低溫泵機械密封泄漏問(wèn)題的解決措施
我公司的低溫泵為單級懸臂式離心泵。該泵是乙炔塔回流泵，工作介質(zhì)是乙烯，其作用是在前續流程中控制塔頂不含C3組分，由于工作溫度為-54℃，因此該泵簡(jiǎn)稱(chēng)為乙烯低溫泵。該泵尤其在冬季就會(huì )出現嚴重的機械密封泄漏問(wèn)題，造成機泵檢修頻次高，運行時(shí)間短，對生產(chǎn)造成了極大影響。因此必須全面分析引起機械密封泄漏的各種原因，提出切實(shí)可行的措施。為此，從理論分析著(zhù)手，尋找這類(lèi)故障的原因，從而采取相應措施，以期徹底消除事故隱。
一、密封系統失效原因分析
圖1 機械密封示意圖
(一)摩擦副端面工況分析
輕烴泵的單端面接觸式機械密封，在其密封端面之間并不存在一個(gè)完整的液膜。密封端面之間產(chǎn)生的大量摩擦熱就會(huì )導致密封面溫度升高，從而促使端面間液膜汽化，而使液體變成蒸氣而發(fā)生相變。此外，由于輕烴介質(zhì)的飽和蒸氣壓高于一個(gè)大氣壓，輕烴介質(zhì)流經(jīng)密封端面間隙時(shí)產(chǎn)生壓力降低，必然在某一位置上發(fā)生汽化(相變)。從而按端面流體膜相態(tài)可分為液相密封、氣相密封以及氣液相混合密封(圖2)。通常在不同的流體膜狀態(tài)下，密封裝置的工作特征有很大區別。
液相密封密封端面之間充滿(mǎn)一層完整的液膜，見(jiàn)圖2((A)，泄漏可能以液體或氣體形式出現。其特點(diǎn)是膜壓系數為一定值，工作狀態(tài)穩定，摩擦因數小，泄漏量也小。氣液混相密封密封端面之間充滿(mǎn)一層由液體和蒸氣形成的混合膜，見(jiàn)圖2(B)，泄漏以氣相形式出現。其特點(diǎn)是膜壓系數隨溫度不同而變化，工作狀態(tài)不穩定，易出現明顯的氣噴振動(dòng)、端面鳴叫等現象，密封端面摩擦磨損嚴重，極易出現早期失效。因此，其使用周期較短。當密封端面溫升過(guò)高使端面液膜完全汽化或當工藝操作條件波動(dòng)使密封腔內介質(zhì)都已汽化(即密封腔內介質(zhì)壓力小于該溫度下的汽化壓力)時(shí)，端面間為全氣膜狀態(tài)，見(jiàn)圖2(C)該氣膜雖為穩定氣膜，但密封端面處于干摩擦接觸狀態(tài)，會(huì )產(chǎn)生大量的摩擦熱，使端面溫度急劇升高。如果不采取較強的沖洗冷卻等調溫措施或立即穩定工藝操作，密封面將嚴重燒傷，密封合金環(huán)端面可因熱裂而失效。
圖2 液膜狀態(tài)圖
(二)密封圈功能的失效
舊的機械密封的介質(zhì)機封使用的是密封圈材質(zhì)為硅橡膠、輔助密封為丁腈橡膠，由于主密封密封圈的硅橡膠不適合介質(zhì)(C3～C10)組分，容易造成的溶脹腐蝕，因此造成主密封失效；而輔助密封密封圈用的是丁腈橡膠，其溫度適用范圍為-30℃～120℃，但是受密封介質(zhì)成分復雜及工藝波動(dòng)等原因，工作溫度有時(shí)一般會(huì )低于-30℃，最低可達-52℃度，此時(shí)當主密封有微量泄漏時(shí)，所泄漏的介質(zhì)進(jìn)入甲醇腔，由于進(jìn)入的介質(zhì)溫度低于丁腈橡膠所能承受的最低溫度，從而造成輔助密封圈失效。
(三)低溫輕烴泵抽空造成的失效
1．正壓抽空。正壓抽空是指泵腔內的介質(zhì)工作壓力壓力高于一個(gè)大氣壓，但密封箱內介質(zhì)壓力或密封端面流體膜壓力低于輸送溫度下介質(zhì)的飽和蒸氣壓，使介質(zhì)在密封箱內或密封端面之間發(fā)生汽化的現象。輕烴泵的來(lái)料流量及壓力的波動(dòng)會(huì )引起正壓抽空，此時(shí)輕烴泵用機械密封處于不穩定的氣液混相摩擦狀態(tài)或氣相干摩擦狀態(tài)，密封裝置發(fā)生故障的概率大為增加。其失效形式表現為密封環(huán)因端面干摩擦磨損劇烈而嚴重燒損、密封面產(chǎn)生鳴叫、間歇式氣噴振動(dòng)、硬質(zhì)合金環(huán)端面產(chǎn)生熱裂以及輔助密封圈熱脹龜裂等。
2．負壓抽空。生產(chǎn)中有時(shí)會(huì )出現瞬時(shí)負壓抽空，泵不能輸送液體介質(zhì)，此時(shí)密封腔內介質(zhì)壓力低于大氣壓力，作用在動(dòng)環(huán)背面的閉合力(由彈簧壓力和介質(zhì)壓力組成)小于作用在密封端面的開(kāi)啟力(由端面接觸壓力和流體膜壓力組成)，動(dòng)環(huán)將向左產(chǎn)生軸向移動(dòng)，與靜環(huán)迅速脫開(kāi)，由于此時(shí)兩端面間已是負壓，靜環(huán)在其背部大氣壓力的作用下可能與防轉銷(xiāo)脫開(kāi)，并在其與動(dòng)環(huán)間瞬間摩擦力的帶動(dòng)下旋轉一定角度，使得整個(gè)密封裝置不能復位而失效。產(chǎn)生端面分離后，當壓力恢復正常時(shí)除了會(huì )產(chǎn)生瞬間異常泄漏外，動(dòng)環(huán)或補償環(huán)可能會(huì )因輔助密封圈與軸(套)卡住而無(wú)法復位閉合或動(dòng)環(huán)復位與靜環(huán)接觸不良產(chǎn)生端面偏磨引起密封失效。應當指出，若靜環(huán)背部有冷卻水時(shí)或采用雙端面密封有封液時(shí)，負壓抽空一開(kāi)始便會(huì )有冷卻水(或封液)進(jìn)到環(huán)端面縫隙中，在端面高溫下將產(chǎn)生汽化閃蒸，加劇補償環(huán)的脫開(kāi)。綜上所述，工藝系統的操作不穩定是造成輕烴泵機械密封抽空失效的主要原因。
二、使用干氣密封后解決的問(wèn)題
當動(dòng)密封按下圖所示的轉動(dòng)方向轉動(dòng)，氣體沿螺旋槽向內運行的槽根部，但動(dòng)靜環(huán)內側環(huán)面在高速旋轉下，形成密封面，則氣體形成阻力，從而使動(dòng)靜環(huán)間壓力升高，將兩環(huán)面分離，產(chǎn)生一定間隙形成氣膜。當密封力(簡(jiǎn)稱(chēng)閉力)與氣膜的壓力(簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)力)相等時(shí)，則動(dòng)靜環(huán)密封面間形成0.0025～0.005m m 的恒定狀態(tài)的間隙。
圖3 干氣密封端面示意圖
