甲醇泵机械密封的国产化改造

陈可为

(云南解化清洁能源开发有限公司解化化工分公司，云南 开远 661699)

各类低温甲醇洗装置中，热再生塔贫液泵是核心的转动设备，同时也是装置故障率较高的设备。机械密封是否可靠是影响热再生塔贫液泵乃至低温甲醇洗装置能否连续运行的关键。所以在国产化的过程中需要对机械密封的结构选型、材料选择及冲洗系统的设计进行充分的核算。本文分享了我公司二甲醚生产装置热再生塔贫液泵机械密封的国产化改造经验。

1 机械密封使用情况及泄漏原因分析

1.1 使用情况

我公司甲醇洗装置的两台热再生塔贫液泵为原装进口设备，输送介质为温度90～100 ℃ 的甲醇(常压下沸点 64.7 ℃)，进、出口压力为0.18 MPa、4.2 MPa，转速 2 950 r/min，结构为多级自吸双支承式离心泵，机械密封。机械密封结构形式为二级串联式机械密封，一、二级密封结构尺寸相同。一级密封承受的密封腔压力为 2.5 MPa，密封冲洗系统为API682-23方案，经过冲洗后可使介质温度降至50～55 ℃；二级密封冲洗保护系统为API682-54方案+62方案，正常情况下承受压力较低。机械密封的动环材料为石墨，采用整体石墨环结构，静环材料为整体碳化硅。密封结构如图1所示。

1.轴套；2.动环；3.境环；4.O姓圈；5.节流环。图1 原装进口机械密封结构图

2008年10月，装置投用。从设备使用开始，每半年左右，机封均出现内泄漏情况，表现为：储液罐液位升高，但泵性能基本上能满足使用要求。密封情况并不理想，但进口机械密封价格昂贵、采购周期长，因此迫切需要进行国产化技术改造。

1.2 泄漏原因分析

在实际工作过程中，机械密封有很多因素会直接影响到密封。其中的一个因素是保持密封端面几何形状平行或近似平行的能力。也就是说,密封端面缝隙的几何形状在任何情况下都要保持平行或近似平行，才能充分保证密封性能。但是，密封环在介质压力、机械力和温度场的共同作用下，密封端面一般会产生向内径的偏转，形成发散型(负锥角)间隙[1]，从而造成泄漏且磨损加剧，寿命缩短。因此，对密封环变形的分析和控制很有必要。一般来说，当压力较高时(2 MPa 以上),就需要考虑压力变形的影响[2]。由于石墨材料的弹性模量较小(20 GMPa 左右)，密封环的压力变形更为明显，而碳化硅环由于弹性模量较大(弹性模量 380 GMPa)，偏转并不明显，可以忽略。整体石墨环偏转变形后，环的外径棱边与碳化硅静环接触(如图2a所示)，运行时会被迅速磨损，直到端面重新磨平为止(图2b)。若操作过程中遇到停车，压力变形将消失，形成收敛性间隙(图2c)。重新加压启动时，由于收敛性间隙改变了密封端面的压力分布情况，使得端面压力极大地增加，形成的端面开启力大于闭合力，封端面被打开，使得泄漏量急剧增加。生产过程中发现，运行时尚可的机械密封，停车时泄漏严重，有时甚至不能重新启动。

(a)变形后棱边接触 (b)密封面磨平 (c)产生收敛性间隙图2 整体石墨环变形情况

2 原装进口机械密封受力变形分析

2.1 密封环受力情况

原装机械密封动环为整体石墨环，几何尺寸和受力情况如图3所示。图3中，虚线表示密封环受力变形后的位置。密封环的受力及变形情况比较复杂，涉及流体、固体和传热三个方面。这里暂不考虑温度的影响。密封动、静环在运转过程中，会受到介质压力、弹簧力、液膜反力、端面接触压力、重力、离心力、O型圈支承反力、O型圈摩擦力和密封环惯性力等的作用。为了简化问题，根据机械密封的结构及主要受力情况 ，把密封环处理成二维轴对称问题，并忽略惯性力、重力 、离心力 、O型圈支承反力和摩擦力等次要因素的影响3]。

