王　磊　陳新軍　曾登林

摘要：文章針對低溫泵在運行過程中經(jīng)常發(fā)生汽蝕和機械密封泄漏等現(xiàn)象，在理論分析的基礎(chǔ)上，得出機械密封幾種失效形式，從而得出端面溫度升高，造成乙烯介質(zhì)汽化，從而導(dǎo)致密封圈失效，引起動、靜密封點泄漏的原因，最后文章提出了低溫泵機械密封泄漏問題的解決方法。

關(guān)鍵詞：機械密封；低溫泵；泄漏；干氣密封；靜環(huán)脫落

中圖分類號：TQ221文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）16-0189-02

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(xù)流程中控制塔頂不含C3組分，由于工作溫度為-54℃，因此該泵簡稱為乙烯低溫泵。該泵尤其在冬季就會出現(xiàn)嚴重的機械密封泄漏問題，造成機泵檢修頻次高，運行時間短，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，提出切實可行的措施。為此，從理論分析著手，尋找這類故障的原因，從而采取相應(yīng)措施，以期徹底消除事故隱。

一、密封系統(tǒng)失效原因分析

改造前，該低溫輕烴泵的機械密封屬于接觸式機械密封中的串聯(lián)式單端面機械密封，介質(zhì)端采用傳統(tǒng)接觸式機械密封，密封介質(zhì)為輕烴（組分較復(fù)雜，C3～C10）；甲醇端同樣采用傳統(tǒng)接觸式機械密封，密封介質(zhì)為甲醇。密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

（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完整的液膜。密封端面之間產(chǎn)生的大量摩擦熱就會導(dǎo)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大氣壓，輕烴介質(zhì)流經(jīng)密封端面間隙時產(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(qū)別。

液相密封密封端面之間充滿一層完整的液膜，見圖2（A），泄漏可能以液體或氣體形式出現(xiàn)。其特點是膜壓系數(shù)為一定值，工作狀態(tài)穩(wěn)定，摩擦因數(shù)小，泄漏量也小。氣液混相密封密封端面之間充滿一層由液體和蒸氣形成的混合膜，見圖2（B），泄漏以氣相形式出現(xiàn)。其特點是膜壓系數(shù)隨溫度不同而變化，工作狀態(tài)不穩(wěn)定，易出現(xiàn)明顯的氣噴振動、端面鳴叫等現(xiàn)象，密封端面摩擦磨損嚴重，極易出現(xiàn)早期失效。因此，其使用周期較短。當密封端面溫升過高使端面液膜完全汽化或當工藝操作條件波動使密封腔內(nèi)介質(zhì)都已汽化（即密封腔內(nèi)介質(zhì)壓力小于該溫度下的汽化壓力）時，端面間為全氣膜狀態(tài)，見圖2（C）該氣膜雖為穩(wěn)定氣膜，但密封端面處于干摩擦接觸狀態(tài)，會產(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(diào)溫措施或立即穩(wěn)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。

（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(fù)雜及工藝波動等原因，工作溫度有時一般會低于-30℃，最低可達-52℃度，此時當主密封有微量泄漏時，所泄漏的介質(zhì)進入甲醇腔，由于進入的介質(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(nèi)的介質(zhì)工作壓力壓力高于一個大氣壓，但密封箱內(nèi)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(nèi)或密封端面之間發(fā)生汽化的現(xiàn)象。輕烴泵的來料流量及壓力的波動會引起正壓抽空，此時輕烴泵用機械密封處于不穩(wěn)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(xiàn)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、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)中有時會出現(xiàn)瞬時負壓抽空，泵不能輸送液體介質(zhì)，此時密封腔內(nèi)介質(zhì)壓力低于大氣壓力，作用在動環(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啟力（由端面接觸壓力和流體膜壓力組成），動環(huán)將向左產(chǎn)生軸向移動，與靜環(huán)迅速脫開，由于此時兩端面間已是負壓，靜環(huán)在其背部大氣壓力的作用下可能與防轉(zhuǎn)銷脫開，并在其與動環(huán)間瞬間摩擦力的帶動下旋轉(zhuǎn)一定角度，使得整個密封裝置不能復(fù)位而失效。產(chǎn)生端面分離后，當壓力恢復(fù)正常時除了會產(chǎn)生瞬間異常泄漏外，動環(huán)或補償環(huán)可能會因輔助密封圈與軸（套）卡住而無法復(fù)位閉合或動環(huán)復(fù)位與靜環(huán)接觸不良產(chǎn)生端面偏磨引起密封失效。應(yīng)當指出，若靜環(huán)背部有冷卻水時或采用雙端面密封有封液時，負壓抽空一開始便會有冷卻水（或封液）進到環(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。綜上所述，工藝系統(tǒng)的操作不穩(wěn)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題

當動密封按下圖所示的轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)動，氣體沿螺旋槽向內(nèi)運行的槽根部，但動靜環(huán)內(nèi)側(cè)環(huán)面在高速旋轉(zhuǎn)下，形成密封面，則氣體形成阻力，從而使動靜環(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（簡稱閉力）與氣膜的壓力（簡稱開力）相等時，則動靜環(huán)密封面間形成0.0025～0.005mm的恒定狀態(tài)的間隙。

