（化学工程专业论文）非接触式机械密封在轻烃泵上的应用研究.pdf

非接触式机械密封在轻烃泵上的应用研究 盛尊祥( 化学工程) 指导教师：李发永( 教授)都木明( 教授) 摘要 大港石化公司轻烃泵很多，其密封基本采用接触式机械密封。由 于轻烃介质具有高蒸汽压、低粘度、低引火点、高污染性等特性，而 接触式机械密封由于端面摩擦热导致流体膜汽化使密封在稳定状态下 工作而导致频繁失效，不仅造成物质损失，还带来严重的安全生产问 题和环境污染问题。针对安全环保意识的增强及对轻烃泵密封日益提 高的性能要求，迫切需要新型密封应用于轻烃泵。 本文首先分析了轻烃泵机械密封的泄漏机理，对于常用密封形式 的优缺点进行了比较分析，提出采用一种新型液膜润滑非接触式机械 密封一上游泵送机械密封来解决轻烃泵密封失效的难题。本文介绍了 上游泵送机械密封的密封原理、性能影响因素，提出了工程设计方法 和步骤，并且提出了其适用场合。针对大港石化公司液化汽泵密封频 繁失效的难题，结合具体工况条件设计了上游泵送机械密封并进行了 实验研究，最终成功实现工业应用，解决了现场难题。 本文对于轻烃泵密封的选型及上游泵送机械密封的工业应用具有 一定指导意义。 关键词：轻烃泵，非接触式机械密封，上游泵送机械密封，应用研究 a p p l i c a t i o ns t u d yo f n o n c o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a l o nl i g h th y d r o c a r b o np u m p s h e n gz u n - x i a n g ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s i o n a ll if a - y g h a om u - m i n g a b s t r a c t g e n e r a l l y , s e a l so fl i g h th y d r o c a r b o np u m p sa r ec o n t a c t i n gm e c h a n i c a l s e a li nd a g a n gp e t r o c h e m i c a li n d u s t r y t h ef a i l u r eo fs e a lw i l ll e a dm a t e r i a l d a m a g e ，s e r i o u ss a f e t yp r o b l e ma n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb e c a u s eo ft h e 1 l i g h s t e a m p r e s s u r e a n d g r e a ts t a i n i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h el i g h t h y d r o c a r b o n s t h ef a i l u r eo fs e a l i su s u a l l yc a u s e db yb o i lo f fo fl i g h t h y d r o c a r b o ni n d u c e db yf r i c t i o nh e a to fs e a l i n gf a c e n e wt y p eo fs e a li s n e e d e dt o a p p l yt ol i g h th y d r o c a r b o np u m pa c c o f d i l l g t o i n c r e a s i n g e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s sa n dm o r es t r i c td e m a n do ns e a l t h el e a k i n gt h e o r yo fm e c h a n i c a ls e a lf i l ll i g h th y d r o c a r b o np u m pi s a n a l y z e di nt h et h e s i sa n dr e l a t i v em e r i t so f u s u a lt y p e so f s e a la r ci n t r o d u c e d t o o t h ec o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tt h eu p s t r e a mp u m p i n gm e c h a n i c a ls e a li s f i t t e dt ol i g h th y d r o c a r b o np u m p s t h es e a l i n gp r i n c i p l e ，t h ea f f e c t i n gf a c t o r s a n dt h ee n g i n e e r i n gd e s i g np r o c e s sa r ei n t r o d u c e di nt h et h e