液态丙烯泵用机械密封改造设计

王玉鹏 杨正宽

摘 要：狭窄密封腔内，机械密封需要满足较高压力的液态丙烯，在冬季气温较低，饱和蒸汽压也随之降低，密封腔压力也较低，在此情况下机械密封可以满足现场使用要求。在夏季温度较高，饱和蒸汽压也随之升高，密封腔压力变大，原机封不能满足工况，密封环破坏而产生泄露。在此背景下对原有机械密封进行改造设计。

关键词：液态丙烯；饱和蒸汽压；汽化；冲洗系统。

A transformation and design for Mechanical Seal of liquid propylone Pump

Wang Yupeng1 Yang Zhengkuan2

（1、Dalian JiuTech Seals Co.，Ltd. ， Dalian Liaoning 116039， China；

2、Dalian Tiansheng General Machinery Co.，Ltd. Dalian Liaoning 116025， China）

Abstract： The mechanical seal discussed in this thesis has to perform in a very small seal chamber and the sealed medium is high-pressure liquid propylene which has been a major challenge for mechanical seal. In winter， the vapor pressure for propylene is low due to the low temperature and the former mechanical seal performed well， but in summer， the vapor pressure for propylene is high due to the high temperature， the former mechanical seal services poor under this situation and finally been broken which leads to a leakage. Under this background， we reformed the design of the seal.

Keywords： liquid propylone； Staturated Vapor pressure； Vaporization； flush plan。

丙烯是三大合成材料的基本原料，主要用于生产丙烯腈、异丙烯、丙酮和环氧丙烷等，用以生产多种重要有机化工原料、生成合成树脂、合成橡胶及多种精细化学品等。

在石油裂解制丙烯的过程中，丙烯在常温常压下为无色气体，在高压和低温下能液化。在介质由液态转变成气态或者由气态变成液态相变的压力点，我们称之为饱和蒸汽压，在不同的温度下，饱和蒸汽压的值不同，温度越高，饱和蒸汽压的值就越大。丙烯泵输送丙烯时，丙烯必须呈液态形式，因此丙烯泵的入口压力和密封腔压力必须要高于工况温度下的饱和蒸汽压，丙烯泵输送的丙烯才能为液态丙烯。

中国石油天然气股份有限公司在高危泵改造过程中，大连分公司的有机合成分厂液态丙烯泵用机械密封由华阳改造，此台丙烯泵轴径为Φ44，密封腔原为填料密封使用的密封腔，径向空间狭小，改造前使用的是单端面，我公司采用了H110型机械密封面对面布置双封结构，采用的系统方案是PLAN11+52，见图1系统简图。

1 初始设计方案

丙烯泵工况参数见表1。

该密封为2016年11月份安装，安装初期密封使用状态良好。运行到2017年7月，密封出现泄露。

2 故障分析

问题发生后，经与设备人员和机修人员进行了现场讨论。介质为液态轻烃丙烯，在冬季气温较低，饱和蒸汽压也随之降低，入口压力在初始设计的0.6MPa。在夏季温度较高，饱和蒸汽压也随之升高，入口压力提高到了1.6MPa。所以H110机封在冬季更换时并没有什么异常，随着气温升高，问题逐渐体现。

问题一：经拆解机封，由于冲洗方案为PLAN11+52，且密封腔压力较高，这使得介质侧密封芯的挡环在受壓后变形，最终导致密封泄露。图3为挡环受力变形过程示意图。

问题二：机械密封在运转过程中石墨密封环的变形是由于温度与压力共同作用引起的，重新对动环（石墨环）承压能力进行分析和计算，在入口压力达到1.6MPa后，补偿环已不能满足压力条件。图4为H110密封芯补偿环承压曲线。

3 改进设计

由于此台丙烯泵的泵腔为填料密封设计，泵腔径向尺寸小，选择华阳H197密封。图5为重新设计的机械密封装配图，为静止式背靠背双封。

在给定初始设计后，需要进行校核计算，本文作者运用有限元（FEA与FVM）的方法，计算密封环在极端工况压力与低温作用下密封环的变形情况，以及端面的压力分布和泄漏量。

3.1 密封性能有限元分析

3.1.1 有限元模型

根据密封的工况参数，假设压力为2MPa，温度为30℃。根据设计参数以及密封尺寸建立模型并划分网格，并加载边界条件进行模拟计算分析。

图6为建立模型并且划分网格的摩擦副，图7为加载边界条件的情况，针对摩擦副需要加载流体边界条件和摩擦副的材料属性。

3.1.2 密封的接触压力及变形量

图8示出了计算得到的主密封摩擦副在压力作用下产生的变形，图9示出了计算得到的主密封的摩擦副在温度作用下产生的变形，图10示出了计算得到的密封环在压力与温度共同作用下的变形情况。图11示出了计算得到的密封端面间的流体压力分布与接触压力分布情况，可见，密封面间的流体压力梯度由密封外径向密封内径侧递减，在封面接触压力平直。

密封面的变形仅为100μrad （约7.4个氦光带），此变形量是微小的，说明密封环的结构设计在一定程度上抵消了流体压力的变形，并且当温度与压力共同耦合时，密封变形量协调到比较好的程度，达到了密封端面变形仅为7.4条氦光带（1条氦光带=1/2波长=0.29μm）。

3.1.3密封的泄漏量

机械密封的泄漏量是一项重要的指标，在控制变形的同时，密封的泄漏量也需要分析，通过专业机械密封计算软件得出泄漏量为7.6g/h（74.3ml/min），泄漏量满足设计要求的。

由于压力在端面间呈下降趋势，当端面压力低于介质的饱和蒸汽压时，介质便会在端面汽化，因此从密封面间泄漏的为丙烯气体。丙烯气体易燃易爆且有毒，需要对泄漏的气体进行处理以保护环境，通过PLAN52系统接火炬烧掉。

4 结束语

液态丙烯输送泵的机械密封改进设计通过计算满足使用要求，符合API682标准规定的相关参数。经过实践证明，改后的机械密封结构经受住现场压力变化的考验，保证了密封能够长周期稳定地运转。改造后的机械密封现在仍然在现场运转。

作者简介：

王玉鹏（1981—），本科，工程师，从事流体机械密封研究、设计。

杨正宽（1982—），本科，工程师，从事合成橡胶后处理干燥设备研发、设计。