离心泵用机械密封腔压力的确定

机械2010年增刊 总第37卷 ·15·———————————————离心泵用机械密封腔压力的确定黄军宜，周丽芬，孟小松（柳州化工股份有限公司，广西 柳州 545002）摘要：针对甲醇装置机泵用机械密封在生产过程中出现的问题，得出密封腔压力的确定是机械密封能够稳定可靠运行的重要因素之一，把经验公式与现场实际相结合，得出正确的密封腔压力，为机械密封稳定、可靠的运行提供了良好条件。

关键词：离心泵；机械密封；密封腔压力；甲醇石油化工装置中输送的介质种类繁多，各种物料的性能差异较大，大多数介质或有毒、有害，或高温高压。

如密封失效后介质泄露，不仅污染环境，往往还会造成火灾、爆炸、设备腐蚀以及人身伤亡等重大事故。

此外，密封的可靠性还直接影响到能源和物质的损耗，密封功率的消耗约占总机泵设备轴功率的1/3。

随着密封技术的不断发展，机械密封的可靠性高、泄露量小、摩擦功率损失小等特点已被广泛认可。

甲醇装置输送的是甲醇，属于易燃易爆、渗透性强的物质且还含有H 2S 等有毒介质。

本文结合API682标准对甲醇装置机泵的机械密封密封腔进行确定。

已确保机封稳定、可靠的运行。

1 机械密封的基本原理机械密封是一种用来解决旋转轴与机体之间密封的装置。

通常由端面摩擦副（动环、静环）、弹性元件、防转件、紧固件与轴套组成，如图1所示。

图1 机械密封结构机械密封一般有五个密封点：①动静环互相贴合的密封，密封面间靠弹性元件和密封流体压力压紧；②动环与轴套之间的密封，动环随轴转动，这是一个相对静止密封；③静环与压盖之间的密封，这是个静密封；④轴套与轴之间的密封；⑤压盖与泵盖之间的密封。

2 密封腔压力的相关理论甲醇装置机泵用机械密封运行环境恶劣，不允许介质向大气端泄露，需要辅助系统加以改善工作环境，对于机械密封采用注入式冲洗离心泵而言，冲洗水压力的确定是关系到机械密封是否能够稳定、可靠运行的因素之一。

若冲洗水压力小于密封腔压力，冲洗水进入不到密封腔，不能润滑端面且不能带走密封端面之间产生的大量摩擦热，这样会使密封面温度升高导致机封失效；冲洗水过小还会使介质反窜到密封直接泄露到大气，起不到阻止介质外漏的作用。

若冲洗水压力比密封腔压力过大，冲洗水会冲歪端面导致摩擦副不能紧密贴合而产生泄露；冲洗水过大冲刷动静环会使动静环变形、破裂导致机封失效；冲洗水压力过大还会进入到密封腔，污染介质影响生产，这种现象被称为“内漏”。

总之压力太大或小于密封腔压力都会使机封失效。

确定离心泵密封腔压力的数值时，除需要知道泵进、出口压力（扬程）外，还要确定泵的类型和结构。

双支承和悬臂式泵密封腔中的压力不同，密封腔压力还与泵吸入口的位置和轴向力的平衡方式有关，此外，还与泵的磨损状况有关。

根据经验得：（1）对于采用单级双吸式叶轮的双支承泵，两侧密封腔中的压力均等于泵入口压力；对于两级双1-Rc1/2F·16·机械2010年增刊 总第37卷支承泵，入口端密封腔压力＝泵入口压力，出口端密封腔压力＝一级叶轮出口压力＝（泵入口压力＋出口压力）/2。

（2）对于多级双支承泵，入口侧密封腔压力＝泵入口压力，出口侧密封腔压力根据平衡盘和平衡鼓的布置来分析，密封腔压力有时等于进口压力，有时只是一中间级出口压力，有时是泵的出口压力。