s i s t h eu p s t r e a m p u m p i n gm e c h a n i c a ls e a li sd e s i g n e db a s e do nt h es p e c i f i cc o n d i t i o no ft h e l i q u e f i e dg a sp u m p s t h r o u g he x p e r i m e n t a ls t u d y , t h eu p s t r e a mp u m p i n g m e c h a n i c a ls e a li sa p p l i e dt ot h el i q u e f i e dg a sp u m ps u c c e s s f u l l yf i n a l l y t h et h e s i si su s e f u lf o rc h o o s i n gt h es e a l sf o rl i g h th y d r o c a r b o np u m p s a n dt h ei n d 僦a la p p l i c a t i o no f u p s t r e a mp u m p i n gm e c h a n i c a ls e a l k e yw o r d s ：l i g h th y d r o c a r b o np u m p ，n o n - c o n t a c t i n gm e c h a n i c a l s e a l ， u p s t r e a mp u m p i n g m e c h a n i c a ls e a l ，a p p l i c a t i o ns t u d y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：盛宴益2 础多年，月岁日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：盛重聱2 0 0 占年z 月争 日 导师签名：，三童堇业二优彩年位月r日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 密封是机械设备的重要组成部分。凡是与流体接触的可拆卸的设备 以及机器中，将两个流体空间隔开并作相对运动( 旋转或往复) 的部件之 间都存在密封问题。它不仅关系到机器的密封程度，而且还关系到机器 能否正常运转，影响到机器的功率消耗和使用寿命。在日常的机器设备 使用和维修中，对于机泵而言，几乎4 0 5 0 的工作量是密封问题。 1 1 课题来源和研究意义 在石油化工行业中，存在大量的轻烃类易汽化介质，这类介质包括 甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯等，具有高蒸汽压、低粘度、低 引火点、高污染性等特性。在输送轻烃类介质的机泵中，离心泵应用最 为广泛。这类泵轴封一般采用机械密封，端面之间因流体宜汽化使机械 密封有可能在汽( 气) 相干摩擦或在汽液不稳定状态下工作，导致密封 经常失效，机封泄漏经常发生，不仅造成大量的物质损失，还带来严重 的安全生产问题和环境污染问题。随着环境保护和安全生产要求的提 高，对设备的密封要求也不断提高。轻烃泵迫切需要一种性能优良的密 封满足环境保护和安全生产的要求。 1 2 大港石化公司轻烃泵密封应用现状和存在问题 大港石化公司几乎各个生产装置均有轻烃泵，甚至个别装置绝大多 数泵均属轻烃泵，如液化气分离装置、m t b e 装置( m t b e 装置轻烃泵 型号见表1 1 ) 。m t b e 装置所处理的物料是贫丙烯液化气和甲醇，介质 轻、易挥发和汽化，且含有有毒物质。液化气密度为5 5 5 k g m 3 ，甲醇 密度为7 9 1 7 9 2k g m 3 ，产品为m t b e 油。液化气属易燃易爆气体，甲 醇和m t b e 属于易燃易爆液体。m t b e 油及甲醇进入眼睛，会引起失 明，与皮肤接触会造成皮肤干燥。因此一旦上述轻烃泵密封失效，就可 能会出现人员伤亡、设备受损的严重后果，对装置的长周期安全运转构 成极大的威胁。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 表i - 1m t b e 装置泵规格表 序工艺设备规格轴功扬程流量电机功率 厶 口 号 编号名称 型号室k wmm hk w 数 lp 3 0 1 a b脱丙烷塔8 0 a y i l 5 4 x 63 3 73 1 84 7 2 47 52 进料泵 2p 3 0 2 a ，b脱丙烷塔l o o a y 1 2 01 9 11 2 86 8 25 52 回流泵 3p 4 0 l a 屉 c 4 泵 8 0 a y i i i o o ) ( 22 3 82 1 43 7 8 l 3 7 2 4 p 4 0 2 a b 甲醇泵 x d f 2 2 5 x 85 41 9 22 9 37 52 5p 4 0 3 a ，b共沸塔顶l o o a y 1 2 02 2 61 2 86 4 7 95 52 回流泵 6p 4 0 4 a b 萃取水泵 4 0 a y i i 3 5 x 49 1 81 2 74 0 17 52 7p 4 0 5 a ，b甲醇塔回4 0 a y i l 4 0 ) ( 21 97 52 0 442 流泵a 8p 4 0 6 _ b未反应c 48 0 a y i l l 0 ( ) x 22 1 62 2 03 1 0 6 3 7 2 泵 9p 4 0 7 a b甲醇塔进4 0 a y i l 4 0 ) ( 22 77 6 24 0 35 52 料泵a 1 2 1 单端面机械密封使用情况 单端面普通接触式机械密封( 小弹簧、大弹簧、波纹管) 原理是： 在被密封流体与外界存在压力差( 一般是压力高于外界压力) 的前提下， 尽可能减小密封摩擦副端面之间的轴向间隙以尽可能减少被密封流体 的泄漏。