机械密封在易聚合化工介质中的应用

2014-05-29苏景武姜海燕

化工机械 2014年2期

苏景武姜海燕

(青海盐湖镁业有限公司)

机械密封在易聚合化工介质中的失效频率大大高于其他化工装置，而随着整个中国市场对各种高性能聚合物的大量需求(如聚丙烯、高密度乙烯、丙烯酸以及各类树脂等)，国内在未来几年内又将新建很多易聚合化工介质装置，所以在工程设计阶段根据不同的条件(技术和经济)选择合适的密封和系统将对装置的稳定运行起到非常重要的作用。易聚合化工介质生产中需要大量的离心泵输送制造各种高性能聚合物以及各种中间产物和催化剂，由于流程中各种介质活泼的化学性质及聚合产物的易结晶特性，使得装置在短期内需要停车清焦，同时，结焦/颗粒等会对机械密封产生巨大的伤害。

1 介质情况

以丙烯酸工艺为例：

熔点 14℃

沸点 141℃

相对密度 1.05

溶解性与水混溶可混溶于乙醇、乙醚中

聚合性易与醇类在一定条件下发生聚合反应，同时也容易发生自聚合

丙烯酸脂包括以丙烯酸为基础原料的各种脂类，均为易燃易爆易聚合之物质；换热剂(常用的为狄菲尔换热剂)为邻苯二甲酸二甲酯、甲苯、对甲苯磺酸，部分物质能在常温条件下聚合并形成坚硬的复杂聚合物。

2 常见密封结构对比分析

2.1 背靠背双端面密封结构

传统的背靠背双端面密封结构较简单(图1)，方便设计和选型，标准化程度高；缺点是应用覆盖面比较小，对于易聚合物质比较敏感。

图1 背靠背双端面密封结构

对于聚合程度一般的聚合物单体，只要对密封缓冲液或冲洗液有效控制，以及停车前进行必要的吹扫，该类型密封可以满足使用要求。但是，个别工艺介质中往往含有一些辅助成分，当介质温度降低的时候，该组份会与介质发生复杂的聚合反应，所产生的聚合物在冷却之后形成硬度不等的固体物质，且牢牢粘附于金属及密封面区域，从而对密封产生致命的损害。图2是聚合颗粒对双端面密封破坏失效的现场照片。

图2 双端面密封结构破坏情况

2.2 单端面静止型密封

单端面静止型密封结构(图3)特别适合含颗粒和粘稠介质的工况。与介质接触区域外表面十分平滑,无死区,介质不易堆积,即使在停车时有部分介质粘附在其表面,也不会产生额外扭矩,而且随着温度的升高和自身的离心力作用,粘附物质将会脱离密封区域。由于采用单端面结构，相对来说密封成本比较低，而且不需要复杂的密封系统来支持。

图3 单端面静止型密封结构

单端面静止型密封在冲洗液供应不稳定的情况下容易失效，同时由于没有密封辅助系统，对于密封的泄漏状况无法进行有效监控。在密封面严重损坏的情况下，介质有大量泄漏到大气中的可能，对环境和人造成伤害(在现代装置中已经较少采用)。

2.3 静止型双端面密封

针对以上两种情况，笔者推荐采用静止型双端面密封(图4)，并且在实践应用中取得非常良好的效果。

图4 静止型双端面密封结构

静止型双端面密封的优点：

a.双端面，双向平衡，可承受反压;

b.密封面附近无死区, 介质不易堆积;

c.密封面接近叶轮背面 ;

d.硬对硬材料密封面导热耐磨;

e.弹簧受保护;

f.O形圈采用FFKM(全氟醚橡胶),可以选择Karez6375或Chemraz605;

g.封液引流装置改善冷却性能，缓冲液直接流向密封面;

h.附加螺纹泵，加速封液循环, 提高冷却效率;

i.允许较大的轴向窜动;

j.允许较大的径向跳动。

静止型双端面密封的缺点是相对来说密封制造价格比常规API682的密封高，属于工程密封。

2.4 泵用干气密封

随着密封技术的发展，传统的机械密封在使用寿命、密封液的泄漏对工艺造成的影响(副产物)以及能耗等方面都无法和先进的泵用气体密封相比。其卓越的性能已获得广泛认可，一般推荐的密封结构如图5所示。

图5 泵用干气密封结构示意图

泵用干气密封在国外目前正在逐步推广(部分采用对现有常规密封的改造),但成本较高,对维护人员的能力要求很高，密封比较敏感,需要相对宽敞的密封腔并且在密封和叶轮之间还需要一定的隔离装置(如隔离气),也就意味着需要两套气体系统的支持。所以泵用干气密封在国内的推广和使用还需要谨慎，需要在设计、运行及维护等各方面都准备充分的情况下才能使用。

3 密封辅助系统

机械密封的稳定运行需要有完善的辅助系统支持。一套先进的辅助系统可以完成密封润滑、隔离介质、补液、冷却以及泄漏监控等多种功能，笔者在常规的API682 Plan53A的基础上结合53B的部分功能推荐一种自动补液系统如图6所示。

图6 自动补液系统流程图

由于易聚合化工介质中大部分泵的压力都很接近，而且都采用有压的双端面结构，因此在设计密封辅助系统的时候，可以考虑采用同一压力源对每套密封进行补液(稳定压力)。

以上系统除了正常的密封辅助功能外，还实现了密封泄漏量的监控及实时补液，从而可以使装置操作人员可以在DCS控制室内掌握密封的具体使用情况，减少了现场巡视的时间。

4 注意事项

在停车时仍然保证密封腔的压力十分重要,如果不保压,介质将进入密封面之间,冷却后在密封面之间结晶或聚合(有时候聚合物具有很强的粘附力),重启泵时将产生巨大扭矩，从而导致密封面破裂。在设计阶段，为系统设定必要压力报警参数或联锁十分必要。

由于易聚合化工介质中管路容易结焦，所以一般停车间隙比较短，尤其是新装置在开车初期的不稳定阶段，有时候甚至每月都要停车清焦。实际上管路中最容易结焦的地方是密封区域的死区，常规的管路吹扫不能起到清洗作用，这时，短时间增加一路通往密封腔的外冲洗将有效改善密封的使用环境，从而延长密封的使用寿命。开车之前进行手动盘车可以确保密封面周围没有结焦。