李吉俊 唐衛(wèi)兵 白明粹

(中國(guó)石油玉門煉油廠 甘肅玉門)

液態(tài)烴泵機(jī)械密封易泄漏的原因分析

李吉俊 唐衛(wèi)兵 白明粹

(中國(guó)石油玉門煉油廠 甘肅玉門)

文章根據(jù)汽、液兩相密封理論對(duì)液態(tài)烴泵機(jī)械密封膜壓分布及特征進(jìn)行了分析,介紹了液態(tài)烴泵機(jī)械密封易泄漏的原因,提出了該機(jī)械密封在運(yùn)行、檢修上應(yīng)注意的一些問(wèn)題。

液態(tài)烴泵;機(jī)械密封;膜壓分布;膜特征;泄漏原因

0 引 言

在石油化工生產(chǎn)裝置里,液態(tài)烴類泵的機(jī)械密封泄漏頻率要比普通介質(zhì)泵高,這已被人們所熟知。本文以1#液態(tài)烴泵(泵型號(hào)100×80UCWI32,配備C8B -60國(guó)標(biāo)改進(jìn)型機(jī)械密封[1]),在2007-09-29日機(jī)封刺漏,緊急啟運(yùn)2#泵,2#泵先前處于完好備用狀態(tài),然而2#泵在啟運(yùn)10 min后機(jī)封亦發(fā)生漏泄,維修完成并正常運(yùn)行后,1#運(yùn)轉(zhuǎn)泵在10月8日再次瞬時(shí)刺漏的故障情況為例,分析探討了液態(tài)烴介質(zhì)特性對(duì)該密封泄漏影響極大以及造成液態(tài)烴泵如此頻繁的輕易泄漏的原因,本文著重從機(jī)械密封的密封膜壓分布理論和特性分析入手,對(duì)此作出一些說(shuō)明,并指出液態(tài)烴泵密封維護(hù)、檢修過(guò)程中應(yīng)注意的一些常見(jiàn)問(wèn)題。

1 液態(tài)烴泵機(jī)械密封的特性分析

1.1 汽、液兩相密封特性

機(jī)械密封對(duì)介質(zhì)的密封作用主要是通過(guò)密封面間隙h間形成的密封膜對(duì)介質(zhì)的阻擋作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的,密封腔外側(cè)和內(nèi)側(cè)通常分別為密封的介質(zhì)和大氣,對(duì)一般不可壓縮流體而言,密封膜為全液相;對(duì)壓縮氣體來(lái)說(shuō),密封膜為全氣相。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于液態(tài)烴介質(zhì)在密封工作溫度下的飽和蒸汽壓Pi低于密封腔外側(cè)介質(zhì)工作壓力P2,而高于內(nèi)側(cè)大氣壓力 P1,因此,在密封靜環(huán)中必存在一點(diǎn),其半徑為ri(圖1所示),此點(diǎn)處的膜壓應(yīng)等于 Pi。液態(tài)烴介質(zhì)有以下物理性質(zhì)[2]:在高于飽和蒸汽壓時(shí),介質(zhì)液化,密封膜呈液態(tài);而低于飽和蒸汽壓時(shí),介質(zhì)發(fā)生汽化,密封膜呈氣相。這就說(shuō)明液態(tài)烴泵機(jī)械密封面上存在著氣、液兩相狀態(tài),其中r2～ri段為液相,為液體膜密封;r1～ri段為汽相,屬氣體膜密封。因此,液態(tài)烴泵機(jī)械密封可以看成是由同一密封面上的液體密封和氣體密封的串聯(lián)組合。

圖1中,P1為大氣壓力;P2為密封壓力;r1為密封靜環(huán)內(nèi)徑;r2為密封靜環(huán)外徑;ri為汽液相轉(zhuǎn)換處半徑;h為密封面間隙。

1.2 汽、液兩相膜壓、膜壓系數(shù)及端面比壓的計(jì)算

1.2.1 膜壓的計(jì)算

(1)不可壓縮流體

對(duì)普通不可壓縮流體介質(zhì),密封靜環(huán)r2-r1段為全液相,其膜壓分布為:

圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

(2)可壓縮氣體

對(duì)氣體而言,靜環(huán)r2-r1段之間密封膜表現(xiàn)為全氣相,其膜壓分布為1:

(3)液態(tài)烴介質(zhì)

液態(tài)烴介質(zhì)由于物理性質(zhì)的特殊,密封面靜環(huán)r2 -r1表現(xiàn)為既有液相又有汽相,根據(jù)上述分析,我們可以得到其膜壓分布為:

