徐文廣，田汝國，張志丹，黎磊，趙春林，余洪

（1.中國石油化工股份有限公司濟南分公司， 山東 濟南 250101）

（2.成都一通密封股份有限公司， 四川 成都 610100）

某石化分公司硫磺車間、供排水車間、聚丙烯、丙烷等裝置機泵含堿、鹽、污水等介質(zhì)，目前采用的接觸式機械密封普遍存在易泄漏、污染環(huán)境、壽命低等應(yīng)用效果不理想的問題。非接觸式上游泵送密封是一種在特定條件下可以實現(xiàn)密封介質(zhì)零泄漏或零逸出的新型機械密封[1,2]。文獻[3,4]通過理論分析和實驗驗證，充分證實了上游泵送機械密封在非接觸運行狀態(tài)下能保證被密封介質(zhì)無泄漏，并且在工業(yè)領(lǐng)域已得到成功應(yīng)用[5]，但在堿液泵上的改造應(yīng)用，還未見報道。

本文以某石化公司硫磺車間的堿液泵為例，針對其具體工況特征，分析了現(xiàn)有軸封存在的問題。根據(jù)該泵的實際參數(shù)，按無泄漏密封的理念，研制開發(fā)了可實現(xiàn)工藝介質(zhì)零泄漏的新型上游泵送密封。通過改造前后的效果分析，達到了堿液泵節(jié)能降耗、安全環(huán)保的目的，并為后期類似工況條件下的泵的改造積累了經(jīng)驗。

1 原工況條件及密封結(jié)構(gòu)

該堿液泵位號為P-504、P-401，是該石化公司硫磺車間的主要設(shè)備，主要工況參數(shù)為：揚程20m，流量10.87t/h，電機功率37kW，泵轉(zhuǎn)速2950rpm。介質(zhì)：堿液（易結(jié)晶），溫度40℃，沖洗方案：Plan11。原機封在運轉(zhuǎn)過程中，頻繁出現(xiàn)泄漏，不僅造成機械密封維修消耗增加，對生產(chǎn)人員、周邊環(huán)境和設(shè)備正常運行，都造成了不利影響。原使用的密封是單端面波紋管機械密封，如圖1所示。

圖1 單端面波紋管密封結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)圖1所示的單端面波紋管密封結(jié)構(gòu)，分析密封容易出現(xiàn)失效的原因有以下幾方面：

(a)波紋管彈力過大，造成密封端面比壓過大。

(b)沖洗效果不理想。

(c)防固體顆粒和抗干擾能力差。

2 機械密封改造方案

根據(jù)堿液泵的特點，為了實現(xiàn)堿液泵輸送介質(zhì)“無泄漏”，改善現(xiàn)場環(huán)境，改造密封方案選擇非接觸式上游泵送機械密封方案?？傮w結(jié)構(gòu)為串聯(lián)式雙端面上游泵送密封，采用PLAN55沖洗方案。

圖2 堿液泵泄漏情況

上游泵送機械密封是一種流體動壓潤滑非接觸式密封技術(shù)，它借助完整的液膜把兩密封端面隔開，并實現(xiàn)工藝介質(zhì)的零泄漏[5]。但是，堿液泵用非接觸式上游泵送密封的設(shè)計的關(guān)鍵，不僅要阻止工藝介質(zhì)的向外泄漏污染環(huán)境，還要避免緩沖流體向外泄漏。因此，該上游泵送密封選擇串聯(lián)式雙端面結(jié)構(gòu)密封方案，采用經(jīng)過過濾的循環(huán)水作為緩沖液。在介質(zhì)側(cè)及大氣側(cè)，密封端面均開有具有泵送效應(yīng)的動壓槽。在介質(zhì)側(cè)，低壓密封液體被泵送到高壓側(cè)（工藝）[6]；在大氣側(cè)，密封端面形成“氣液混相”流體膜，達到緩沖液體無泄漏的效果。采用上游泵送密封方案，可以有效解決堿液易結(jié)晶對密封的影響。緩沖液為常壓，即使后期大氣側(cè)密封失效，也可保證介質(zhì)側(cè)密封正常運轉(zhuǎn)，此外大氣側(cè)泄漏的是循環(huán)水緩沖液，對環(huán)境無害，及時更換密封，可以保證設(shè)備安全。因此，上游泵送密封能夠真正實現(xiàn)介質(zhì)無泄漏，更加環(huán)保。

