改进TTMC80-5液态烃泵机械密封

2013-08-25朱宁宁

设备管理与维修 2013年11期

宋彬朱宁宁

兰州石化公司设备维修公司兰州市

一、问题概述

气分装置用的立式离心泵P1，是输送液态烃介质的关键泵，型号TTMC80-5，输送介质温度35℃，流量56.5m3/h，进口压力0.55MPa，出口压力1.19MPa，转速2590r/min，轴功率75kW。此泵平时使用中，常出现机械密封突然泄漏故障，造成液态烃大量泄漏。

二、故障分析

1.机械密封失效原因分析

立式泵P1原来使用的机械密封为丹东克隆生产的型号为109-58的单端面机械密封，拆检发现动静环密封面磨损严重，有明显的干磨痕迹，机械密封内部存在大量积炭。

机械密封工作中，动静环密封端面处会形成一层厚度为h的密封膜（图1）。密封膜有一定压力，可以阻止介质泄漏。密封膜的一端为密封介质，压力为P2，另一端为大气，压力为P1。对于物理性质稳定的流体来说，密封膜为全液相；对压缩气体来说，密封膜为全气相。

通过查阅化学手册可知，液态烃的物理性质不稳定，当液态烃的压力高于饱和蒸汽压时，介质液化，在机械密封端面处形成的密封膜为液相；当液态烃的压力低于饱和蒸汽压时，介质汽化，在机械密封端面处形成的密封膜为汽相。

因为液态烃的饱和蒸汽压PZ大于大气压力P1，而小于介质压力P2，那么在动静环密封端面处必然存在一点，其压力等于PZ，其半径等于rz。此时动静环端面密封膜为汽、液两相。在r2rz段介质为液相，在rzr1段介质为汽相。由此可知，当大气段压力增大为P3时，其中P3＞P1，那么rz的半径会变小，此处的饱和蒸汽压PZ也会随之移动。这样r2rz段会增长，其间的延长的液相密封膜有助于机械密封的平稳运行，使其运行寿命增加；而rzr1段会变短，可以有效解决机泵密封端面处液态烃汽化的问题（图 2）。

2.引起液态烃类机械密封泄漏的原因

图1 机械密封端面结构示意图

图2 饱和蒸汽压位置变化图

（1）温度因素。因为液态烃物理性质不稳定，温度升高会使其饱和蒸汽压PZ升高（图3），使rz的半径会变大，从而使r2rz段变短，使r1rz段变长，机封端面密封膜液相部分变短，汽相部分变长，不利于机封运行，使其寿命变短。

（2）压力因素。在操作过程中，调整工艺参数致使介质压力下降，会使密封膜压重新分布，会使其饱和蒸汽压PZ所在位置rz的半径会变大，从而使r2rz段变短，使r1rz段变长，机封端面密封膜液相部分变短，汽相部分变长，不利于机封运行，使其寿命变短（图 4）。

（3）介质组分。液态烃中轻组分增加，会使介质汽化倾向加大，会使密封膜压重新分布，会使其饱和蒸汽压PZ所在位置rz的半径会变大，从而使r2rz段变短，使r1rz段变长，机封端面密封膜液相部分变短，汽相部分变长，不利于机封运行，使其寿命变短。

图3 饱和蒸汽压变化对膜压分布的影响

图4 压力变化对密封膜压分布的影响

（4）介质杂质。介质中含有水、碱液等杂质时，在液态烃发生汽化时，会出现结晶体，加剧密封端面磨损，不利于机封运行。

3.分析结论

由此可见，想提高原有机械密封的使用寿命，可以对原有机械密封形式进行改进，将其改为串联式机械密封形式，在第一道机械密封处增加背压，加强冲洗效果，降低密封端面温度。在工艺操作上保证机泵运行平稳，保证压力、介质组分、杂质等均符合工艺要求。

三、密封改进

将原来普通单端面接触式机械机封改为接触式机械密封与干气密封串联使用（图5），这样可以为接触式机械密封提供一个背压，使密封端面处的饱和蒸汽压PZ发生移动，使液相密封膜长度变长，从根本上解决液态烃汽化的问题。

1.机械密封（主密封）结构参数设计

根据机泵运行情况并参照原有机封相关参数，确定串联式干气密封中机械密封（主密封）的设计参数。密封面内径71mm，密封面外径97mm，载荷系数0.635，弹簧比压0.049MPa，端面比压0.076MPa。

2.干气密封参数优化设计

根据相关研究，干气密封的动压槽采用对数螺旋槽，可以获得最好的流体动压效应。利用厂家提供的干气密封优化软件，采用有限元方法对动压槽结构参数进行优化。在软件中输入相关参数：密封面内径71mm，密封面外径97mm，介质平均黏度1852.67Pa·s，密封转速 2950r/min，工作气膜厚度 1.6μm，工作压力0.4MPa，可得动压槽的优化数据。

动压槽螺旋角17°左右时，螺旋槽的深度可以设定为气膜厚度的3.5倍，此时气膜的刚度、刚漏比和承载能力可以达到最大值。动压槽的槽长和密封坝长之比如果＜1.4，则气膜的刚度、刚漏比和承载能力3个指标会变化较大，如果动压槽的槽宽和密封坝宽之比为0.4～1.2，则气膜的刚度、刚漏比和承载能力3个指标会变化较小。此外，动压槽的数量应选择在15～25条。