P42干氣密封論文(DOC)

1、摘要低溫乙烯裝置的低溫泵是進口設備，乙烯的輸送離不開它，低溫 泵機械密封使用壽命不長，一般在一年左右，由于機械密封采用的是 進口原裝備件，不但供貨周期長，價格也十分昂貴。另外它的機械密 封的密封液采用的是甲醇，甲醇在使用過程中及易對人體產(chǎn)生傷害。 目前干氣密封廣泛應用于各類機泵的密封，使用效果良好，但是干氣 密封在低溫設備上的使用是一個空白。我們通過試驗，對低溫乙烯返 輸泵P42泵進行了干氣密封改裝。低溫乙烯P42泵采用干氣密封，一 是可以充分利用現(xiàn)有資源進行改造，二是用無污染的氮氣介質代替了 對人體、 環(huán)境有嚴重危害的甲醇密封介質， 保護了環(huán)境， 改善了操作 條件，三是可實現(xiàn)低溫泵機械密封面

2、長周期，無泄漏運行，四是干氣 密封的使用成本遠遠低于機械密封，經(jīng)濟效益較好。關 鍵詞：低溫乙烯泵 機械密 封 改 造為 干氣密封一 概述低溫泵軸封的傳統(tǒng)辦法是采用雙端面機械密封或串聯(lián)式機械密 封， 密封液為低溫下不凝固的甲醇或密封油，在低溫（-104C）條件 下 ， 由 于密 封液 的 泄漏而 最終 造成工藝介質 泄 漏的 情況 時有發(fā)生 。低 溫 乙烯 裝置P42泵 原先 采用 的 是進口雙端面機 械密 封， 采用 甲 醇 作為 封 液。 甲 醇 本身 就是有毒 液體 ， 在 使用 過程 中極易對人 體產(chǎn) 生傷 害， 同 時在 使用 過程 中由于機 械密 封受 損泄漏還 會 造成 產(chǎn)品 質量

3、 問題和環(huán) 境 問題 ， 甲 醇 的 安全使用上存 在著 重大 隱患 。目 前干 氣密 封廣 泛應用于 各類 機泵 的 密 封， 使 用效 果良 好， 但是 干氣 密 封在 低溫 設備 上的 使用 是一 個空 白。低溫 乙 烯泵 采用 干氣密 封 。一 是 可以 充分 利用 現(xiàn)有資源 進行 改造 ， 二是用 無 污染 的 氮 氣介質代 替了 對 人體 、環(huán) 境有 嚴重危害 的甲 醇 密 封介質， 三 是可 實現(xiàn) 低溫 泵機 械密 封 面長 周期， 無泄漏運行二 干氣密封基本原理2.1干氣 密封 基本 原理干氣密 封從 外 形結 構上 與機械 密封 相同 ， 同 樣 由以下 幾部分組成： 由補償

4、環(huán)和非補償環(huán)構成的密封端面；由彈性元件為主構成的加 載 、補 償和 緩沖 機構 ； 輔助 密封 ； 與旋 轉 軸聯(lián) 接， 并與 軸一 起旋 轉 的傳 動機構 ； 防 轉機 構。與普通 機械 密 封顯 著不 同的 是 ：動 靜環(huán) 密封 面較 寬；在 動 環(huán)或 靜環(huán) 端 面上 加 工出特殊形狀的 流體 動壓 槽（ 見圖2.1.1）， 如阿基米德螺旋 槽、對數(shù)螺旋槽等，槽深一般在510um。當動靜環(huán)作相對旋轉運動時， 動 環(huán)或 靜環(huán) 端面 的 螺 旋 槽將外 徑處 的 氣 體吸 入 動壓槽內 ， 氣 體由 外徑 向 中心 流動 ， 由 于密 封堰 的節(jié) 流作 用， 進入 密 封面 的 氣 體被壓縮

5、引起 壓 力升 高， 在螺 旋 槽根處 形成 高壓 區(qū)。 在 該 氣 膜壓 力作 用下 ， 密 封面被推開，與氣體靜壓力、彈簧力形成的閉合力達到平衡。此時，流動的氣體在兩個密封面間形成一層23um厚的氣膜，在無外界干擾的情 況下，密封保持非接觸、無磨損運轉。如果出現(xiàn)工藝條件波動或機械 干擾等因素，使得氣膜厚度減小，密封面貼近，則此時氣膜剛度增大， 氣膜反力增加，迫使密封工作間隙增大，恢復到正常值；若使得密封 氣膜厚度增大，則氣膜反力減小，閉合力大于開啟力，迫使密封面貼 近恢復到正常值。圖2.1.2表示了干氣密封在運行狀態(tài)下密封面的軸 向力平衡圖。圖2.1.1干氣密封端面動壓槽簡圖2 FCF o