3 無泄漏上游泵送密封設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

密封總體結(jié)構(gòu)采用如圖3所示的帶緩沖液的集裝式串聯(lián)內(nèi)裝式上游泵送密封結(jié)構(gòu)，由介質(zhì)側(cè)密封和大氣側(cè)密封組成，介質(zhì)側(cè)動環(huán)和靜環(huán)均為整體硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)，大氣側(cè)動環(huán)為浸漬金屬碳石墨材料，靜環(huán)采用碳化硅材料。采用PLAN55沖洗方案，在兩個密封之間投入經(jīng)過過濾處理的密封液或緩沖液，一方面為密封提供潤滑流體，另一方面為兩級密封提供冷卻，維持密封工作環(huán)境穩(wěn)定。該結(jié)構(gòu)可以杜絕介質(zhì)泄漏，避免環(huán)境污染。

3.2 參數(shù)設(shè)計

根據(jù)堿液泵的工藝條件，采用現(xiàn)代數(shù)值計算方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論[8]，介質(zhì)側(cè)密封端面采用單列單向泵出型螺旋槽型如圖4，大氣側(cè)密封端面采用雙列反向動壓槽如圖5，外徑與緩沖液連通，內(nèi)徑與大氣連通。

圖3 無泄漏上游泵送密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 介質(zhì)側(cè)密封端面結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 大氣側(cè)密封端面結(jié)構(gòu)示意圖

基于理想的平行端面模型，在文獻[7]中，針對上游泵送密封的原理，從“無限窄槽理論”出發(fā)，分析了密封端面流體膜壓力分布，及上游泵送密封設(shè)計的關(guān)鍵。

對于介質(zhì)側(cè)，在密封端面槽底徑處的膜壓Pg須大于介質(zhì)側(cè)壓力Pf，才能保證介質(zhì)無泄漏密封功能。由于剪切流通過密封壩后，壓力逐漸降低，因此，要實現(xiàn)在端面之間形成穩(wěn)定的剪切流使端面非接觸運行，則需要將膜壓再適當(dāng)提高，壓力安全系數(shù)Sf通常為1.2～1.5，則有：

根據(jù)分析可知，槽底徑處的膜壓為：

式中：g1(α,H,γ)為螺旋槽型函數(shù)，

h0為端面流體膜厚；

h1為端面槽深與流體膜厚之和；

Di為端面內(nèi)徑；

D0為端面外徑；

μ為端面流體動力黏度；

ω為動環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度；

α為螺旋線之螺旋角；

H為端面膜厚與堰區(qū)膜厚之比，H=h0/h1；

γ為螺旋槽周向堰寬b2與槽寬b1之比，γ=b2/b1；

C(α,H,γ,λ,N)為外緣效應(yīng)修正系數(shù)；N為端面螺旋槽數(shù)；

λ為端面內(nèi)徑與槽徑之比。

由式(1)和式(2)可求得螺旋槽底徑為：

介質(zhì)側(cè)密封，密封液由緩沖液側(cè)沿螺旋槽被泵送到介質(zhì)側(cè)，其泵送速率計算公式可按以下公式計算[9]：

對于大氣側(cè)，根據(jù)流體動壓潤滑理論，外槽動壓槽的黏性剪切作用把緩沖液流體泵送入密封端面，并通過密封壩后繼續(xù)向下游側(cè)流動；內(nèi)側(cè)動壓槽把上游通過密封壩后的流體全部反向泵送入上游側(cè)，則可實現(xiàn)介質(zhì)零泄漏，否則密封失效。只有內(nèi)側(cè)動壓槽的膜壓pgi大于等于外槽動壓槽區(qū)的膜壓pgo時，密封才能實現(xiàn)零泄漏[10]，即：

按無限窄槽理論分析可得，密封端面內(nèi)側(cè)槽底徑Dg1處的壓力為：

密封端面外側(cè)槽底徑Dg2處的壓力為：

式中：Di2為大氣側(cè)密封端面內(nèi)徑；

Do2為大氣側(cè)密封端面外徑；

po為緩沖液壓力；

由式(6)(7)(8)可得大氣側(cè)內(nèi)外槽根徑。

根據(jù)以上分析并結(jié)合該泵的腔體尺寸優(yōu)化計算可得密封摩擦副的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

介質(zhì)側(cè)：端面內(nèi)徑為Di=7 3 m m，外徑為Do=86mm，平衡直徑為Db=75.6mm，平衡系數(shù)為0.813，彈簧壓力為0.144MPa，螺旋槽內(nèi)槽根徑為Dg=82mm，螺旋角16°，槽數(shù)為12個均布，臺槽比，槽深8～9微米，內(nèi)徑刻通，見圖4；密封的設(shè)計壓力為1MPa，此時最大設(shè)計泵送量為0.6L/h，當(dāng)實際工作壓力低于設(shè)計壓力時，泵送量會相應(yīng)增加。