对于轻烃泵用单端面机械密封，摩擦副处于汽液混相不稳定摩 擦状态，必然出现大量的气相泄漏，严重污染周围环境，危及人身健康， 并给安全生产带来隐患。因此，接触式机械密封是难以实现被密封流体 的零泄漏，更不可能实现其零逸出。随着环保和安全生产要求的不断提 高，普通接触式机械密封己不能满足生产的需要，在轻烃泵上的应用越 来越少，轻烃泵上开始使用串联式机封。 单端面机械密封结构如图1 - 1 所示。 1 2 2 串联式机械密封使用情况 2 0 0 3 年，大港石化公司汽分装置轻烃泵开始采用串联式机械密封 ( 结构如图1 2 所示) ，要求利用0 1 o 3 m p a 的低压流体作为缓冲流 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 体。轻烃泵采用串联式机封时，第一道机封泄漏的液化气组分因第二道 机封的封堵，会通过白油罐排到放火炬系统，而不会把易燃易爆介质泄 漏到环境中。同时，操作人员可以通过巡检白油罐液位及时发现第一道 机封是否损坏。 图i - i 单端面机械密封结构示意图 图l - 2 串联式机械密封结构示意图 从清洁生产、安全环保角度来看，串联式机械密封在装置平稳运行 中起到很大作用，但根据其应用情况，串联式机械密封仍然存在很大的 不足之处： 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 串联式机械密封作为接触式机械密封，也具有接触式机封共有的 缺点 密封端面存在摩擦磨损、使用寿命短，两道机封有一道失效就要更 换机封；第一道机封由于介质压力不稳定而工作状态不稳定，第二道机 封由于密封白油易变质不稳定而使密封工作状态不稳定，失效概率大 增；密封件产生热不易带出，易热裂、热涨而失效。 运行费用高、经济效益低 为了改善轻烃泵用串联式机械密封的工作环境，工程上常常对其采 用冷却、冲洗等措施。工业应用中最常采用的冲洗方式是内冲洗，即通 过导管把泵出口的部分流体引出并注入密封箱，实际上使该部分流体在 泵内形成自循环，从而部分程度地降低了泵的容积效率，相应降低了工 艺装置的生产效率。采用冷却手段往往是用水对密封进行直接冷却并自 然排放，浪费了大量的水资源并增加了污水处理的负担。 辅助系统复杂、可靠性差 串联式机械密封通常需要添设阻塞流体( 或缓冲流体) 循环、控制 系统，大大增加了密封装置的一次性投入成本。另外，封油循环、控制 系统使密封的运行费用成倍增加，辅助系统运行的可靠性直接影响着密 封工作的稳定性和可靠性。 通过大港石化公司三年来的工业应用，轻烃泵用串联式机械密封也 无法满足石化企业长周期安全运转的要求。轻烃泵急需一种安全可靠的 密封形式以适应石化企业日益提高的安全环保要求。 1 3 本文的研究目标及内容 随着环境保护意识的增强，石化企业对于轻烃泵密封装置的泄漏要 求越来越严格。基于这一特殊背景，本文通过分析轻烃泵常用密封结构 的优缺点，提出具有优良性能的轻烃泵适用密封形式液膜润滑非接触 式机械密封。通过理论分析，提出了适于工业设计使用的液膜润滑非接 触式机械密封设计方法和步骤。最后，对液膜润滑非接触式机械密封在 大港石化公司轻烃泵上的应用进行了说明。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 本文包括五章内容，主要内容如下： 第一章介绍了课题的研究背景和意义，对论文主要内容进行了简单 介绍。 第二章分析了离心泵的泄漏机理，介绍了轻烃泵常用密封形式的优 缺点，介绍了以上游泵送机械密密封为代表的液膜润滑非接触式机械密 封的研究进展及技术优势。 第三章进行了上游泵送机械密密封特性分析，提出了工程设计的方 法和步骤，介绍了己开发的端面流体动压槽形及适宜的应用场合。 第四章介绍了上游泵送机械密密封在大港石化公司的工业应用情 况，利用上游泵送机械密封对气分装置进料泵密封进行了改进，经过现 场应用考核，应用情况良好。 第五章对上游泵送机械密密封的密封特性及工业应用进行了总结。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 第2 章轻烃泵密封结构的选型 2 1 轻烃泵密封泄漏机理分析 2 1 1 离心泵泄漏机理分析0 1 轻烃输送泵中，离心泵应用最为广泛。离心泵主要由叶轮和外壳组 成，叶轮是运动部件，外壳是静止部件，动静部件之间肯定有间隙存在， 这种间隙就是泄漏的渠道。由于泵的内外存在压力差，这是泄漏的动力。 由于压差和间隙的存在产生的泄漏称为直接泄漏。离心泵还存在结构泄 漏，是由于叶轮内具有一定的容积，当叶轮旋转时，就像水车一样，必 定携带一部分介质进入另一侧。 结构泄漏 结构泄漏是离心泵固有的，是不可避免的。