下载文档原格式
液化石油气泵用机械密封
用泵输送各种饱和液化石油气体，是随着石油化工的发展和能源的开发而开始的。
早期用于输送液化石油气的设备是一种由蒸汽透平驱动的往复式排量泵。
随着工作容量的增加，往复式排量泵多数已被离心泵取代，因为后者流量大，成本低。
因此，近年来液化石油气泵用机械密封的需求量日益增长。
液化石油气泵用机械密封使用参数范围：
压力：0～2.7MPa
温度：20～325K
速度：最高达113m/s
泵送液化石油气在安全运行方面主要取决于轴封的可靠性。
因为，多数液化气是易燃易爆危险物质。
例如，甲烷、乙烷、丁烷、乙烯、丙烯等。
图5-52、表5-4所示为清烃介质的特性。
泵送低沸点流体，不仅存在低温材料脆化、流体容易汽化等问题，而且还具有低引火点、低粘度、高蒸汽压等特征。
在机械密封的滑动端面难以维持稳定的流体膜，因流体汽化引起干摩擦，在泵启动时端面易于冻结，因而会发生端面早期磨损。
所以，解决这类流体的轴封问题最多而且最难。
低温液化气体用机械密封的常见故障见图5-53.
典型的液化气用泵是石油化工装置中的乙烯泵。
本节主要介绍请烃泵用机械密封的设计和使用问题。
相关链接：/news/sybz/1063.shtml。
胜达因HMP-3512高速泵密封失效分析发布时间：2021-11-11T08:16:54.005Z 来源：《中国科技人才》2021年第23期作者：赵跃[导读] 我公司一段高压丙烯进料泵是由一台两级高速泵、驱动透平（电机）、齿轮箱、公用油站和一套公用密封系统组成。
身份证号码：3426221****8200815 南京先进生物材料与过程装备研究院南京 210000摘要：我公司使用的胜达因HMP-3512型号高速泵自开工调试以来，泄漏严重，拆检多次发现密封动静环碎裂，磨损严重，通过研究分析发现是由停机过程中密封反压导致的，最终提出了改变频电机来解决该问题。
关键词：高速泵；透平；电机；密封；反压；变频1.基本情况我公司一段高压丙烯进料泵是由一台两级高速泵、驱动透平（电机）、齿轮箱、公用油站和一套公用密封系统组成。
高压丙烯进料泵01P0216A/B/C共3台，其中01P0216A为透平驱动，01P0216B/C为电机驱动。
正常生产时01P0216A/B同时运行分别给喷射泵01J0217A/B提供动力源，01P0216C平时作为备用泵。
该丙烯高速泵是美国SUNDYNE公司HMP-3000系列的2级高速离心泵，具体参数如下1.1密封系统该高速泵的2级均采用串联密封，密封系统分为两个单独流程：1）冲洗液：1级和2级的各级冲洗液流量为1.14m3/h，冲洗液来自2级出口，分为两路经孔板减压至1级和2级主密封，对密封起到清洁和降温的作用。
2）缓冲液：密封缓冲液系统为单独撬装，主要包括2台齿轮泵、1个缓冲液灌、双联过滤器（5μm）、双联水冷器。
密封缓冲液为royal purple barrier fluid type GT22。
缓冲液自泵出口经孔板先到2级密封，从2级密封出来再经孔板至1级密封，各级缓冲液流量为1.14m3/h。
1.2密封系统设计参数2.故障现象自泵组试车调试（2017年6月）开始至2018年6月，透平驱动的A泵密封泄漏量稳定，一级密封液外漏约5滴/分钟，二级泄漏约10滴/分钟，未更换过密封，电机驱动的B泵更换过3次密封，电机驱动的C泵更换过一次密封，B泵和C泵每次发现泄漏丙烯都是发生在停泵切换的时候，发现密封系统管线结霜严重，有大量丙烯泄漏致密封罐。
丙烯输送泵机械密封失效原因分析及改进
摘要：通过对油品丙烯输送泵机械密封使用情况的跟踪和性能参数的验算，对其失效的
原因进行分析，得出温度过高，造成液膜相态不稳定是密封泄漏的主要原因，并相应采取适当减小端面比压、改善冷却和封液循环等措施，以降低密封端面温度，从而使密封性能和使用寿命均得到了较大的提高。
关键词：机械密封液膜相态稳定性改进
1前言