1.2.2 汽液兩相膜壓系數(shù)及端面比壓的計(jì)算

膜壓系數(shù)[3]:

式(5)中,A為密封面面積,cm2。

端面比壓:

式(6)中,Ps為彈簧比壓,MPa;K為載荷系數(shù);Pj為介質(zhì)壓力,MPa。

1.2.3 密封膜壓分布及密封膜的特性分析

從密封膜壓計(jì)算公式(1)、(2)可以看出,無(wú)論介質(zhì)是不可壓縮流體還是氣體,其膜壓曲線均具有連續(xù)性,且具有對(duì)數(shù)曲線分布形態(tài),不可壓縮液體或氣體膜壓分布曲線,如圖2所示。

而液態(tài)烴介質(zhì)由于在飽和蒸汽壓處(半徑為 ri)出現(xiàn)液態(tài)與氣態(tài)的轉(zhuǎn)變,由計(jì)算公式(3)、(4)可以看出,其整體曲線存在拐點(diǎn)且不連續(xù),烴介質(zhì)膜壓曲線,如圖3所示。

圖2 不可壓縮液體或氣體膜壓分布曲線形式

從液態(tài)烴介質(zhì)的物理性質(zhì)和工作條件下密封膜汽、液態(tài)共存現(xiàn)象分析,我們可以得出液態(tài)烴泵機(jī)械密封膜壓分布有以下一些特殊的性質(zhì):

1)密封膜相態(tài)的多重性和易變性

從理論上分析,整個(gè)密封面上密封膜的形態(tài)存在著兩相狀態(tài)-液相和汽相,但考慮運(yùn)行過(guò)程中工況變化的動(dòng)態(tài)性質(zhì),實(shí)際上密封膜相變點(diǎn)附近存在一個(gè)瞬時(shí)相態(tài)轉(zhuǎn)換的沸騰區(qū)(通常沸騰區(qū)的區(qū)域較小,只有操作條件劇變時(shí)區(qū)域變化才有明顯表現(xiàn)),此沸騰區(qū)又稱為混相區(qū),區(qū)間內(nèi)汽液兩相共存[1]。共存的汽液兩相有似液相態(tài)和似氣相狀態(tài)之分,混相區(qū)中靠液相區(qū)部分為似液相,靠近汽相區(qū)部分為似汽相。因此可以說(shuō)泵工作時(shí)液態(tài)烴介質(zhì)的密封膜形態(tài)多樣,具有多重性。

圖3 烴介質(zhì)膜壓曲線形式

液態(tài)烴介質(zhì)的相態(tài)在工作條件下受溫度、壓力、流量、組分、雜質(zhì)、振動(dòng)、安裝技術(shù)等因素的影響比較敏感。這一特性表明,密封工作過(guò)程中,影響因素的小小變化,都有可能導(dǎo)致密封膜存在的汽液兩相狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變,特別是膜中不穩(wěn)定的混相區(qū),很容易失穩(wěn)或擴(kuò)展,使密封膜的穩(wěn)定性降低。

2)密封膜的不良自潤(rùn)滑性

液態(tài)烴介質(zhì)本身密度小,易氣化,自潤(rùn)滑性差,它不同于柴油、潤(rùn)滑油等介質(zhì)有良好自潤(rùn)滑性質(zhì),加上由于其膜的多形態(tài)和不穩(wěn)定性,這更容易使密封面工作過(guò)程中產(chǎn)生殘余變形、熱變形、扭曲變形等,破壞密封膜原處于的微觀潤(rùn)滑狀態(tài),降低密封膜工作效能。

3 液態(tài)烴泵機(jī)械密封易泄漏的原因

3.1 工藝操作參數(shù)的影響

1)溫度參數(shù)的影響

一般介質(zhì)在一個(gè)較寬的溫度范圍內(nèi)波動(dòng)不會(huì)發(fā)生密封膜相態(tài)的改變,因此,機(jī)械密封的穩(wěn)定運(yùn)行自然不會(huì)受到過(guò)多的影響;而液態(tài)烴介質(zhì)不一樣,小小的溫度波動(dòng),其飽和蒸汽壓即明顯改變,如圖4所示,溫升后液態(tài)烴飽和蒸汽壓由 Pi變?yōu)?Pi′,密封膜壓曲線由r1AC變?yōu)閞1BC,液膜密封段由 rir2縮短為 ri′r2,密封膜的相態(tài)在 riri′段發(fā)生了改變,密封面半徑向上液膜寬度縮小,而汽膜寬度增加,這使密封膜不穩(wěn)定性增加。一旦溫升過(guò)量,將導(dǎo)致密封液膜段縮小甚至消失成為汽膜,由于汽膜的膜厚較小,而介質(zhì)相對(duì)于密封面粗糙度來(lái)說(shuō)并不清潔,這必然導(dǎo)致密封面的磨損損傷失效。