6、 = F匚,Lr r-,:F c 圖2.1.2干氣密封受力圖干氣密封穩(wěn)定性的主要指標就是氣膜剛度的大小，氣膜剛度越小， 密圭寸的抗干擾能力越差；氣膜剛度越大，密圭寸的抗干擾能力越強，運 行越穩(wěn)定。總體來說，雖然干氣密封的氣膜間隙很小，但氣膜剛度比 普通機械密封的液膜剛度要大得多。三 P42 干氣密封結構設計3.1 P42 泵特點及其操作條件狀態(tài)轉速流量壓力頻率介質溫度返輸2900w37t/hw2.6MPa50Hz-104C裝車1450w24t/hw0.6MPa25Hz-104C低溫乙烯P42泵為立式泵，軸封原采用的進口雙端面機械密 封，密封液為甲醇，P42泵目前存在著“一泵雙頻”的特殊性（返輸

7、 和裝車時的頻率不一樣），該泵的雙端面機械密封由于頻繁在返輸狀態(tài) （高頻高壓高流量：頻率50Hz、壓力w2.6MPa、流量w37t/h）和裝車 狀態(tài)（低頻低壓低流量：頻率25Hz、壓力w0.6MPa、流量w24t/h）之 間切換，造成泵的機械密封經(jīng)常受損泄漏。長期以來，密封的可靠性-I - 1一直是影響低溫泵長周期運行的瓶頸，已經(jīng)不能滿足目前實際工作的 需要。同時泵的機械密封一旦泄漏，如果內漏（下端面機械密封受損） 甲醇將泄漏到乙烯中，影響到乙烯的質量；如果外漏（上端面機械密 封受損）甲醇將泄漏到外部對人體和環(huán)境造成污染；如果上、下兩個 端面機械密封同時受損，甲醇和乙烯將泄漏到外部對人體和環(huán)境

8、造成 污染和產(chǎn)生火災爆炸的威脅。3.2干氣密封結構設計干氣密圭寸設計選擇方案1：串聯(lián)式結構該結構為干氣密封與機械密封串聯(lián)使用，第一級機械密封為主密封， 密圭寸介質為工藝介質，第二級干氣密圭寸為次密圭寸，密圭寸介質為氮氣以 及少量從機械密封泄漏的介質；該密封的使用壽命取決于機械密封的 使用壽命，同時有微量介質向環(huán)境中泄漏。（圖1）方案2:雙端面結構該結構為兩套結構相同的干氣密封面對面組成，密封氣采用氮氣， 該密封結構簡單，但要求密封氣壓力高于介質壓力，因而有氮氣向泵 腔泄漏。（圖2）方案3:復合型結構（圖3）該密封結構較復雜，密封氣采用從泵腔出口引入，在引入的過程中， 由于管道的阻力引起的壓力降

9、低以及熱傳遞引起溫度的升高，使得從 泵出口引入的液態(tài)介質到達干氣密封的密封腔時變成了氣態(tài)，滿足了 密封的使用要求；同時，從泵出口引入密封氣，保證了密封腔壓力始 終高于泵腔的壓力，泄漏到泵腔的密封氣為工藝介質，使工藝介質不 會受到污染，而由于保護氣（氮氣）的作用，使大氣側泄漏出來的介 質排向火炬，在現(xiàn)場只有少量的保護氣（氮氣）泄漏，對工作環(huán)境不 會造成污染。.If.通過對低溫乙烯結構分析，在不改變原設備結構的情況下，我們 決定采用雙端面干氣密封+碳環(huán)密封復合結構，密封氣采用由泵出口引 入的經(jīng)汽化的乙烯，隔離氣采用氮氣；該干氣密封由兩套干氣密封背 靠背組成，密封氣為乙烯氣，通過對乙烯氣的密封實現(xiàn)對

