无泄漏密封在碱液泵上的应用

徐文广，田汝国，张志丹，黎磊，赵春林，余洪

（1.中国石油化工股份有限公司济南分公司， 山东 济南 250101）

（2.成都一通密封股份有限公司， 四川 成都 610100）

某石化分公司硫磺车间、供排水车间、聚丙烯、丙烷等装置机泵含碱、盐、污水等介质，目前采用的接触式机械密封普遍存在易泄漏、污染环境、寿命低等应用效果不理想的问题。非接触式上游泵送密封是一种在特定条件下可以实现密封介质零泄漏或零逸出的新型机械密封[1,2]。文献[3,4]通过理论分析和实验验证，充分证实了上游泵送机械密封在非接触运行状态下能保证被密封介质无泄漏，并且在工业领域已得到成功应用[5]，但在碱液泵上的改造应用，还未见报道。

本文以某石化公司硫磺车间的碱液泵为例，针对其具体工况特征，分析了现有轴封存在的问题。根据该泵的实际参数，按无泄漏密封的理念，研制开发了可实现工艺介质零泄漏的新型上游泵送密封。通过改造前后的效果分析，达到了碱液泵节能降耗、安全环保的目的，并为后期类似工况条件下的泵的改造积累了经验。

1 原工况条件及密封结构

该碱液泵位号为P-504、P-401，是该石化公司硫磺车间的主要设备，主要工况参数为：扬程20m，流量10.87t/h，电机功率37kW，泵转速2950rpm。介质：碱液（易结晶），温度40℃，冲洗方案：Plan11。原机封在运转过程中，频繁出现泄漏，不仅造成机械密封维修消耗增加，对生产人员、周边环境和设备正常运行，都造成了不利影响。原使用的密封是单端面波纹管机械密封，如图1所示。

图1 单端面波纹管密封结构示意图

根据图1所示的单端面波纹管密封结构，分析密封容易出现失效的原因有以下几方面：

(a)波纹管弹力过大，造成密封端面比压过大。

(b)冲洗效果不理想。

(c)防固体颗粒和抗干扰能力差。

2 机械密封改造方案

根据碱液泵的特点，为了实现碱液泵输送介质“无泄漏”，改善现场环境，改造密封方案选择非接触式上游泵送机械密封方案。总体结构为串联式双端面上游泵送密封，采用PLAN55冲洗方案。

图2 碱液泵泄漏情况

上游泵送机械密封是一种流体动压润滑非接触式密封技术，它借助完整的液膜把两密封端面隔开，并实现工艺介质的零泄漏[5]。但是，碱液泵用非接触式上游泵送密封的设计的关键，不仅要阻止工艺介质的向外泄漏污染环境，还要避免缓冲流体向外泄漏。因此，该上游泵送密封选择串联式双端面结构密封方案，采用经过过滤的循环水作为缓冲液。在介质侧及大气侧，密封端面均开有具有泵送效应的动压槽。在介质侧，低压密封液体被泵送到高压侧（工艺）[6]；在大气侧，密封端面形成“气液混相”流体膜，达到缓冲液体无泄漏的效果。采用上游泵送密封方案，可以有效解决碱液易结晶对密封的影响。缓冲液为常压，即使后期大气侧密封失效，也可保证介质侧密封正常运转，此外大气侧泄漏的是循环水缓冲液，对环境无害，及时更换密封，可以保证设备安全。因此，上游泵送密封能够真正实现介质无泄漏，更加环保。

3 无泄漏上游泵送密封设计

3.1 结构设计

密封总体结构采用如图3所示的带缓冲液的集装式串联内装式上游泵送密封结构，由介质侧密封和大气侧密封组成，介质侧动环和静环均为整体硬质合金结构，大气侧动环为浸渍金属碳石墨材料，静环采用碳化硅材料。采用PLAN55冲洗方案，在两个密封之间投入经过过滤处理的密封液或缓冲液，一方面为密封提供润滑流体，另一方面为两级密封提供冷却，维持密封工作环境稳定。该结构可以杜绝介质泄漏，避免环境污染。

3.2 参数设计

根据碱液泵的工艺条件，采用现代数值计算方法和结构优化设计理论[8]，介质侧密封端面采用单列单向泵出型螺旋槽型如图4，大气侧密封端面采用双列反向动压槽如图5，外径与缓冲液连通，内径与大气连通。

图3 无泄漏上游泵送密封结构示意图

图4 介质侧密封端面结构示意图

图5 大气侧密封端面结构示意图

基于理想的平行端面模型，在文献[7]中，针对上游泵送密封的原理，从“无限窄槽理论”出发，分析了密封端面流体膜压力分布，及上游泵送密封设计的关键。

对于介质侧，在密封端面槽底径处的膜压Pg须大于介质侧压力Pf，才能保证介质无泄漏密封功能。由于剪切流通过密封坝后，压力逐渐降低，因此，要实现在端面之间形成稳定的剪切流使端面非接触运行，则需要将膜压再适当提高，压力安全系数Sf通常为1.2～1.5，则有：