图3 原装进口密封动环尺寸受力变形图

2.2 密封环变形

密封环的变形情况可用转角θ和内外径高度差Δ来表达。如图4所示，转角逆时针方向为+,顺时针方向为-；密封环内外径处的高度差Δ为密封环内径边缘与密封环外径边缘处高度差。转角θ采用皮采诺环形零件轴对称变形理论计算4]。

图4 典型机械密封环截面几何形状及受力变形示意图

(1)

(2)

式中：Jx为截面惯性矩，E为密封环弹性模量，对于整体环，则为密封环材料的弹性模量；对于镶装环，则为当量弹性模量；∑Mt为外力对截面形心的矩值 ；Rc为截面形心半径。内外径的高度差公式为：

Δ=b·θ

(3)

式中 ：Δ为内外径的高度差。

进口机械密封的端面比压为Pb=0.913 MPa，石墨环和碳化硅环材料性能如表1(取国内相近材料的典型值)。

利用图3结构尺寸和表1的数据，根据式(1)和式(2)可得到石墨环的转角θ1=2.44×10-3弧度,内外径的高度差 Δ1=12.355 μm。碳环硅环的转角θ2=1.22×10-4弧度。内外径的高度差Δ2=0.61 μm(未给出结构尺寸)。由此可见，进口机械密封由于压力的作用，形成了较大的发散型(负锥角)间隙，其主要贡献来源于石墨环，碳化硅环的贡献较少。

表1 密封环材料特性表

可以预测，当甲醇泵操作过程中遇到停车减压，密封环的压力变形消失，磨损后的密封环将形成较大的收敛性间隙(如图2c)，当压力恢复时，将产生较大的泄漏。

3 泵机械密封国产化改造设计方案

3.1 总体方案

考虑到进口机械密封的情况，总体结构进口密封相近，仍为串联式二级机械密封。为了充分利用碳化硅环大弹性模量、小变形的优点，并克服整体石墨环小弹性模量大变形的缺点，提出的技改设计方案是：动环由整体石墨环更改为整体碳化硅环，静环由整体碳化硅环更改为镶装石墨环5]。一级密封结构示意如图5所示：动环1为整体碳化硅环，静环2为镶装式石墨环，采用内撑环3和外套环4同时镶装式结构。二级密封结构示意图如图6所示：主要由动环1，静环2 ，O形圈3组成。一、二级密封动环——碳化硅环通用。由于正常情况下二级密封承担的压力较小，二级密封的静环采用了整体石墨环结构，并采用了与节流环融为一体的整体结构设计，在静环2设有通气孔4，提高了环的抗变形能力和降温能力。密封冲洗系统方案采用原来的方案。

1.动环；2.静环；3.外套环；4.内撑环。图5 一级密封的结构示意图

1.动环；2.静环；3.O形圈；4.进气孔。图6 二级密封的结构示意图

3.2 改造的技术依据

1)提高密封环的弹性模量和改善传热性能

材料的弹性模量与压力变形成反比例关系。为减少密封环的压力变形，要尽量提高材料的弹性模量。采用金属镶装结构，是提高石墨环复合(当量)弹性模量的一个有效途径，而热变形与材料的热膨胀系数和密封环温差与成正比例关系。材料的热膨胀系数是材料的热物性参数，一般情况下难以改变，但可以通过改善传热性能来减小密封环的温差，从而减少或控制热变形。