油品B424、B425是与镇海炼化公司20万吨/年聚丙烯装置配套的丙烯长输泵，这两台泵于2003年6月份安装完毕后，泵厂家来人进行调试，在调试过程中，机械密封运行一直不正常，特别是外侧封油端密封，格兰温度高达80℃，最后引起密封泄漏和损坏，泵根本无法正常运行。
虽然厂家曾对泵进行多次拆装，并对压缩量进行调整，但问题一直没有得到解决。
为此，公司要求我们提前接管，并即刻进行技术攻关，以确保后续装置的正常开工和安全、可靠地运行！
2 问题的提出
这两台丙烯输送泵是由大连化工耐腐蚀泵厂制造的DDMC80BⅡ×6型立式泵，其性能
在实际工况中，进、出口压力分别为：1.3Mpa、2.9 Mpa，入口介质温度为≯30℃。
使用的机械密封为大连博格曼有限公司生产的H75S2-65/H75F-58型多弹簧平衡型串联机械密封，主密封由一级叶轮出口引入自冲洗，辅助密封带封液循环冷却罐。
该泵在安装后调试过程中，刚开始密封无泄漏，但运行不到2小时，格兰温度逐渐上升到80℃左右，密封腔内也不时地发出“噼啪、噼啪”声（明显是汽化发出的声响），随之密封产生了泄漏。
后来厂家对密封的压缩量进行调整，但密封的连续运行时间也只能达到8小时左右。
密封过短的寿命和严重泄漏，该泵根本无法正常运行，这不但给生产带来了安全隐患，同时泄漏的丙烯造成了环境的污染。
3 密封失效原因分析
从现场的跟踪情况来看，当密封格兰温度逐渐上升到60℃左右，密封就开始产生泄漏，并且封液罐的排气口冒气时大时小，基本上与密封腔内不时地发出“噼啪、噼啪”声同步。
从拆检的密封端面情况来看，密封的动环面已经明显磨损，静环面上有许多白点和彗星状纹理。
种种迹象表明密封在一定的温度下产生汽化失效。
从密封的机理上分析，机械密封摩擦副端面的液膜相态随着温度、压力、冷却条件而变化，但只有工作在全液相和全气相下工作较稳定（全气相的工况下，除非是专门设计的气相密封，要求特别高，一般不可能选用）；似液相下工作似稳定，但可能随着操作条件的变化而转变为似气相甚至全气相；似气相下工作不稳定，因为只要温度、压力或冷却条件稍有变化，就可能转变为似液相或全气相工作状态。
可见在似液相和似气相工作状态下都可能会产生汽化失效。
另外就丙烯介质的特性来说，丙烯易汽化，同时吸收大量的热量，使密封面周围结冰，从而加快密封面的磨损失效。
3.1主密封端面膜相的确定
注：t E —密封面出口处温度℃；t I —密封面入口处温度℃；t F —密封端面处温度℃；
t ba —常压沸点℃；t b —沸点℃。
另外，丙烯常压下的沸点t ba 为-53℃，显然密封面出口处温度t E ＞t ba ，密封腔压力
为1.6MPa ，其对应的沸点t b 为40℃ ，即t I ＜t b ；可见该密封液膜相态为似液相或似气
相，关键就看密封端面处温度t F 的值。
下面我们通过计算来确定：
已知：动、静环材料均为碳化硅；密封面外直径D 2=75mm ；密封面内直径D 1=69mm ；
平衡直径D B =70mm ；密封面宽度f b =3mm ；则
平衡比：84.069757075222
22122222≈--=--=D D D D B B 另外，根据迈尔方法，当密封端面摩擦热沿密封环轴向传递时，密封端面的温升可表示为：
()[]S R w f g f C Vb fP t λλ+=∆
式中：f —端面摩擦系数为0.02；
λR 、λS —分别为动、静环材料的导热系数为150W/（m.k ）；
Cw —散热系数，它与冷却液体和工作条件有关，这里取0.6；
Pg —密封面比载荷，N/m 2;
V —均径转速，m/s ；
其中，544.16.184.02.0=⨯+=+=S sp g BP P P MPa
式中：Psp —弹簧比压；Ps —密封腔介质压力。
()
()1.1129506021075696023
21=⨯⨯⨯+=+=-ππn D D V m/s
则：()[]()
71.51501506.0003.01.1110544.102.06=+⨯⨯⨯⨯⨯=+=∆S R w f g f C Vb fP t λλ ℃ 所以密封端面的实际温度：71.3571.530=+=∆+=f I F t t t ℃
