轴流泵机械密封的改造与设计

马斌良，于 阳，米孜拉夫·麦麦提，陆 军，陶 军

(中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司，新疆独山子 833699)

轴流泵机械密封的改造与设计

马斌良，于 阳，米孜拉夫·麦麦提，陆 军，陶 军

(中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司，新疆独山子 833699)

某石化公司轴流泵机械密封多次发生泄漏，本文分析了机械密封失效的原因，对某结构和控制系统进行了改进设计，将原串联机械密封改造为串联气液膜密封，并设计了机械密封密封气的控制系统，最后通过机械密封结构的设计计算，对原机械密封结构进行了改造和优化，改造后的机械密封性能优于进口机械密封，实现了聚合反应器循环轴流泵长周期运行。

轴流泵；密封；改造；设计

1 前言

某石化公司轴流泵属于厂级主要设备，2009年投用以来，该轴流泵因机械密封失效导致装置非计划停工5次。每次装置停车都造成乙烯原料的损失和过渡料、废料的产生，直接经济损失高达95.14万元，严重影响了装置的经济效益。

根据实际使用情况记录，该轴流泵机械密封使用寿命较短，平均使用寿命为6～8个月，购置一套进口机械密封价格高昂，单台套机械密封价格近15.8万元，并且采购周期较长，严重威胁到装置的长周期运行，因此对轴流泵机封的改造刻不容缓[1-2]。

2 故障原因分析

轴流泵原配套密封为串联接触式机械密封(图1)，冲洗方案采用API 682 Plan32+52，密封冲洗介质为异丁烷。轴流泵在生产TUB121双峰产品期间，反应器的压力下降至2.8 MPa时，机械密封经常发生泄漏。同时密封油颜色逐渐变黑，取样分析发现油品中磨粒超标，说明机械密封发生持续的磨损。

对机封泄露的原因进行分析，发现密封冲洗液异丁烷属于易汽化类介质，密封端面摩擦热无法通过Plan 52系统封液罐中密封油带走，造成密封端面异丁烷介质汽化，主密封密封端面流体膜相态不稳定，出现气液混相，密封端面动静环摩擦副接触不良，密封端面磨损严重，造成主密封介质泄漏，密封油污染，加之密封油循环不畅，进一步加剧主副密封的失效，最终导致轴流泵停工。

图1 机械密封剖面示意

3 新型机械密封的方案设计与选型

通过上述分析，可以看出异丁烷的气化造成主密封密封面液膜的不稳定是导致机械密封泄露的根本原因，如何阻止异丁烷气化，保证密封面液膜稳定是解决该机械密封泄露的根本途径。针对轴流泵运行工况及介质特点，选择将原机械密封改造为气液膜串联密封[1]，并配置相应的密封气控制系统，通过提高密封气的压力，实现已丁烷饱和蒸汽压的提高，从而降低或防止因内侧主密封密封端面液膜汽化而造成的密封失效。

3.1 结构选型

根据轴流泵输送介质工况条件、轴流泵结构特点和现场公用工程条件(表1)，按照API 682-2014版(第四版)，选用布置方式二的干气密封(2CW-CS)结构；密封冲洗方案采用Plan32+72+76。内侧主密封为液膜密封，外侧安全密封为气膜密封(图2)。

表1 轴流泵数据

图2 气液膜串联密封结构示意

密封结构设计为串联式结构，介质侧密封为主密封，双平衡型结构，可适应反压及泵短暂抽空工况；大气侧气膜密封为安全密封(抑制密封)，非接触式运转，摩擦功耗低。主密封与安全密封之间设置迷宫密封。

介质侧主密封与大气侧安全密封间通入一定压力的氮气，一方面为主密封提供一定背压，防止介质汽化；另一方面为安全密封提供润滑介质。

正常情况下，主密封起密封介质作用，气膜密封起安全密封作用。氮气将主密封泄漏的微量介质排向火炬，确保介质不泄漏到大气环境。由于安全密封利用氮气作为密封介质，因此气膜密封泄漏至大气侧气体为纯净氮气，对环境无污染。当主密封失效时，气膜密封在8 h可以起到安全密封的作用，为检修提供充足时间，防止意外事故的发生。

3.2 密封控制系统选型

密封控制系统是密封的重要组成部分，包括稳压过滤单元、监测显示单元。控制系统的主要作用是为密封提供压力稳定且洁净(过滤精度1微米)、干燥的氮气，并监测干气密封的运转状况，确保密封安全、可靠、长周期运行。

管网氮气首先进入控制系统的稳压过滤单元，通过过滤和稳压，过滤清除管网氮气中的杂质及水分，确保氮气干燥、清洁，并且保证氮气在一定的设定压力下。

通过对进气压力监测和排火炬压力监测，可以观察机械密封的运行状态。进气压力监测设为低压力报警，当进气压力监测低报时，表明密封气进气压力过低或外侧气膜密封泄漏量过大；排火炬压力监测设为高压报警，当排火炬压力监测高报时，表明主密封泄漏过大，密封需要更换。

通过流量监测单元显示氮气消耗量。当进气压力监测低报且流量超标，表明外侧气膜密封失效，密封需要更换。

4 新型机械密封的结构设计计算

改造后的密封为气液膜串联密封，主密封为液膜密封，副密封为气膜密封，其结构设计计算需分别进行。

4.1 主密封结构参数设计

4.1.1 密封环面的宽度b

(1)

