乙烯泵密封泄漏原因分析及解决方法

・１３８・　广州化工　２０１１年３９卷第１６期　乙烯泵密封泄漏原因分析及解决方法　董戬波，陈勇，魏鹏林，尹会明　（中国石油四川石化公司，四川　成都６１１９３０）　摘　要：通过对乙烯泵机械密封特点的分析，得出端面比压不足，液膜相态的不稳定是密封泄漏的主要原因，并采取更换静环　以适当加大面积比、改善冷却条件、控制端面温度等措施加以解决。　关键词：乙烯泵；密封；泄露；液膜相态　

Ｔｈｅ　Ｃａｕｓｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｔｈｅ　Ｌｅａｋａｇｅ　ｏｆ　Ｅｔｈｙｌｅｎｅ　Ｐｕｍｐ　ＤＯＮＧ　Ｊｉａｎ—ｂｏ，ＣＨＥＮ　Ｙｏｎｇ。ＷＥＩ　Ｐｅｎｇ—ｌｉｎ，ＹＩＮ　Ｈｕｉ—ｍｉｎｇ　（Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｃｏｍｐａｎｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｃｈｅｎｇｄｕ　６　１　１９３０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｌｉｑｕｉｄ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｕｎｉｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｎ　ｅｎｄ　ｆａｃｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｒｅａｓｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｅａｌ　ｌｅａｋａｇｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ　ｏｆ　Ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｐｕｍｐ　ｓｅａｌ，ａｎｄ　ｔａｋｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｒｅ—　ｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｍａｔｉｎｇ　ｒｉｎｇ　ｔｏ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｌｙ　ｅｎｌａｒｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｒｅａ　ｒａｔｉｏ，Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｃｏｎｔｒｏｌｉｎｇ　ｅｎｄ　ｆａｃｅ　ｔｅｍｐｅｒａ－　ｔｕｒｅ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｉｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｐｕｍｐ；ｓｅａｌ；ｌｅａｋ；ｌｉｑｕｉｄ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　

大庆石化公司化工一厂裂解车间是化工区龙头，乙烯泵ＥＰ　一４３２Ａ／Ｂ，在１９８６年原始开工后曾经发生多次泄漏，最多一次　Ｂ泵连续修泵１８次，每次泄漏发生都很突然没有征兆，而且泄漏　量大无法控制，给安全生产带来严重隐患，所以有必要对密封泄　漏的机理进行深入的探讨，并加以解决，从而尽量减少因乙烯密　封泄漏而造成的危害。　１　乙烯泵密封的特点　乙烯泵密封与普通泵机械密封不同，有其自身的特点和难　点。乙烯易汽化，在正常工作时密封面液膜可能汽化，从而润滑　不良，而一旦机械密封突然泄漏，乙烯将吸收大量热量，使密封　面周围结冰，从而无法保障密封性能。另外，在乙烯泵的密封面　之间，膜压是随着操作环境变化的；在膜压系数最大时，具有一　定压力的汽化乙烯将推开密封面而突然泄漏。乙烯泵机械密封　相对于其他泵机械密封难点主要是对机械密封摩擦副的液膜相　态的控制，所以应着重对此进行分析，采取相应措施加以解决。　乙烯泵机械密封摩擦副端面的液膜相态是随温度、压力、冷却条　件而变化的。相态分全液相、似液相、全气相、似气相等四种。　（１）全液相相态，稳定、泄漏量稍大，有利于密封的使用寿　命，可是乙烯泵极少在此相态下工作　；　（２）似液相相态，似稳定，泄漏量小，密封面润滑较好且磨损　小，是希望的相态，乙烯泵经常在该状态下工作，但也可能随着　操作条件的变化而变成似气相甚至全气相　。　（３）似气相相态，不稳定，随着密封条件如温度、压力和冷却　环境的变化，可能转化为似稳定的似液相态，也可能转化为全气　相。乙烯泵也经常处于似气相工作状态，该相态下密封面润滑　较差，且磨损较大，在乙烯泵中属于应尽量避免出现的相态　。　（４）全气相相态，稳定，泄漏量最少，但除非是专业设计的气　相密封，一般密封应尽量避免在此相态下工作。全气相工作时，　密封面磨损很大，导致密封面冒烟，突然泄漏，从而降低使用寿　命和可靠性　ｊ。　当液膜处于似液相和似气相的边界时，此时膜压系数最大，　因此在似液相和似气相态相互转变过程中，有可能导致密封面　被推开而突然泄漏。端面比压公式如下　Ｊ：　Ｐｂ＝Ｐｆ＋Ｐｓ×（Ｂ—Ｋ）　（１）　式中：　面积比　膜压系数　一弹簧比压　