（3）对于悬臂式单级泵，与轴向力平衡方法及叶轮和泵体的口环向间隙有关，叶轮带平衡孔的悬臂泵，当口环间隙不大时，密封腔压力基本等于泵入口压力，口环间隙大时比泵的入口压力高0.05～0.1MPa；对于悬臂式两级离心泵，密封腔压力等于泵的入口压力。

（4）对于悬臂式单级泵，还有一种经验算法：密封腔压力＝进口压力＋扬程/3。

有的人建议在冲洗管路上靠近密封腔安装压力表，当冲洗液没有通入，即冲洗阀门没有打开时，该压力表的读数即为密封腔的压力。

这种方法在高压、高温机械密封场合，由于没有冲洗液通入，很可能在短时间内由于高温、高压介质的进入对机械密封造成严重的伤害，笔者在2007年的一台低温泵（入口压力2.8 MPa）检修过程中，就发生了类似情况下对机械密封的伤害。

当时在冲洗液已经通入机械密封，但未加压的情况下，把泵进口阀门打开，机械密封处立刻就发出了异常响声，于是立即将泵进行处理，拆开机械密封，发现机械密封靠近介质侧静环定位槽已经损坏。

根据损坏情况判定为由于密封腔压力上升，而冲洗液未加压，导致静环在反向压力作用下受力不均匀，在脱离定位销时定位台被挤压损坏。

根据这次的案例，给操作人员提出，在类似的泵操作过程中，一定要先给冲洗液加到工作压力后，再打开泵进口阀门，按该操作执行后再未发生过类似情况。

3 问题的提出2006年11月我公司低温甲醇洗单元进入试车阶段，该单元共有17台泵，它们输送的介质都是甲醇，这17台泵都采用的是机械密封，且密封都采用带压注入式冲洗，在这里，仅选用具有代表性的甲醇泵进行分析，其相关参数如表1所示。

表1 甲醇泵相关参数表序号单位数量泵送介质结构形式进口压力/MPa出口压力/MPa转速/（r/min）机械密封1 台 2 甲醇单级离心悬臂式 2.8 3.475 1475注入式冲洗2 台 2 甲醇单级离心悬臂式0.196 0.733 2980注入式冲洗3 台 2 甲醇单级离心悬臂式0.123 1.4 1480注入式冲洗4 台 2 甲醇单级离心悬臂式0.3 0.8 2980注入式冲洗5 台 2 甲醇多级离心悬臂式0.22 4.9 2980注入式冲洗由于公司内相关人员都第一次接触这类机械密封，对冲洗液的压力控制实际要求一无所知，咨询泵生产厂家后，厂家答复冲洗液压力控制在比泵出口高0.2～0.3 MPa，数据如表2所示。

表2 冲洗液压力控制序号进口压力/Mpa 出口压力/MPa 机械密封冲洗压力/MPa1 2.8 3.475 3.7～3.82 0.196 0.733 0.95～1.053 0.123 1.4 1.6～1.74 0.3 0.8 1.0～1.15 0.22 4.9 5.1～5.2根据厂家提供的压力参数进行指导操作后，发现了一个相当严重的问题：机械密封的冲洗液很快就泄漏到密封腔中，有的泵甚至不到1个小时，最长时间不超过4小时，就已经泄漏完毕。