式中d2——密封环面外径，mmd1——密封环面内径，mm

取d1=118.9mm，密封环带宽度b=3.7mm，则d2=126.3mm。

4.1.2 密封流体压力有效作用面积Ae

密封流体压力p:

p=p1-p2

(2)

式中p1——密封流体高压侧压力,MPa,p1=5MPa

p2——密封流体低压侧压力,MPa,p2=1.05MPa

将已知参数代入式(2)得p=5-1.05=3.95MPa。对于内侧密封，平衡直径db=120mm。

密封流体压力有效作用面积Ae：

(3)

将已知参数代入式(3)得Ae=1218.08mm2。

4.1.3 面积比B

(4)

将已知参数代入式(4)得B=0.86。

4.1.4 密封环带面积A

(5)

将已知参数代入得A=1424.37mm2，内侧密封取间隙为2.15mm，选用弹簧比压psp=0.28MPa。

4.1.5 摩擦系数f

摩擦是密封端面在运行过程中的主要物理现象，根据使用工况选择摩擦系数f=0.07。

4.1.6 膜压系数km

(6)

式中R1,R2——密封面内圆和外圆半径

将已知参数代入式(6)得km=0.51。

4.1.7 端面比压pb

(7)

式中r——密封端面半径，mmh——密封液膜厚度，mmφ——密封面扇形角度，°

将已知参数代入式(7)得pb=1.6625MPa。

4.1.8 平均滑移速度V

V=1.25×10-5πn(d2+d1)

(8)

式中n——轴的转速，r/min

将已知参数代入式(8)式得V=14.15m/s。

4.2 密封性能参数的计算

4.2.1 泄漏量

(9)

对于内侧密封，取膜厚h=1.3μm，将已知参数代入式(9)得Q=0.1851mL/h。

4.2.2 摩擦功耗和扭矩的计算

摩擦力F：

(10)

摩擦功耗N：

N=FV=4.02W

(11)

摩擦微扭矩dMf：

(12)

摩擦扭矩Mf：

(13)

4.2.3PV的计算

根据已知条件P=3.95MPa，V=14.15m/s，则：

PV=55.8925MPa·m/s

4.3 外侧副密封结构参数设计

外侧安全密封为气膜密封，其理论基础为雷诺方程：

根据气膜密封具体结构参数，通过专用软件可得:密封开启力为4313.8N，端面气膜厚度为2.58μm，气膜密封功率消耗为3W，气膜密封端面氮气消耗量为0.115Nm3/h，气膜刚度为0.21846×109N/m。

根据JB/T11289-2012《干气密封技术条件》，气膜密封满足旋转时密封泄漏量≤0.25Nm3/h要求。

5 机械密封改造后的性能验证

5.1 监测数据验证

经过现场多次调试，将进气压力PI30012设为低压力报警，报警值为250 kPa；排火炬压力PI30014设为高压报警，报警值为1300 kPa。氮气消耗量FI30013设为高流量报警，报警值为40 Nm3/h。

通过现场一年多的使用，轴流泵进气压力PI30012和排气压力PI30014均稳定在1000 kPa左右,氮气消耗量FI30013稳定在15 Nm3/h左右。监测数据显示改造后的机械密封运行良好。

5.2 机械密封解体检查验证

利用转产停工的时间，对改造后的机械密封进行解体检查，发现机械密封的动环和静环磨损正常，没有发生偏磨现象。

6 结语

轴流泵机械密封冲洗介质气化造成机械密封动静环磨损，发生机封泄漏的设备故障。结合已丁烷易气化的特点，对轴流泵机械密封进行选型和设计。DCS监测数据显示改造后的机械密封使用效果良好，解体检查结果也证明机械密封满足设备使用要求，有效的延长了轴流泵的运行周期。

[1] 马凯，蔡仁良，励行根，等.反应堆压力容器用C形密封环的变形特性研究[J].压力容器，2016，33(1)：14-19.

[2] 何方，张尔卿，陈侃.乙烯三机干气密封设计参数优化[J].化工设备与管道，2016，53(3)：46-52.

Reconstruction Design of Mechanical Seal for Axial Flow Pump

MA Bin-liang,YU Yang,Mizraph·Maimait,LU Jun,TAO Jun

(PetroChina Dushanzi Petrochemical Company,Dushanzi 833699,China)

The axial flow pump of a petrochemical company often happens the leakage fault of mechanical seal.The reason of mechanical seal failure was analyzed,the structure and control of the mechanical seal was designed,the original series mechanical seal was transformed into the tandem gas liquid membrane seal，and the seal gas control system was also designed for the machine seal.At last,through the design calculation of the mechanical seal structure,the structure of the original machine sealing was reformed and optimized,the performance of modified machine seal is better than that of the original import mechanical seal.Through the improvement,the long-period safe & stable operation of The axial flow pump was gained.

axial-flow pump；mechanical seal；transform；design

1005-0329(2017)02-0053-04

2016-07-12

TH312

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.012

马斌良(1975-)，男，工学博士，高级工程师，主要从事设备管理工作，通讯地址：833699 新疆克拉玛依市独山子石化分公司乙烯厂机动处，E-mail：mabingliang@petrochina.com.cn。