干气密封在液环真空泵上的应用

宁召宽，高天吉

(中国石油化工股份有限公司济南分公司，山东 济南 250101)

液环真空泵是润滑油生产中酮苯脱蜡装置的关键设备，为酮苯脱蜡工艺提供密闭和真空环境，随着酮苯脱蜡技术的发展、原料多样性的变化和产品质量要求的严格化，为满足当前的安全环保形势，对液环真空泵的使用操作提出了更高的要求。液环真空泵一般采用单端面或双端面的机械密封作为轴封。在长期连续运转过程中，特别是工艺条件出现较大变动的情况下，轴封使用效果往往不佳，时常出现密封磨损严重、检修频繁、泄漏等状况，加重了生产安全隐患，影响了正常生产。

随着更可靠密封技术的不断提出和发展，干气密封技术已经逐渐被部分炼化企业应用到关键设备的密封方式中。干气密封是一种非接触式的机械密封，结构与普通机械密封相似，不同点是在密封端面上加工出微米量级浅槽，通过气体作用在密封端面形成气膜，达到端面的非接触状态【1】。干气密封通过“以气封气”或“以气封液”的方式实现工艺介质的零泄漏和零污染，具有运行稳定可靠、维护成本低、使用寿命长等优点，因此将液环真空泵的传统机械密封改造为干气密封，可以克服传统机械密封的不足，保证设备安全平稳运行。

1 干气密封基本结构和工作原理

1.1 干气密封基本结构

干气密封基本结构如图1所示。与机械密封结构相似，主要由弹簧、密封圈、静环以及动环组成【2】。静环和弹簧被安装在静环座内，依靠密封圈进行二次密封。干气密封环既可以是动环，也可以是静环，密封环面通过加工浅槽，通入气体，形成干气密封。

图1 干气密封基本结构

1.2 工作原理

干气密封环的密封面如图2所示。泵轴旋转带动静环、动环进行相对旋转运动时，密封面动压槽内会吸入密封气体，通过密封堰的节流作用，密封面内的气体会被压缩，使得气体压力升高，密封面在气体压力作用下被推开，达到非接触状态。此时密封面内气体压力与工作介质作用力、弹簧力形成的闭合力达到平衡，因此，密封气体在两个密封面间形成一层稳定的薄气膜。通过理论研究与实践证明，此气膜厚度一般在3 μm左右，变化微小，具有良好的气膜刚度，能够保证干气密封运转可靠稳定【3】。

图2 密封面形式

2 原密封存在的问题

液环真空泵是单级液环设备，以脱蜡油为工作液，输送介质为氮气，泵轴的两端(驱动端和非驱动端)均采用单端面机械密封。通过对发生泄漏部位的观察和机械密封拆装分析，主要的泄漏点为：动、静环摩擦损坏。

密封失效如图3和图4所示。

图3 密封失效渗漏

图4 密封失效拆卸后

3 改造方案

3.1 密封结构

采用双端面干气密封进行改造，气源为氮气。由于液环真空泵本身的输送介质为氮气，因此允许干气密封气源氮气在发生轻微泄漏情况下进入液环真空泵。干气密封本体采用集装式结构，可看作由两套单端面密封背靠背布置，为节省轴向空间，内侧密封与外侧密封共用一个动环兼弹簧座；静环采用进口碳石墨，与弹簧相连作为轴向补偿环；动环为硬质合金，螺旋槽刻于动环上。整套干气密封的旋转组件与静止组件集成一体，保证现场安装方便，定位准确。气源氮气在动静环侧密封之间通入，一旦密封发生泄漏，泄漏介质会被氮气赶至液环真空泵中，这样可保证输送介质和工作液环的零泄漏和零逸出。

双端面干气密封简易结构如图5所示。干气密封始终将气源氮气压力控制在比液环真空泵泵腔压力稍高的水平。由于氮气泄漏的方向总是朝着压力低的泵腔和大气侧，固而可保证泵腔内气体不会向大气侧泄漏，安全无污染。

图5 双端面干气密封

3.2 密封辅助控制系统

双端面干气密封辅助控制系统如图6所示。密封气源由氮气主线分支引出管道，可保证气源的连续供应稳定性。来自管网的氮气分两路经过减压阀后合并，再分别经过流量计和过滤器分两路去往驱动端和非驱动端干气密封，其中每路配备压力表显示压力。

1—氮气管线；2—减压阀1；3—减压阀2；4—流量计2；5—过滤器2；6—驱动端密封；7—压力表2；8—压力表1；9—非驱动端密封；10—过滤器1；11—流量计1图6 辅助控制系统

辅助控制系统能够提供较洁净稳定的气源，通过流量计监控密封运行状态，同时，通过压力表监控压力密封情况， 大大提高了密封的可靠性和安全性。本辅助控制系统尚有以下待改进之处：将过滤器改动至减压阀前，使用时仅投用一路，当投用的一路出现问题时可及时切换至备用的一路，对切出的过滤器或减压阀进行清理；由于所需氮气压力不高，可增加小型氮气瓶，在管网氮气出现紧急情况时，使用氮气瓶维持供气一段时间。改进后的辅助控制系统如图7所示。

图7 辅助控制系统改进示意

4 注意事项

改造后，密封一次运行成功，经过长时间运行检验，没有出现密封损坏、介质泄漏、氮气波动等问题。使用过程中应注意以下问题：

1) 首次使用或更换干气密封后，应将氮气管道吹扫干净，保持氮气的洁净。

2) 按照操作规程投、停用干气密封。

3) 干气密封压力稍高于真空泵泵腔压力。

4) 注意观察密封氮气流量是否稳定性。流量稳定说明密封运行情况良好，若氮气流量逐渐增大或波动频繁，说明干气密封出现问题，应及时排查原因。

5 结语

改造后液环真空泵的干气密封运行稳定，动、静环非接触运行，无损耗，无介质泄漏，与原来的机械密封相比，检修次数大大减少，延长了密封使用寿命，且维护简单，可防止污染环境。干气密封在液环真空泵装置的成功应用，极大地提高了酮苯脱蜡装置核心设备的安全性和可靠性，为进一步完善干气密封辅助系统提供了实际依据，为不断改造酮苯脱蜡装置其他重要设备的机械密封提供了可行性方案。