流體阻塞密封在氣分裝置的應(yīng)用
摘 要:機(jī)械密封端面間存在著端面膜,保證機(jī)械密封端面膜的穩(wěn)定,是維持其密封效果的關(guān)鍵,要確保端面膜為穩(wěn)定膜,只需確保端面膜不發(fā)生相變或雖發(fā)生相變但不破壞端面的貼合即可。引入流體阻塞機(jī)械密封的原理,使用美國(guó)FLOWSERVE公司生產(chǎn)的QBBW/QBQW型流體阻塞機(jī)械密封,使長(zhǎng)期影響生產(chǎn)的密封泄漏問(wèn)題得到解決。
關(guān)鍵詞:機(jī)械密封 端面膜 流體阻塞密封
岳陽(yáng)興長(zhǎng)石化股份有限公司氣體分離廠于1996年進(jìn)行了擴(kuò)能改造,在投產(chǎn)后的幾年里,該裝置的精丙烯塔中間泵P-4105與回流泵P4107頻繁發(fā)生密封泄漏故障,嚴(yán)重時(shí)丙烯介質(zhì)從密封端面處漏出,彌漫四周,造成氣分裝置停工,嚴(yán)重影響生產(chǎn)裝置的安全正常運(yùn)行。2000年引入美國(guó)PIT公司的3620型丙烯泵替換上述國(guó)產(chǎn)泵,配置美國(guó)FLOWSERVE公司生產(chǎn)的QB-BW/QBQW型流體阻塞機(jī)械密封,通過(guò)4年多的觀察運(yùn)行,使用效果良好。
一、原因分析
機(jī)械密封之所以能夠起密封作用是由于機(jī)械密封端面間存在著端面膜,而端面膜的形態(tài)又決定了密封的效果。由于工況的不同,機(jī)械密封端面間存在著液相、氣液混相與氣相等三種型式的端面膜。端面膜存在著不同形態(tài)的原因是被密封液體接近飽和狀態(tài)時(shí),出現(xiàn)沸騰或閃蒸,即發(fā)生相變。而端面膜一旦發(fā)生相變,膜的反壓力就會(huì)發(fā)生較大變化,從而導(dǎo)致端面貼合不穩(wěn)定。所以解決問(wèn)題的關(guān)鍵是如何保證機(jī)械密封的端面膜為穩(wěn)定膜。很顯然,要確保端面膜為穩(wěn)定膜,只需確保端面膜不發(fā)生相變或雖發(fā)生相變但不破壞端面的貼合。
由文獻(xiàn)查得丙烯在不同溫度下的飽和蒸氣壓見(jiàn)表1。
已知該泵機(jī)械密封小彈簧的彈簧剛度(P′= 2.85N/nmm),彈簧預(yù)壓縮量x1= 3mm,裝配時(shí)的壓縮量x2=5mm,共有小彈簧12個(gè),故可求得密封在工作狀態(tài)下所受到的彈簧力:FS=12P′(x1+x2)=12×2.85(3+5)=273.6N則彈簧比壓PSP為:
(1) 使機(jī)械密封端面貼合的壓力(以下簡(jiǎn)稱正壓力)Pb1 (MPa)包括彈簧比壓與介質(zhì)壓力。端面受到的正壓力可按(2)式計(jì)算:
Pbl=PSP+BPS (2)
式中 B=(D22一DO2)/(D22一D12)
PS—介質(zhì)壓力,MPa
圖1為密封結(jié)構(gòu)示意圖,測(cè)得靜環(huán)端面內(nèi)徑D1=93mm,外徑D2=102mm,動(dòng)環(huán)0型圈處軸套外徑Do = 95mm,介質(zhì)壓力PS=2.2MPa,則B=0.786,由此可求得施加給端面的正壓力Pb1=1.93MPa。
圖1
結(jié)合以上的計(jì)算,從表1可見(jiàn),當(dāng)丙烯的溫度在45-53℃之間波動(dòng)時(shí),非常容易遇到施加給端面膜的正壓力(使端面貼合的壓力)與丙烯飽和蒸氣壓相等的情況,一旦遇到這種情況,端面液膜就會(huì)在端面間劇烈沸騰,從而沖開(kāi)端面,使丙烯從端面處量泄漏出來(lái)。如果能夠使介則可以獲得穩(wěn)定的端面膜。
二、流體阻塞機(jī)械密封原理