——介质压力　当　小于　时，密封面不会开启；当Ｋ大于　时，端面比压　不足，密封面可能开启也可能无法开启，不能有效密封。乙烯相　态分布见图１。　

密封面温度，℃　图１乙烯相态分布　

作者简介：董戬波（１９７５一），男，助理工程师，主要从事化工机械设备工作。Ｅ—ｍａｉｌ：１２１２ｑｑ１２３＠１６３・ｃｏｒｎ　２０１１年３９卷第ｌ６期　广州化工　・１３９・　２裂解车间乙烯泵机械密封常出现的问题　（１）机械密封未充分预热，泵启动前或启动后即出现泄漏。　而此时密封面没有明显损坏和磨损痕迹；　（２）泵在加大流量或者提高转速后容易泄漏，此时密封件可　能发热或者冒烟，经解体检查泄密封面常有损坏的痕迹；　（３）环境温度较高时也容易出现问题（２）的情况；　（４）泵在运行中突然泄漏，可能经解体检查密封面无磨损痕迹。　

３密封泄漏分析及对策　乙烯泵密封液膜相态，随着密封面间压力、温度的变化而变　化，为了对乙烯泵液膜相态判定有更直观的认识，引入似液相和　似气相的膜压系数公式如下…：　Ｋ：２／３×　／　＋（Ｉ／２—１／６×Ｐｔ／Ｐｓ）×（１一ＲＢ’）／（１一Ｒ１’）　（２）　式中：尸ｚ——饱和蒸汽压　

——介质压力　ＲＢ’：ＲＢ／Ｒ２　１’＝Ｒ１／Ｒ２　似液相和似气相的液膜压力从密封面外侧到内侧成抛物线　逐渐减小，乙烯泵密封液膜在一定区域的压力、温度下必然汽　化，这个区域叫沸腾半径。沸腾半径区域直接决定了液膜的相　态。可见沸腾半径直接影响密封相态（在密封尺寸一定的情况　下），可是沸腾半径因为与密封面间压力、温度的变化有关，所　以，沸腾半径无法计算准确，只能通过实验来确定。以上公式只　能理论上有个正确的认识。一般机泵转速越高、密封面宽度越　大（即Ｂ值越大），机械密封冷却越差、密封面温度越高、沸腾半　径就越大、液膜相态越趋向与汽相，对密封越不利。　３．１　沸腾半径的确定　乙烯泵原配的是ＵＫ２８７５平衡型号的机械密封，静环内径为　７Ｏ．５　ｍｍ，外径为８１．５　ｍｍ，轴套外径为７３　ｍｍ。当液膜在似液相　时，气相比ｏｔ小于０．２，ｏ／＝（ＲＢ’一　ｌ’）（１一Ｒ１’）。得出ＲＢ小　于７２．７　ｍｍ，静环密封面内径为７０．５　ｍｍ，为了保证密封面相态　为似液相，沸腾半径取７１．５　ｍｍ。　３．２端面比压的校核　密封要保证贴合，端面比压Ｐ６必须大于零。更据此条件，　取介质压力　为２．２　ＭＰａ，ＲＢ为７１．５　ｍｍ，Ｐｆ为０．１８　ＭＰａ，面积　比曰为０．７８５代入式（１），得　小于０．８６７，再将Ｋ代入式（２）得　此时乙烯的饱和蒸汽压凡小于１．７６　ＭＰａ，对应的密封面温度　小于３４℃。乙烯的操作温度在２５～３１℃之间，在机泵未安装　自冲洗前，密封面冷却不良，密封面温度高，液膜相态处于似汽　相和全汽相，机械密封泄漏主要是密封面磨损过大的原因。安　装自冲洗后，密封面温度降低，尽管因冷却良好，密封面相态可以　处于似液相，但密封面温度大于３４℃时，端面比压小密封面被推　开，乙烯泵在操作温度高于３０℃时机械密封经常突然失效。　３．３密封面积比Ｂ的重新校核　原机械密封端面比压不能满足要求，需要重新设计密封面。　选择新静环内径为７２．５　ｍｍ，外径仍为８１．５　ｍｍ，静环宽度由原　来的５．５　ｍｍ减小到４．５　ｍｍ（规范要求宽度为４～５．５　ｍｍ），　曰为０．９４８，弹簧比压　和介质压力　不变，再代入式（１），可　以看出，即便　取１（０＜Ｋ＜１），端面比压Ｐ６仍然大于零。可　见，新静环密封面不会随着相态变化而开启失败。　