（一）增大了介質(zhì)端機械密封摩擦副液膜寬度

由于介質(zhì)壓力和彈簧力的作用，使密封端面上有一定的壓緊力，在動環(huán)和靜環(huán)之間形成很小的間隙，在此間隙上形成液膜，由于間隙很小，介質(zhì)通過時阻力很大，從而阻止了液體的泄漏，并且可以起到潤滑摩擦副，減輕磨損的作用。此液膜存在一個液膜壓力其大小由以下公式可知：p+p0=ps+psp如圖4所示：

p——密封面間的壓緊力；p0——液膜壓力；ps——介質(zhì)壓力；psp——動環(huán)彈簧力。

液膜壓力延密封面半徑是變化的，密封面外側(cè)是液膜壓力最大值，等于泵內(nèi)介質(zhì)壓力P，延半徑方向逐漸降低，到密封內(nèi)側(cè)變?yōu)榱恪Ｆ浞植冀瞥手本€，但隨液體性質(zhì)而略有不同。由于存在正壓抽空，液膜靠近內(nèi)側(cè)端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)液膜在密封端面之間發(fā)生汽化的現(xiàn)象，液膜寬度變小。使用干氣密封以后，由于氮氣的背壓存在，增大了密封面內(nèi)側(cè)液膜壓力，使其發(fā)生正壓抽空的幾率降低或使正壓抽空影響降低，從而增加了液膜寬度，延長了主機械密封運轉(zhuǎn)周期。

由上述可看出，干氣密封的獨特之處就在于密封面的螺旋槽結(jié)構(gòu)，它成功地使機械密封兩密封面由接觸式變?yōu)榉墙佑|式，從而達到良好的密封性能并且大大延長了密封使用壽命。

（二）解決了主機封微量泄漏的影響程度

改造前的機封，當發(fā)生正壓或負壓抽空時，主機封會發(fā)生微量泄漏，使用干氣密封以后，增加了主機封的背壓，致使低于背壓的泄漏無法到達二級密封，即使大于背壓的工藝介質(zhì)泄漏，到達二級干氣密封以后也會氣化（壓力降低所致）由火炬系統(tǒng)進行燃燒處理，從而使工藝介質(zhì)不會大量外泄至大氣中，確保了設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境的安全和不被污染。

（三）解決了由于抽空造成的靜環(huán)脫落

生產(chǎn)中由于操作不穩(wěn)定，有時會出現(xiàn)瞬時負壓抽空，泵不能輸送液體介質(zhì)，此時密封腔內(nèi)介質(zhì)壓力低于大氣壓力，作用在動環(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啟力（由端面接觸壓力和流體膜壓力組成），動環(huán)將向左產(chǎn)生軸向移動，與靜環(huán)迅速脫開，由于此時兩端面間已是負壓，靜環(huán)在其背部大氣壓力的作用下可能與防轉(zhuǎn)銷脫開，并在其與動環(huán)間瞬間摩擦力的帶動下旋轉(zhuǎn)一定角度，使得整個密封裝置不能復(fù)位而失效。產(chǎn)生端面分離后，當壓力恢復(fù)正常時除了會產(chǎn)生瞬間異常泄漏外，動環(huán)或補償環(huán)可能會因輔助密封圈與軸（套）卡住而無法復(fù)位閉合或動環(huán)復(fù)位與靜環(huán)接觸不良產(chǎn)生端面偏磨引起密封失效。

改造后在動靜環(huán)座與動靜環(huán)之間增加了卡環(huán)，使靜環(huán)位置在工藝波動前后始終保持一致，從而解決了由于工藝波動等原因引起的負壓抽空造成整個密封裝置不能復(fù)位引起的失效。

（四）解決了密封圈因介質(zhì)組份復(fù)雜導(dǎo)致溶脹、腐蝕及不耐低溫等問題

改造后使用PTFE材質(zhì)的密封圈，其適用介質(zhì)組份范圍廣，能有效的防止介質(zhì)對其的溶脹及腐蝕，另外PTFE的適用溫度范圍為-100℃～260℃，其優(yōu)良的耐低溫性能能解決因低溫造成的密封圈補償作用失效，攻克了密封圈在低溫下經(jīng)常失效的難題。

C型環(huán)組件特殊的結(jié)構(gòu)是在C型環(huán)密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了彈簧圈，彈簧圈的彈力有效增加了密封圈的跟隨性;C形環(huán)在壓力的作用下，迫使環(huán)口上下張開，壓力越大，張開的力就越大，從而達到密封的目的；又因為C形環(huán)的材質(zhì)為PTFE，從而解決丁腈橡膠的耐低溫性差以及硅橡膠的跟隨性、補償性差的問題，起到了很好的密封作用。改進機械密封后，取得了良好的效果。

三、結(jié)語

干氣密封為非接觸式軸封，可靠性高，壽命長，維護方便，輔助系統(tǒng)簡單，功率消耗低，使用極長，維護方便，使用極限線速度高，但價格比較昂貴，一般比串級機械密封大五倍。我廠的低溫輕烴泵自密封改造后運行狀況良好，由于氮氣既作為密封氣又可作為干燥氣，對冷泵的預(yù)冷等要求不再苛刻，故障率明顯下降，同時，也解決了冷泵中介質(zhì)易揮發(fā)、潤滑性差而導(dǎo)致機封主密封損壞，使用壽命短的問題。所以，干氣密封在裝置機械密封故障率高的如乙烯精餾塔回流泵，脫甲烷釜液泵等重要的輕烴冷泵內(nèi)有推廣應(yīng)用價值，對乙烯裝置穩(wěn)定運行具有較大的實際意義。

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作者簡介：王磊（1979－），男，新疆獨山子石化公司技術(shù)員，助理工程師，研究方向：設(shè)備管理；陳新軍（1978－），男，新疆獨山子石化公司技術(shù)員，助理工程師，研究方向：設(shè)備管理和檢維修；曾登林（1970－），男，新疆獨山子石化公司技術(shù)員，高級技師，研究方向：設(shè)備管理和檢維修。