10、液態(tài)乙烯的 密封，在大氣側有隔離氣保護，防止干氣密封泄漏出的微量乙烯氣直 接排入大氣，干氣密封泄漏出的微量乙烯氣隨隔離氣排向火炬。改造 后干氣密圭寸的安裝尺寸與原機械密圭寸完全一樣。由于該密封所封介質本身腐蝕性不強，對材質的耐腐蝕性能要求 不高，但由于使用溫度很低，對材料的低溫性能要求較高；在選材時 摩擦副選用特殊材質的SiC，該材料具有表面硬度高、耐磨性能好、 熱傳導系數(shù)大、比重小等優(yōu)點，是目前最好的一種摩擦副材料。密封 靜環(huán)采用浸漬金屬碳石墨材料，該材料具有強度高、自潤滑性好、耐 低溫等特點?；w材料選用耐低溫的不銹鋼；輔助密封圈材料的選擇 是該密封設計的難點：普通橡膠在0C就會開始硬化，

11、彈性大幅度降低， 逐漸變硬到彈性完全喪失，又脆又硬，一敲就碎。這個溫度叫橡膠的 玻璃化溫度，是橡膠的最低使用溫度，所以在低溫下輔助密封不能采用橡膠材料。 據(jù)資料介紹： 丁腈橡膠的使用溫度限為-60C,氯丁橡膠 為-65C， 硅酮橡膠為-80C,氟化橡膠為-45C。均不能滿足該密封的 使用要求。聚四氟乙烯（PTFE）的使用溫度范圍為-150250C,使用 溫度能滿足密封的要求，但該材料較硬，密封圈過盈量取得較大時不 易裝配，而且補償環(huán)浮動性能不好，影響密封的性能，過盈量取得較 小時又起不到密封作用。為保證密封的使用條件， 我們考慮采用PTFE包覆彈簧結構的特殊形狀圈來解決低溫條件下干氣密封輔助密

12、封圈問 題。3.3 P42 泵干氣密封控制系統(tǒng)流程 說明干氣密封控制系統(tǒng)是干氣密封的重要組成部分，它主要由密封氣 過濾單元和密封氣泄漏監(jiān)測單元組成。監(jiān)控系統(tǒng)為干氣密封長周期穩(wěn) 定可靠運行提供了保障。干氣密封工作時在密封端面間形成的氣膜厚 度在23微米左右，密封氣中大于該粒度的固體顆粒會對密封面產(chǎn)生 損壞，從而影響密圭寸的使用壽命。這就要求進入干氣密圭寸端面的密圭寸 氣體非常干凈，因此在應用中我們采用高精度過濾器來完成。復合型 干氣密封系統(tǒng)原理圖，流程如下:從泵腔出口引入的低溫密封氣（乙烯氣）經(jīng)過截至閥、單向閥、 孔板進入換熱罐，在換熱罐通過高溫蒸汽，對引入的低溫乙烯氣進行 升溫汽化。在這個加熱

13、罐的頂部裝有溫度表監(jiān)測溫度、壓力表監(jiān)測壓 力；經(jīng)過換熱罐加熱汽化的乙烯氣再進入過濾器，然后進入主密封的 密封腔為干氣密封提供阻封氣體。其中有一部分氣體泄漏進密封腔， 還有部分泄漏進碳環(huán)密封腔，其泄漏量均為0.8標準立方米/小時。隔離氣氮氣經(jīng)過壓力調節(jié)器減壓后保證壓力為0.1Mpa。氮氣通過 隔離氣“GBI”進入碳環(huán)密封后，其中一部分氮氣通過碳環(huán)密封泄漏到 大氣.另一部分伴隨干氣密 封泄漏出的微量介質從隔 離氣出口“CSV” 通 過干氣密 封系統(tǒng)連接到 火炬管線。在干氣 密 封系統(tǒng)的隔 離氣泄 漏管 線上有壓力表監(jiān)測壓力值，正常排氣 壓力為0.05Mpa，一旦當壓力表顯 示為0.08Mpa時，