2)壓力參數(shù)影響

泵在運(yùn)行過(guò)程中,因操作參數(shù)的調(diào)節(jié)引起泵工作壓力的變化是常見(jiàn)的。工作壓力的波動(dòng),容易引起密封面上介質(zhì)汽液相狀態(tài)的改變,有可能會(huì)使密封工作穩(wěn)定性受到影響。

圖4 飽和蒸汽壓變化對(duì)膜壓分布的影響

如工作壓力提高,端面比壓相應(yīng)增加,此時(shí)普通介質(zhì)因密封液膜有良好的潤(rùn)滑性,通常能保持密封工作的穩(wěn)定性,不會(huì)造成端面比壓提高后,因摩擦熱的增加而引起密封膜狀態(tài)的改變、密封面磨損加重等問(wèn)題,而對(duì)液態(tài)烴介質(zhì)來(lái)說(shuō)卻正有此現(xiàn)象出現(xiàn)的傾向。如圖5所示。工作壓力由 P2降為 P2′后,因密封膜壓力的重新分布,膜壓曲線由r1AC變?yōu)閞1A′C′,密封面上介質(zhì)有部分出現(xiàn)了相態(tài)轉(zhuǎn)變,使密封徑向汽相段由原來(lái)r1ri變?yōu)閞1ri′,液相段由rir2縮短為 ri′r2,這顯然增加了密封的不穩(wěn)定性。而當(dāng)液相段出現(xiàn)消失,結(jié)果同樣有因溫度參數(shù)影響造成的密封處于汽膜時(shí)遭受損傷的問(wèn)題。

圖5 壓力變化對(duì)密封膜壓分布的影響

3)流量參數(shù)影響

因生產(chǎn)需要,往往需要對(duì)泵進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。從泵的特性曲線和管路特性曲線可知,泵流量增加時(shí),工作壓力降低,流量減小時(shí),工作壓力增加。因此,流量參數(shù)對(duì)密封的影響,與壓力參數(shù)結(jié)果的影響類似。值得一提的是,泵在小流量下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)引發(fā)泵的抽空,而抽空將不僅導(dǎo)致設(shè)備的機(jī)械振動(dòng),同時(shí)也使密封工作壓力起伏交變,交變負(fù)荷不僅導(dǎo)致密封比壓的脈動(dòng),造成密封面疲勞點(diǎn)蝕損傷而出現(xiàn)泄漏,同時(shí)還將引起密封膜相態(tài)變化而造成介質(zhì)的閃蒸。

3.2 介質(zhì)自身的組分因素及雜質(zhì)因素影響

1)組分因素

操作波動(dòng)或物料改變?cè)谏a(chǎn)上總會(huì)發(fā)生,這種場(chǎng)合下有可能引起泵內(nèi)工作介質(zhì)組分的變化。對(duì)普通介質(zhì)泵來(lái)說(shuō),即使組分變化,但其總體組分的飽和蒸汽壓受影響可能并不大,而烴類介質(zhì)卻不同,組分變化后整體組分的飽和蒸汽壓會(huì)較明顯地隨著改變。如輕組分的增加,會(huì)誘發(fā)泵內(nèi)物料的汽化,引起泵抽空;同時(shí)整體組分的飽和蒸汽壓的相應(yīng)提高,也將引起密封膜壓重新分布,在嚴(yán)重時(shí)使密封液膜轉(zhuǎn)化成為汽膜(見(jiàn)圖4),而最終使密封磨損。

2)雜質(zhì)因素

液態(tài)烴介質(zhì)中通常含有水、堿液、硫化物等雜質(zhì),這些雜質(zhì)對(duì)一般油品介質(zhì)來(lái)說(shuō),密封受影響的敏感性往往比液態(tài)烴介質(zhì)低。當(dāng)烴類介質(zhì)中夾帶上這些雜質(zhì)后,就容易使泵在動(dòng)態(tài)運(yùn)行中因液態(tài)烴密封膜相態(tài)變化引起閃蒸時(shí)吸熱,從而在密封面上形成水-烴固體混合物或結(jié)晶堿微粒,造成密封面在運(yùn)行中擦傷損壞而出現(xiàn)泄漏,這種因素造成的液態(tài)烴泵泄漏在裝置中是常見(jiàn)的。而介質(zhì)中的腐蝕產(chǎn)物,當(dāng)然會(huì)對(duì)密封造成腐蝕損傷。

