石油化工行业高温热油泵机械密封研究与实践

2020-10-27邓波

石油和化工设备 2020年10期

邓波

（中国石油四川石化有限责任公司，四川成都 611930）

在石油化工行业中，采用高温热油泵对高温介质进行输送时，由于高温热油泵的机械密封泄漏问题，导致高温介质泄漏，造成一些失火事故，严重影响了企业的运营生产，甚至有时会产生安全事故。所以，高温热油泵的机械密封问题，是企业减少安全事故发生的关键性问题[1]。

在现有密封结构的基础上，对高温热油泵的密封结构进行改进，针对高温热油泵的密封失效原因，通过采用双端面密封结构，对密封端面以及隔离液的循环路径和辅助密封系统进行设计改进，以达到更好的降温效果，降低高温热油泵的泄漏风险。

1 机械密封结构

图1 机械密封结构图

机械密封的主要部件中，弹簧可以起到缓冲以及补充的作用，对摩擦副端面，保证它处在一个合适的比压下，这也要求具有一定的弹性，弹性不能失效。动静环是相互之间紧密接触的，动环为了能够保持与静环的紧密接触状态，是活动的。动静环的材质，一定要是耐摩擦的，因为它要通过摩擦形成副端面，防止输送介质的泄漏。传动部件，就是将动力传送给动环。而辅助的密封件，可以是动静环之间，保持着紧密接触，也是起到一定的缓冲作用[2]。

2 高温热油泵密封失效原因

高温热油泵的工作环境属于高温环境，输送的介质同样是处于高温环境，一旦发生泄漏，介质泄漏到空气中，将产生很大的安全隐患，所以有必要对高温热油泵的密封失效原因进行分析。主要有以下几个原因[3]：

（1）波纹管失弹或断裂

波纹管在工作过程中，是具有一定的使用寿命的，波纹管的弹性，在长时间的使用之后，会逐渐损失，造成弹性不足，能够允许的弹性形变量减小，这种情况，就是失弹。当处于高温工作环境时，这种现象更加明显，而且，高温热油泵输送的高温介质，中间还存在着部分固体小颗粒，这些小颗粒，被波纹管吸附，导致它的弹簧失去了弹性能力，最终造成密封泄漏。

（2）摩擦原因造成热开裂

高温热油泵的工作环境温度非常高，密封断面处的工作环境属于高温环境，通过的冲洗流体温度相对较低，由于温差原因，造成热应力很高，这就导致了动静环的表面，会出现裂纹甚至开裂，造成密封失效；而且，由于高温原因，动静环本身表面的硬质合金，会在高温条件下，耐磨性降低，因为摩擦的原因，造成端面损坏，使得密封泄漏[4]。

（3）隔离液闪点太低

The 7-DOF manipulator is degraded to a 6-DOF one with joint J2locked at,and its degraded workspace is covered by a large cuboid,whose length,width,and height are 22,22,and 21 m,respectively.Setting the side length of the grids as Dl=0.5 m,we can rasterize the degraded workspace as shown in Fig.6.

采用的隔离液如果闪点太低，密封腔的冷却效果将下降，这时密封腔的温度会偏高；而在密封的端面以及波纹管的内部，温度如果超过了隔离液的闪点，就会发生隔离液结焦现象，容易造成贴合不紧密，最终使密封失效[5]。

（4）冲洗时造成管路堵塞

在进行外冲洗或者自冲洗时，如果管道发生堵塞，温度较低的冲洗液无法将更多的热量带走，也就达不到降温的效果，最终导致因温度过高造成密封失效问题。

3 密封结构的改进

机械密封包括了多种形式，有单端面密封和双端面密封以及串联密封[6]，如图2所示。

图2 密封类型

由于在用的高温热油泵密封腔的尺寸，要比API 610标准的要小，导致在内部存在着循环阻力偏大的现象，所以，隔离液会从其他地方流出密封腔，这就导致冷却液的功效未能发挥，容易造成密封泄漏。

对于现有的密封问题，对密封结构进行相应的改造。根据API 610，将密封腔的尺寸进行增大，并制作相应的泵盖，增强冷却液的作用效果，减小隔离液循环阻力。同时，在从外部注入流体时，不采用密封压盖注入，而从泵盖注入，这样可以降低密封腔的温度。

采用双端面密封结构，将串联结构改成并联结构，并在外侧的密封端面设置背冷。采用密封压盖表面和内外侧的密封表面组合的空间更大，使得隔离液的循环阻力更小，效果更好。同时，采用折流套，可以使隔离液的运动路线增长，增加它的作用时间，达到更好的冷却效果，而且隔离液与内侧的接触面积更大，进一步增强了它的作用效果。采用双端面密封，在内侧密封的外表面，受到的是隔离液压力，内表面受到的是输送介质的压力，这两个压力存在着差异，隔离液的压力要大于输送介质的压力。对于输送的介质来说，介质的泄漏方向和受到的离心力的方向，是相同的，而隔离液的压力更大，可以阻止泄漏的发生；另一方面，隔离液的泄漏方向是和离心力的方向相反的，所以，也就减弱了隔离液的泄漏。而且，采用双端面密封，不会出现静环推出的现象。

高温热油泵的机械密封，要求要耐高温，而且采用的材料需要耐磨擦。对它的密封要求高，所以还需要有密封辅助系统，以减少密封的损伤，延长使用时间。采用辅助系统，同时对多个密封对接，提供相应的隔离液，不仅能够调节管理的循环量，而且效果好，即使是备用泵，隔离液也是处在循环状态。针对这个系统，采用双联过滤器设置在回油的总管路上，采用流量计设置在进油的支管路上，同时可以增大密封腔的管路内径，降低隔离液的循环阻力。

4 改进效果

密封结构改进后的使用效果对比，如图3所示。改进前，内侧密封腔的固壁的温度的最大值，是在输送介质被泵送的泵盖内壁，温度约为180℃；改进后，采用双端面机械密封，温度约为172℃，降低8℃。在改进前，外侧密封腔的固壁的温度的最大值在摩擦的副端面，温度最大值，内侧约为225℃，外侧约为205℃，在改进后，温度的最大值，内侧约为170℃，外侧大约为150℃，温度降低明显。

图3 改进前后密封腔固壁和主副密封端温度

通过图3可知，改进后的双端面密封结构，温度都有降低，效果明显。同时在改进之后，隔离液的温度也相应降低了，不仅可以防止外侧密封腔的热量传递损失，而且隔离液的温度分布，相比于改进前，更加均匀分布，同时，隔离液的温度也降到了隔离液闪点之下了，对于隔离液的结焦现象，起到了很好的控制和防护作用，使密封环境得到了很好改善。