由此可见，t F ＜t b =40℃，所以该密封正常工作下液膜相态为似液相，当工况稳定，
冷却条件合适时，密封运行应该相对稳定不泄漏。
3.2密封冷却条件的确认
如图所示，该密封在结构设计上考虑摩擦副所产生的热量除了自然散热外，主、辅密封的热量都靠外封液循环来带走。
但该泵为立式结构，密封为垂直安装，密封封油系统的管线安装为由辅助密封压盖进，从主密封压盖出。
根据电机旋转方向确定泵送环为右旋，即封油先从封油罐下部进入辅助密封腔，经泵送环从主密封格兰回到封油罐上
部。
从理论上讲，温度较低的封油先进入密封面，温度升高后回到封油罐是可取且比较理想的。
但此泵为立式泵，根据常识，泵在启动瞬间丙烯介质出现微量泄漏而挥发成气体从下往上流动，这刚好与封油的循环方向相反，从而产生“气堵”现象。
因此本结构的封油配置根本无法流动，封油进入密封腔后形成死角，再加上密封面的摩擦热和搅拌热，使密封腔内的封油温度越来越高，格兰温度也随之升高。
从现场监测到的现象是，封液没有循环起来，当密封格兰温度达到60℃左右，密封就开始发生汽化泄漏。
就封液罐的配置结构上，低温的封油从封油罐进入密封腔后，带走密封腔内产生的热量，经泵送环输送，流出来的封油温度升高，需在封油罐中进行热交换，因此在封油罐中要安装换热冷却设备。
如光靠空气对流散热，封油的温度是冷不下来的，这样流进密封腔中的封油温度比较高，不利于密封的正常工作。
本泵原配的封油罐没有安装换热设备（绝大部分罐内带盘管冷却），故封油无法冷却，这也是使密封温度升高的原因之一。
4 改进措施
根据上述原因分析，我们本着经济、实效的原则，在利用原密封和封液系统的基础上，采取并实施以下措施：
4.1 减小端面比压
该型密封的弹簧盒弹性元件为小弹簧，主密封8只，辅助密封6只，设计弹簧比压为0.15～0.35MPa ，压缩量为4～6mm 。
根据上述计算分析，我们将压缩量从5mm 调整到4mm,使密封的弹簧比压由0.2 MPa 变为0.16 MPa ，从而使主、辅密封端面比压减小，以减少密封摩擦副产生的热量，特别是防止辅助密封发热后热量传给主密封。
4.2 封液冷却系统的改进
为了消除“气堵”现象和降低封液温度，我们作了如下改进：
（1).封油管线重新配置，即封油从下面（主密封压盖处）进，经泵送环送到密封面，再封
油罐
由上部（辅助密封压盖处）回到封油罐上部（见图2）。
（2）.为了建立反向循环，密封的泵送环和辅助密封压盖必须重新加工，泵送环和压盖多头螺旋由右旋改成左旋，以符合封油自下而上的流动方向，因此厂家根据我们的要求，重新加工了泵送环和辅助密封压盖。
同时为了增强循环能力和封液循环量，对泵送环作如下改进：1. 泵送环与压盖内径单边间隙由1.0mm改为0.8mm；2.螺旋由8头改为12头，螺旋角为15°；3.螺旋槽深度由1.0mm改为1.2mm。
（3）.考虑到重新加工封油罐时间较长，我们利用现成的换热器（有效换热面积为0.4m2），安装在原封油罐下部，封油从封油罐底部出来，先进入换热器内进行冷却，冷却后的封油再进入密封腔。
改进后的密封装配结构和封油系统如图2所示。
4.3 改造效果
2003年7月10日，我们对B425泵首先进行了改造。
改造后泵的机械密封封油循环正常，观察运行了三天密封无泄漏，其格兰温度也只为37℃（当时气温就高达31℃）。
在此成功的基础上，我们对B424泵进行了同样的改造，也取得了很好的使用效果。
现在改造后的密封已连续运行半年多无泄漏，这不仅为装置的安稳运行提供了保障，也为公司节约了大量的检修费用。
5 结束语
通过本次密封改造的成功，我们可以看到机械密封摩擦副端面的液膜相态随着温度、压力、冷却条件等因素而变化。
特别对于易汽化的丙烯，控制其密封端面的温度对密封液膜相态的稳定和使用寿命至关重要。
另外，在今后的维护中，要特别注意冷却器的冷却效果，如果条件允许，在密封格兰上可以增设冷却水系统。
参考文献
1. 顾永泉机械密封实用技术机械工业出版社2001.7。