3)工況條件的影響

普通介質(zhì)因密封膜有穩(wěn)定單相形態(tài),膜壓系數(shù)λ和端面比壓Pc等技術(shù)參數(shù)能相對(duì)處于穩(wěn)定狀態(tài)。液態(tài)烴介質(zhì)因密封膜形態(tài)的多樣性和不穩(wěn)定性,從其密封膜壓系數(shù)和端面密封比壓分布以及文中有關(guān)論述可以看出,烴類泵的膜壓系數(shù)和端面比壓將更容易隨操作參數(shù)、介質(zhì)自身因素、機(jī)械因素的變化而變化。可以認(rèn)為在烴類泵上這些技術(shù)參數(shù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化值,而造成的結(jié)果是端面比壓的脈動(dòng),如式(6)所示。端面比壓的波動(dòng),不僅對(duì)密封件造成疲勞問(wèn)題,而且也對(duì)密封膜相態(tài)帶來(lái)不穩(wěn)定,最終對(duì)密封造成不良影響。

4 對(duì)運(yùn)行操作、維護(hù)和檢修工作的要求

綜上所述,加之檢修時(shí)對(duì)泄漏機(jī)封的檢查,發(fā)現(xiàn)靜環(huán)端面存在大量裂紋且磨損嚴(yán)重,可以肯定2007年9月29日機(jī)封的泄漏與工作壓力變化有關(guān),加上液態(tài)烴夾帶含硫污水的關(guān)系。10月8日機(jī)封的再次泄漏完全是液態(tài)烴嚴(yán)重挾帶污水所致。而這些都可以從相應(yīng)時(shí)間的操作上找到證據(jù)。因此,必須按照如下要求進(jìn)行工作。

(1)操作上要穩(wěn)定溫度、壓力、流量等參數(shù),加強(qiáng)對(duì)工藝介質(zhì)的質(zhì)量控制,保持介質(zhì)的清潔度和組分的穩(wěn)定性,操作上要減少人為影響,避免參數(shù)調(diào)節(jié)大起大落。

(2)維護(hù)上要加強(qiáng)液態(tài)烴灌的脫水、脫堿工作,謹(jǐn)防液態(tài)烴帶水到泵體內(nèi)。保持泵密封沖洗冷卻設(shè)施完好,加強(qiáng)巡檢監(jiān)測(cè),及時(shí)消除振動(dòng)。

(3)檢修上要分門別類,結(jié)合各泵特點(diǎn),調(diào)整密封技術(shù)參數(shù),合理改進(jìn)結(jié)構(gòu),調(diào)整合理的密封比壓,選擇合理密封形式等。

(4)要加強(qiáng)對(duì)操作維護(hù)及檢修人員的技術(shù)培訓(xùn)?，F(xiàn)場(chǎng)很多泵泄漏不是密封產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題,而是與操作人員技術(shù)能力有關(guān),與檢修人員不清楚生產(chǎn)工況因素對(duì)泵的特殊性要求有關(guān)。

[1] 浙江嘉利特泵業(yè)有限公司.液態(tài)烴泵操作說(shuō)明書(shū).2004 (資料)

[2] 重油催化工藝組.玉門煉油廠80萬(wàn)噸/年重油催化裂化裝置操作規(guī)程.2004(資料)

[3] 顧永泉.流體動(dòng)密封[M].東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社, 1990

Li Jijun,Tang Weibing and Bai Mingcui.Analyses on the leakage reasons for the mechanical seal of liquid hydrocarbon pumps.PI,2010,24(2):25～27

Based on the gas,liquid two-phase theory,by analyzing the pressure distribution and characteristics of liquid hydrocarbon pump which is sealed mechanically,this paper accounts for the reasons for the leakage of liquid hydrocarbon pumps which are sealed mechanically,furthermore,a number of problems of the mechanical seal in operation and maintenance that should be paid attention to are pointed out.

liquid hydrocarbon pump;mechanical seal;film pressure distribution;film characteristic;leakage reason

TE85

B

1004-9134(2010)02-0025-03

李吉俊,男,1974年生,工程師,1998年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院煉化專業(yè),現(xiàn)在中國(guó)石油玉門煉油廠從事催化裝置設(shè)備的管理工作。郵編:735200

2009-12-29 編輯:梁保江)

·計(jì)算機(jī)與通訊技術(shù)·