按照这个办法，这样的泄漏速度，这些泵根本无法进行操作，整个系统将无法运行。

再联系厂家反映情况时，他们仍然坚持原先提供的压力参数，但实践已经证明，原先提供的参数不能给予生产操作指导。

4 问题的分析及解决方案于是，调出设备图纸根据各泵体结构，对各个泵密封腔进行仔细分析。

（1）多级离心双支撑泵，它的非驱动端处密封腔在平衡盘之后，平衡盘有一根平衡管与泵进口相连，中间没有阀门断开；驱动端密封腔就在泵的进口处，因此可以断定这台多级离心双支撑泵两端的密封腔压力均为泵的进口压力即0.22 MPa；（2）位号5261的单级离心悬臂泵，其叶轮没有平衡孔，于是按经验算法求出它的密封腔压力：进口机械2010年增刊 总第37卷 ·17·压力＋扬程/3＝2.8＋(3.475－2.8)/3＝3.025 MPa；（3）位号5262、5265的单级离心悬臂泵，结构一致，叶轮都带有平衡孔，且都是新投用的泵，其口环间隙还是与出厂时一致，于是，其密封腔压力取泵的进口压力值：5262密封腔压力，0.196 MPa；5265密封腔压力，0.3 MPa；（4）位号5263的单级离心悬臂泵，它的叶轮没有平衡孔，密封腔压力算法同位号5201：0.123＋（1.4－0.123）/3＝0.549 MPa。

在得出这几台泵密封腔的压力后，由于正处于试车阶段，各项工艺指标都不太稳定，取冲洗液压力＞密封腔内压力0.1～0.2 MPa，于是得到各泵冲洗液压力值如表3所示。

表3 泵冲洗液压力值序号进口压力/MPa 出口压力/MPa 机械密封冲洗压力/MPa1 2.8 3.475 3.125～3.2252 0.196 0.733 0.296～0.3963 0.123 1.4 0.649～0.7494 0.3 0.8 0.4～0.55 0.22 4.9 0.32～0.42从表3看出，各泵密封冲洗液压力与厂家提供的数据有很大出入，特别是多级离心双支撑泵，两者相差4.78 MPa。

得出数据后，直接按以上数据对这些泵进行机械密封的静压试验，在密封腔内没有介质通入的情况下，各密封的泄漏速度明显减慢，基本可维持3～7天，效果已经比厂家提供的参数提高了几十倍。

考虑到开车过程密封腔是带压的，机械密封与密封腔之间的压差更小，决定就按此参数操作，同时将类似的方法推广到同单元中的其他泵上。

5 结束语经过两年多的实际操作证明，该计算方法是正确的，已经给生产操作提供了良好的指导。

整个试车过程当中，机械密封方面由于确定出了密封腔的压力，加上操作人员的认真执行，没有因为机械密封泄漏超标导致停泵而影响系统运行的情况，为甲醇装置稳定的运行创造了良好的条件。

参考资料：[1]王汝美. 实用机械密封技术问答[M]. 北京：中国石化出版社，1995.[2]任晓善. 化工机械维修手册[M]. 北京：化学工业出版社，2004.[3]顾永泉. 机械密封实用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2005.[4]涂灏. 密封[M]. 北京：冶金工业出版社，2005.（上接第6页）热推力（f＝0）：P＝K(T－T0)EBS2/4L式中：P为热推力，kg；E为弹性模量，kg/mm2；B 为宽度，mm。

4.3 双金属片弹跳型排不凝结性气体装置图3所示这种结构靠双金属片的弹跳变形工作。

冷状态时，双金属片中部成凹形，阀门开启，在启动初期让全部不凝结性气体自由地排出；热状态时，双金属片中部弹跳变形成凸形，靠压力差关闭阀门。

4.4 双金属组型排不凝结性气体装置如图4所示，它是由一组双金属圆片组成，冷状态时，双金属片处于平直，排放冷凝水和不凝结性气体，随着温度的升高，双金属片逐渐弯曲，直到完全关闭排出口。

双金属片的计算：f＝K(D2－d2)(T－T0)/4S式中：D为外圆直径，mm；d为内环直径，mm。

热推力（f＝0）：P＝K(T－T0)ES2①卡圈1 ②内盖③过滤网①锁紧螺母②挡圈1 ③弹簧④卡圈2 ⑤阀瓣⑥阀座④挡圈2 ⑤双金属片⑥垫圈⑦密封垫⑦阀座⑧密封垫⑨阀杆图3弹跳型图4双金属组型参考文献：[1]中井多喜雄. 蒸汽疏水阀[M]. 北京：机械工业出版社，1989.[2]将兴可. 蒸汽疏水阀[M]. 北京：纺织工业出版社，1986.[3]高田敏则，等. 凝结水回收与利用[M]. 北京：机械工业出版社，1988.。