根据分析可知，槽底径处的膜压为：

式中：g1(α,H,γ)为螺旋槽型函数，

h0为端面流体膜厚；

h1为端面槽深与流体膜厚之和；

Di为端面内径；

D0为端面外径；

μ为端面流体动力黏度；

ω为动环的旋转角度；

α为螺旋线之螺旋角；

H为端面膜厚与堰区膜厚之比，H=h0/h1；

γ为螺旋槽周向堰宽b2与槽宽b1之比，γ=b2/b1；

C(α,H,γ,λ,N)为外缘效应修正系数；N为端面螺旋槽数；

λ为端面内径与槽径之比。

由式(1)和式(2)可求得螺旋槽底径为：

介质侧密封，密封液由缓冲液侧沿螺旋槽被泵送到介质侧，其泵送速率计算公式可按以下公式计算[9]：

对于大气侧，根据流体动压润滑理论，外槽动压槽的黏性剪切作用把缓冲液流体泵送入密封端面，并通过密封坝后继续向下游侧流动；内侧动压槽把上游通过密封坝后的流体全部反向泵送入上游侧，则可实现介质零泄漏，否则密封失效。只有内侧动压槽的膜压pgi大于等于外槽动压槽区的膜压pgo时，密封才能实现零泄漏[10]，即：

按无限窄槽理论分析可得，密封端面内侧槽底径Dg1处的压力为：

密封端面外侧槽底径Dg2处的压力为：

式中：Di2为大气侧密封端面内径；

Do2为大气侧密封端面外径；

po为缓冲液压力；

由式(6)(7)(8)可得大气侧内外槽根径。

根据以上分析并结合该泵的腔体尺寸优化计算可得密封摩擦副的相关结构参数为：

介质侧：端面内径为Di=7 3 m m，外径为Do=86mm，平衡直径为Db=75.6mm，平衡系数为0.813，弹簧压力为0.144MPa，螺旋槽内槽根径为Dg=82mm，螺旋角16°，槽数为12个均布，台槽比，槽深8～9微米，内径刻通，见图4；密封的设计压力为1MPa，此时最大设计泵送量为0.6L/h，当实际工作压力低于设计压力时，泵送量会相应增加。

大气侧：端面内径为Di2=62.2mm，外径为Do2=77mm，平衡直径为Db2=65mm，平衡系数为0.827，弹簧压力为0.096MPa，端面动压槽参数：内槽根径为Dg1=69.5mm，螺旋角16°，台槽比Г=1，向内刻通；外槽根径为Dg2=73.5mm，螺旋角12°，台槽比Г=1，向外刻通，槽数为12组均布。

密封在某专业从事密封设计制造的公司实验室经过严密的出厂试验验证，大气侧和介质侧的动压槽参数，均结合密封台架试验，加以优化，确保端面无影响性能的摩擦痕迹，实现端面非接触运行，完全证实了其结构设计的合理性和可靠性，再应用到该石化公司的碱液泵上。

4 应用效果

2018年12月10日，将研制的两套无泄漏非接触式上游泵送机械密封安装在该车间的碱液泵上，一次开车成功，至今已累计运行近10个月，定期对该泵进行检测，泵从未出现可见泄漏现象。另外，通过检测系统发现，缓冲流体的消耗量不足0.3L/h。该型式机械密封，设计工况下最短设计寿命可达3年以上。

与改造前进行对比，改造后的碱液泵基本上消除了碱液的泄漏，保证了安全生产，消除了对周边环境的影响；同时，该密封的稳定运行，为碱液泵10个月以来减少更换密封至少2次，节省维修费用至少5万余元。因此，在碱液泵上进行上游泵送密封改造，不仅可产生可观的经济效益，同时还对环境保护作出了积极贡献。

5 结语

本文结合碱液泵的工况特点，利用流体润滑原理，设计研制的非接触式无泄漏上游泵送密封在碱液泵上的成功改造应用，得到以下结论：

（1）为实现碱液泵的完全无泄漏，在研制设计时，介质侧密封应设计成完全的液体流体膜，大气侧密封应设计为“气液混相”流体膜。

（2）无泄漏上游泵送密封在碱液泵的工业应用，实现了碱液及封液的完全无泄漏，具有周期性长、抗干扰能力强的特点，不仅可应用在同类型泵上，也可推广到其它具有污染、腐蚀、颗粒性流体输送的泵、机组等流体机械上，具有广泛的应用前景。

◆参考文献

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