去。操作人员可通过封油罐上面的压力表指示和封油罐里面封油的液位判断密封是否泄漏。这样不仅确保了安全生产，消除了安全隐患，而且还保护了环境。

（4）使用寿命长，经济效益显著

串联机械密封使用寿命长，避免了以往经常更换单级机械密封所造成的资金、人力和物力上的浪费。此外，密封的封油保护系统所用的冷冻机油是内部循环使用，停泵时也不用排放机油，和水冷却相比，要大大节省了能源。

4 结束语

通过对串联机械密封的使用，气体分馏装置丙烯塔-1回流泵已经连续运行4个多月没有发生密封泄漏故障，不仅解决了影响装置稳定运行的重大安全隐患，避免了环境的污染，而且还产生了较大的经济效益，由此可见，串联机械密封在液化气泵上的使用是相当成功的。

参考文献

1 顾永泉.机械端面密封.东营：石油大学出版社，1994

2 王汝美.实用机械密封技术问答，北京：中国石化出版社，1995.11

3 胡国祯等.化工密封技术.化学工业出版社， 1990.9