密封冲洗系统中的甲醇液体因密封动环的旋转运动而加速流动,以对流的方式把密封环面的摩擦热量传递给了甲醇冲洗液体，通过冲洗液带走热量而实现降温6]。因此采用导热性能更好的碳化硅作为密封动环的更有利于带走热量。密封动环材料的导热性能越好，环内的温度梯度越小，环的热变形也就越小。另外，碳化硅环的弹性模量比石墨环的弹性模量比大了近20倍，所产生的变形也比较小。常压下甲醇沸点仅为 64.7 ℃，在夏季工厂内环境温度能够高达近 40 ℃。如果密封冲洗系统散热能力下降，密封动、静环之间容易产生气液两相，使密封面摩擦磨损严重，容易造成密封失效。因此，密封系统的散热能力非常重要。

2)碳化硅整体动环的变形量计算

将动环材料由石墨更换为弹性模量较大的碳化硅，要重新进行计算。得到碳化硅动环的内外径的高度差Δ为：0.6177 μm。计算表明，尽管碳化硅动环也形成发散型(负锥角)间隙，但内外径的高度差非常微小。动环的力变形能够满足较高压力条件下使用要求。

3)镶装式石墨环的变形量计算

镶装式石墨静环各参数、受力情况如图7所示。

图7 镶装式石墨环各参数、受力图

将图7和表1的数据通过皮采诺环形零件轴对称变形理论的计算转角的公式，计算得到内外径的高度差Δ为 0.62 μm。说明该镶装式石墨环形成发散型(负锥度)内外径的高度差较小。

皮采诺环形零件轴对称变形理论的计算转角的公式：

(4)

(5)

Δ=b·θ

(6)

式中 ：Δ为内外径的高度差；E为为钢套环与石墨环的当量弹性模量 (对于没有钢套环的石墨环就为石墨环的弹性模量 )；∑Mt为外力对形心的矩值 ；Rc为形心半径；Jc为通过形心的惯性矩。该环端面比压Pb=1.34 MPa 镶装环材料物理性能如表1。

4)镶装环实际变形量的确认

在镶装结构中，内撑环和外套环材料均为316不锈钢 。镶装结构的外套环与石墨环之间采用过盈配合，配合尺寸为φ122H7/v6；内撑环与石墨环之间采用过渡配合，配合尺寸为φ101H6/h6。在室温为 27 ℃ 环境下热镶装，待冷却至常温。用表面粗糙度轮廓形状测量密封环的变形情况，石墨环密封端面产生向内径偏转的负锥度变形，内外径的高度差为 20 μm(由内撑环和外箍环共同产生的石墨环变形)。常温下对镶装式石墨环重新研磨，可解决平面度小于 0.6 μm 要求。将重新研磨过的镶装石墨环放置于 55 ℃ 热水中，模拟一级密封环工作温度。然后测量到镶装式石墨环形成收敛性间隙(正锥度)，内外径的高度差为 1.2 μm。与环受到密封腔压力变形相反。可以预计，密封环在实际工作环境中，将形成收敛性间隙(正锥度)，内外径的高度差大致为 0.58 μm(热变形与力变形之差)。

4 效果

经过国产化改造后，机械密封没有发生停车性泄漏，解决了该泵的安全隐患，为生产装置“长、稳、优”运行提供保障，目前机械密封运行良好。

2021年以前，该泵年检修频率为2次/台,每年使用进口甲醇泵机械密封2套，共50万元；2021年以后，每年单台泵国产密封使用费3.17万元，仅为进口密封的12.34%；当只更换国产维修包修复密封时，每年单台泵国产密封使用费2.32万元，仅为进口密封的9.28%，因此大幅度降低了最低检修费用。通过此次国产化改造的技术创新，不仅达到降低生产成本的目的，而且为今后进口国产化改造提供宝贵经验和技术支持。

5 结语

与整体结构石墨环相比，镶装式结构能显著增加石墨环的整体刚度，减小石墨环密封端面的总变形，提高机械密封的工作压力和可靠性，延长了密封的使用寿命。镶装石墨环可以依据密封腔和密封辅助系统的压力和温度，通过选用不同膨胀系数的金属材料、采用不同的配合间隙进行镶装，设计和制造出与密封端面的压力变形相反的热变形镶装结构密封环，进一步扩展石墨材料在高参数机械密封中使用。