３．４端面比压的重新验算　一般取膜压系数为０．８５，由端面比压式（１）得Ｐｂ等于　

０．３９６　ＭＰａ，对于容易汽化，润滑不良的介质，端面比压一般取　０．３～０．４５。可见新静环的端面比压可满足使用要求。而密封　面速度　等于１４．５１　ｍ／ｓ，算出ＰｂＶ等于５．７４　ＭＰａｍ／ｓ，ＰｂＶ也完　全满足要求。　３．５弹簧比压的选择　一般中速密封的弹簧比压在０．１５～０．３　ＭＰａ之间，而　ＵＫ２８７５机械密封为０．１８　ＭＰａ，所以弹簧比压正常。　３．６辅助密封圈的选择　ＵＫ２８７５机械密封原动、静环密封圈为聚四氟乙烯，由于聚　四氟乙烯对温度比较敏感，所以在低温时密封圈不易膨胀，另外　密封圈的浮动性和补偿性也相对不好，因此泵在启动时往往容　易泄漏。所以采用丁腈橡胶密封圈，以提高密封圈的浮动和补　偿性，降低对安装难度的要求。　３．７端面比压和液膜态相的控制　由于泵的压力基本不变，所以无法靠改变密封腔压力来提　供合适的端面比压和稳定的相态，只能靠控制端面温度的方法　来解决。由图１可以看出，密封面温度不仅直接影响相态，还影　响膜压系数Ｋ的大小，进而影响端面比压。采用新静环后，在似　液相状态下，由式（２）得出沸腾半径ＲＢ小于７４．３　ｍｍ。为了使　机械密封在稳定的似液相态下工作，使得密封面润滑较好，取　ＲＢ等于７３．５　ｍｍ。而同时也希望密封在合适的端面比压下工　作，即可保证密封面紧密贴合，又使得密封面磨损较小，因此按　乙烯密封端面比压推荐正常工作范围，先选用端面比压为０．３—　０．４５　ＭＰａ，由式（１）得出膜压系数范围为０．８２５—０．８９３，再将Ｋ　和ＲＢ代入式（２），求出此时的乙烯饱和蒸汽压　为１．６２—　１．９０４　ＭＰａ，对应的密封面温度为２８～３７℃。只有控制密封面　温度在此范围，密封就可以稳定似液相状态下工作，而且端面比　压正常，有利于密封寿命的延长。　

４减少密封泄漏的措施　（Ｉ）泵启动前应预热，保证动、静密封圈有充分的弹性，多盘　车以保证密封面良好贴合。　（２）更换ＵＫ２８７５机械密封的静环，使面积比曰等于０．９４８，　彻底避免因密封面相态突变而导致密封面突然开启。　（３）由于　值加大，所以密封摩擦热也自然增加，因此需要　改变机泵原环境的控制方式。由自冲洗改为贯穿冲洗，即从泵　出口管线引出一条冲洗线到密封压盖（管线由一针阀控制冲洗　量），再从压盖引出一条冲洗线到泵进口。从而加大自冲洗量，　使机械密封液膜保持稳定的似液相工作。　（４）在变频泵提高转速前，也需要加大冲洗量，避免因转速　的提高导致摩擦热量加大，液膜相态突变。　（５）反复测量静环尾部和冷却水腔的温度并进行比较，水腔　的温度一般比静环尾部低４℃左右。静环尾部和静环密封圈的　温度比密封面略小，按所测温度加１　ｏＣ。因在机泵运转时测量　静环尾部温度不便，只需测量水腔的温度再加上５℃，即为密封　端面的温度。控制密封面温度在３８～４７℃之间，温度大于４７℃　时，可以利用冲洗线的针阀加大冲洗量，以降低密封面温度。　通过以上措施，泵的机械密封寿命延长了１～２年。