14、表明干氣 密封泄漏過大。此時檢查密封運行情況， 保證干氣密封的安全運行四 干氣密封技術的工業(yè)實踐應用過程2007年3月,我們對P42干氣密封改造進行了工業(yè)化試驗:在P42泵裝車狀態(tài)下 （頻率25Hz、 轉速1450rpm,出口壓力W0.6MPa、 流量w24t/h）運行時，干氣密封運行性能穩(wěn)定，加熱罐的加 熱蒸汽不需投用。在P42泵返輸狀 態(tài)下 （ 頻 率50Hz、 轉速2950rpm， 出 口 壓力w2.6MPa、流量w37t/h）運行時，干氣密封運行性能出現(xiàn)波動，密封出 現(xiàn)的主要問題：泵啟動23分鐘左右，大量乙烯氣經(jīng)干氣密封泄漏后， 從密封后部隔離氣碳環(huán)處向外泄漏；泵持續(xù)運行35分鐘時，無

15、乙烯 向 環(huán)境泄漏 ， 密 封運行正常； 當干 氣密 封控制系統(tǒng)的 過濾器等產(chǎn)生泄 漏時， 又出 現(xiàn)大 量乙 烯氣 經(jīng)干 氣密 封從后 部 隔 離氣 碳環(huán) 向 環(huán)境泄 漏的 情況， 密封運行狀況很不穩(wěn)定 。干氣密 封產(chǎn)生故障的主 要原因： 干 氣 密封 在轉 速為1450rpm， 出 口 壓力在0.6MPa時，運行平穩(wěn)；但是在轉速達到2950rpm，出口壓力在2.6MPa時，密 封運 行很 不穩(wěn) 定，幾次試車都出現(xiàn)了 在剛開車 時， 乙烯 大量泄漏的現(xiàn)象。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是：泵啟動后，從泵出口 引向干氣密封的液態(tài)乙烯流量較大，流速較快，而在管內通過管壁與 環(huán)境溫度下的空氣熱交換速度較慢，

16、因此，乙烯沒有被及時汽化就以 液 體狀 態(tài)進入干氣密封腔 ，從而 導致 干氣密封出現(xiàn)短時 間內 大量 泄漏 ； 而隨著攪拌熱及摩擦熱的不斷產(chǎn)生，密封腔內溫度的升高，乙烯被汽 化，此 后密封運轉正常。但 隨著密封壓蓋、控 制系統(tǒng)中過濾器的泄漏， 導致乙烯的流量加大，而與空氣換熱汽化的速度跟不上，又導致液態(tài) 乙烯進入密封腔，造成密封泄漏。干氣密封改進方案：通過以上分析，可以確定該低溫泵干氣密 封本體在結構設計、材料選擇方面能夠達到該泵在兩種工況下運行對 密封性能指標的要求。解決現(xiàn)存問題的關鍵是在系統(tǒng)的設計上如何保 證泵出口的乙烯在進入密封腔前完全汽化。只要通入干氣密封的乙烯 為氣態(tài)，密 封就能實現(xiàn)

17、穩(wěn)定的運行，從 而保證該泵長期、可 靠的運轉。 根 據(jù)現(xiàn) 場 的 實 際 情況 ， 可 采 取 以下 措 施 對控 制 系 統(tǒng) 進 行 改 進1) 在 泵 出口與干氣密封控制系統(tǒng)之間的管路上設置針型閥，以調節(jié)流向干氣 密 封的 乙烯 流量 。2) 在 管路上設 置緩 沖罐 ，并采 用蒸 汽對 液態(tài) 乙烯 加熱，提高液態(tài)乙烯汽化速度，為干氣密封提供正常、穩(wěn)定的工作環(huán) 境。經(jīng)過以上改造,我們于2008年2月再次對P42干氣密封進行了試 驗，目前P42干氣密封無論在低頻裝車狀態(tài)或高頻返輸狀態(tài)都運行性能 穩(wěn) 定,達到 了干 氣 密封 改造目 的.五干氣密圭寸改造經(jīng)濟效益測算表5.1干氣密封改造經(jīng)濟效益測算表項目機械密封干氣密封使用壽命1年3-5年密封備件費用4萬/年4萬十3=1.33萬/年每年檢修費用約8000元/年0每年檢修物料損 耗費約4000元/年0密封油消耗費1000元/年0密封功率消耗8000元/臺800元/臺合計7.1萬/年1.41萬/年干氣密封使用兩年后所需更換易損件為密封圈和彈簧，每次更換 費用低，僅為1000元左右。由此可見，隨著運行時間的增加，干氣密封的使用成本遠遠低于 機械密封。此外，由于機械密封泄漏造成的臨時停車而引起的損失遠 遠超過密封本身的價值。六結論1）試驗表明，