假設(shè)需要密封的流體為A(圖2),機(jī)械密封的作用是防止流體從其一端流向另一端,而產(chǎn)生流動(dòng)的原因是機(jī)械密封的兩側(cè)存在壓差。現(xiàn)在流體A(丙烯)流向大氣,原因是流體A的力大于大氣壓,此時(shí)端面間流體膜的成分為流體A。由以上分析可知,在現(xiàn)有的工況下,流體A作為端面膜時(shí),端面很容易被沖開(kāi)。如果在流體A的另一端施加比流體A壓力更大的流體B,且流體B在現(xiàn)有的工況下較易被密封,這樣就實(shí)現(xiàn)了密封介質(zhì)的轉(zhuǎn)化,使泄漏問(wèn)題得到解決。事實(shí)上,進(jìn)口泵所配置的機(jī)械密封就是這一原理。即動(dòng)態(tài)平衡帶壓密封系統(tǒng),所謂動(dòng)態(tài)平衡就是機(jī)械密封端面所受到的正壓力始終保持在一定范圍內(nèi),不隨流體A壓力的變化而變化。調(diào)壓缸的活塞上部為流體B,選擇合適的上下承壓面積以及合適剛度的彈簧可保證流體B比流體A高出0.1-0.2MPa的壓力,這樣可保證內(nèi)外密封端面間的端面膜為B。流體B為合成白油(具有較好綜合性能的一種潤(rùn)滑油),這樣端面間流體膜的成分為合成白油,在上述工況下,白油的飽和蒸氣壓遠(yuǎn)小于端面正壓,可獲得穩(wěn)定的端面膜。
圖2
調(diào)壓缸活塞下部為引壓側(cè):流體A的動(dòng)態(tài)壓力直接引至活塞下部,活塞隨壓力的變化而上下運(yùn)動(dòng),使上部流體B的壓力隨流體A的壓力變化而同向變化,形成動(dòng)態(tài)密封。借助驅(qū)液環(huán)(泵送環(huán))的強(qiáng)制循環(huán)和熱虹吸的重力循環(huán),造成對(duì)密封摩擦副的有效沖洗與散熱。同時(shí)裝有密封液換熱器,可以對(duì)密封液進(jìn)行不間斷地冷卻。通過(guò)觀察活塞位置指示板的位置,可以判斷密封是否處于正常狀態(tài)。由于白油的潤(rùn)滑性能非常優(yōu)良,因而機(jī)械密封的使用壽命得到了很大提高。
三、流體阻塞機(jī)械密封的使用效果
引入QBBW/QBQW型進(jìn)口流體阻塞機(jī)械密封后,在長(zhǎng)達(dá)4年的使用期間,出了兩次故障,一次是由于裝置突然波動(dòng),造成泵P-4105前端的動(dòng)環(huán)密封圈失效,一次是泵P-4107后端密封油罐的活塞位置指示板急劇上升,前者屬于非正常失效,后者屬于正常磨損,在及時(shí)處理后恢復(fù)正常。
目前密封使用效果良好,基本達(dá)到了預(yù)期使用效果。統(tǒng)計(jì)表明,一臺(tái)進(jìn)口泵(含密封)的購(gòu)入費(fèi)用為90萬(wàn)元,4臺(tái)泵共需資金360萬(wàn)元,平均每年密封維護(hù)費(fèi)用在8萬(wàn)元以下,泵體6年內(nèi)無(wú)需解體檢查,即6年內(nèi)共需設(shè)備投入408萬(wàn)元。
以前平均每年用于密封維護(hù)的費(fèi)用達(dá)30萬(wàn)元,每次泄漏丙烯價(jià)值在0.3-5萬(wàn)元之間,每年泄漏次數(shù)在20次以上,裝置停工一次所造成經(jīng)濟(jì)損失在50-80萬(wàn)元,平均每年停工(含局部停工)2次,這樣平均每年的損失在210萬(wàn)元,6年的損失在1260萬(wàn)元。新設(shè)備6年內(nèi)可為企業(yè)節(jié)省800萬(wàn)元的費(fèi)用。
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