大氣側(cè)：端面內(nèi)徑為Di2=62.2mm，外徑為Do2=77mm，平衡直徑為Db2=65mm，平衡系數(shù)為0.827，彈簧壓力為0.096MPa，端面動壓槽參數(shù)：內(nèi)槽根徑為Dg1=69.5mm，螺旋角16°，臺槽比Г=1，向內(nèi)刻通；外槽根徑為Dg2=73.5mm，螺旋角12°，臺槽比Г=1，向外刻通，槽數(shù)為12組均布。

密封在某專業(yè)從事密封設(shè)計制造的公司實驗室經(jīng)過嚴(yán)密的出廠試驗驗證，大氣側(cè)和介質(zhì)側(cè)的動壓槽參數(shù)，均結(jié)合密封臺架試驗，加以優(yōu)化，確保端面無影響性能的摩擦痕跡，實現(xiàn)端面非接觸運行，完全證實了其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和可靠性，再應(yīng)用到該石化公司的堿液泵上。

4 應(yīng)用效果

2018年12月10日，將研制的兩套無泄漏非接觸式上游泵送機械密封安裝在該車間的堿液泵上，一次開車成功，至今已累計運行近10個月，定期對該泵進行檢測，泵從未出現(xiàn)可見泄漏現(xiàn)象。另外，通過檢測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，緩沖流體的消耗量不足0.3L/h。該型式機械密封，設(shè)計工況下最短設(shè)計壽命可達3年以上。

與改造前進行對比，改造后的堿液泵基本上消除了堿液的泄漏，保證了安全生產(chǎn)，消除了對周邊環(huán)境的影響；同時，該密封的穩(wěn)定運行，為堿液泵10個月以來減少更換密封至少2次，節(jié)省維修費用至少5萬余元。因此，在堿液泵上進行上游泵送密封改造，不僅可產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益，同時還對環(huán)境保護作出了積極貢獻。

5 結(jié)語

本文結(jié)合堿液泵的工況特點，利用流體潤滑原理，設(shè)計研制的非接觸式無泄漏上游泵送密封在堿液泵上的成功改造應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

（1）為實現(xiàn)堿液泵的完全無泄漏，在研制設(shè)計時，介質(zhì)側(cè)密封應(yīng)設(shè)計成完全的液體流體膜，大氣側(cè)密封應(yīng)設(shè)計為“氣液混相”流體膜。

（2）無泄漏上游泵送密封在堿液泵的工業(yè)應(yīng)用，實現(xiàn)了堿液及封液的完全無泄漏，具有周期性長、抗干擾能力強的特點，不僅可應(yīng)用在同類型泵上，也可推廣到其它具有污染、腐蝕、顆粒性流體輸送的泵、機組等流體機械上，具有廣泛的應(yīng)用前景。

◆參考文獻

[1] Tom Lai. Development of Non-contacting, Non-leaking Spiral Groove Liquid Face Seals[J].Lubrication Engineering.1994,50(8): 625-631.

[2] Tournerie B, Huitri J, Bonneau et al. Optimization and Performance Predication of Grooved Face Seals for Gases and Liquids[J]. Proc of 14th Inter Conf on Fluid Sealing.1994. 351-365.

[3] 郝木明，胡丹梅，楊惠霞. 上游泵送機械密封的研究開發(fā)及應(yīng)用[J].流體機械，2001，29(2)：13-16.

[4] 郝木明，胡丹梅，郭潔. 新型上游泵送機械密封的性能研究[J].化工機械，2001，28(1)：12-18.

[5] Gordon S B, Doug Volden Upstream Pumping.A New Concept in Mechanical Sealing Technology[J].Lubrication Engineering. 1990,46:213-217.

[6] 楊寶亮，郝木明，莫少明，等. 非接觸式機械密封在離心壓縮機上的應(yīng)用[J].流體機械，2006，34(7)：47-50.

[7] 郝木明，胡丹梅，劉學(xué)勤. 零泄漏上游泵送機械密封特性分析及設(shè)計[J].化工機械，2003，30(1)：21-25.

[8] 張偉政，白崇暉，于蹤洋，等. 上游泵送機械密封液膜剛度的計算與分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報，2016，28(6)：79-84.

[9] 宋鵬云，陳匡民，董宗玉，等. 螺旋槽上游泵送機械密封性能的解析計算[J].潤滑與密封，1999，(4)：5-7.

[10] 賈少磊，郝木明. 雙列反向動壓槽型零泄漏機械密封的研究及應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2003，24(4)：50-53.