其计算公式为： 饥= 丽! w 2 一d 2 ) ( 1 一y ) ( 2 - 1 ) 式中厂结构泄漏量，m 3 s ； d 泵内径，m ； d 一叶轮内径，m ； 圹一叶轮旋转速度，r r a i n ； 广叶轮内金属所占容积份额； j 叶轮高度，m 。 各种统计数据表明，结构泄漏量占总泄漏量的份额较少。 直接泄漏 直接泄漏是最主要的离心泵泄漏方式，其计算公式可以根据粘性流 体的伯努利力方程得到： z i + 生+ 关：z 2 + 堡+ 关+ k ( 2 - 2 ) p g2 9p g2 9 ” 式中z ，、勿一位置水头，对于液体来说，乃、历可以不考虑，m ； 巧、玢泵内介质速度，巧乃，m s 。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 因此 k ：p a - p c p g 式中p 广介质压力，p a ； 只广泵体侧压力，p a ； p 介质密度，k g m s ： g 一重力加速度，m 詹； ，扩一泄漏阻力，m 。 根据泄漏阻力的定义可知 k = 善丢 式中 一泄漏介质的速度，m s ； 一阻力系数。 令z j p = p a - p c ，则 雎赝 根据流速、流量、流通截面积之间的关系v = q f 式中9 一单位时间内泄漏的体积，m 3 i s ； ，一间隙面积，m 2 。 得到 唧厝 用单位时间内泄漏量g 来表示泄漏量 g = f 4 a p p ( 2 1 4 ) 令k = 2 善，称之为泄漏系数，则 g = k f j 世p 7 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 _ 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 式中。一单位时间内泄漏量，k g s ； 卜离心泵内外介质的压力差，p a 。 式( 2 7 ) 中介质密度基本不变，因此，泄漏量的主要影响因素是 系数k 、间隙面积f 、压力差厶p 。 由公式( 2 6 ) 可以看出，泄漏量与泄漏系数、间隙面积、压力差 的平方根成正比。因此要降低泄漏量，就必须泄漏系数、间隙面积、压 力差值。 泄漏系数与离心泵介质的特性有关，在密封系统分析与设计时可不 予考虑。压力差为离心泵内外介质的压力差，是由泵体结构、介质性能 决定的。为降低压力差，可采用副叶片和螺旋密封技术，密封本身可采 用反压式填料密封等技术。 2 1 2 相变理论 机械密封摩擦面间隙中存在完整的液膜，由于密封面处产生大量的 摩擦热会导致密封面温度升高，从而促使密封面间液体汽化，也就是使 液体变成蒸汽发生相变。此外，通过密封面间隙的压力降，也会引起液 体的汽化( 或沸腾) ，同样，也会使液体发生相变。过去都以为液体端 面密封都是依靠完整的液膜润滑面进行工作的，也就是说单纯的液相密 封，至多也只是局部发生气蚀。但是，实际上却还存在着汽液混相、汽 相和气相密封。在液体端面密封中存在着不同状态的原因是被密封液体 接近饱和状态时，出现沸腾或闪蒸，即发生相变。它是一种热力学过程， 只是由于压力降低而造成的局部的汽化过程。 根据相变位置( 相变半径) 的不同，可能存在不同的流体膜层：全 液膜液相密封、全气膜的汽相密封或气相密封、汽液混相膜的似液相混 相密封和似汽相混相密封等模型。 液相密封 如图2 1 ( a ) 所示，密封端面之间充满一层液膜，泄漏有可能以液 体形式出现，此类密封为液相密封。其特点是膜压系数为一定值( 图 2 2 所示) ，工作状态稳定，摩擦系数小，泄漏量也小。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 图2 - 1 端面流体膜模型 图2 - 2 端面膜压系数随温度的变化 汽液混相密封 如图2 - 1 ( b ) 所示，密封端面之间充满一层由液体和蒸汽形成的混 合膜，泄漏以汽相形式出现，此类密封为汽液混相密密封。其特点是膜 压系数随温度不同而变化( 图2 - 2 所示) ，表明工作状态不稳定，易出 现“汽喷”、“呜叫”等现象，摩擦磨损严重，极易出现早期失效。 汽相密封 如图2 1 ( c ) 所示，密封端面之间充满一层由蒸汽形成的完整汽膜， 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 泄漏以汽相形式出现，此类密封为汽相密封。其特点是膜压系数为一定 值( 图2 - 2 所示) ，t 作状态稳定，但摩擦系数大，磨损量较大，使用 寿命较短。 2 1 3 轻烃泵密封的泄漏机理 轻烃介质在常温常压下呈气态，加压后( 临界压力以上) 在一定温 度( 临界温度) 下方能以液态存在。即使在l f 缶界压力以上，而温度高于 临界温度也会汽化，属于液态烃类易挥发性介质。轻烃泵内输送的介质 均为液态，根据汽液两相机械密封的相变理论来分析密封的工作状态。 一方面，由于摩擦端面处产生大量的摩擦热导致密封面温度升高，从而 促使端面间液膜汽化，使液体变成蒸汽而发生相变；另一方面，由于轻 烃的饱和蒸汽压高于环境大气压( 图2 3 ) ，轻烃介质流经密封端面间隙 时产生压降，必然在某一位置发生汽化即出现相交。因此，在密封端面 中会汽化，也就是说在密封端面中存在着气液两相，见图2 - 4 。 在密封端面的外半径处，压力等于密封腔中的介质压力，随着半径 的减小，介质进入密封端面后，压力逐渐下降，在外半径和半径之间， 液膜压力呈线性分布。而密封缝隙中各点的温度则由于摩擦热的原因， 进入密封端面后温度逐渐升高，到半径时，温度最高。由于该温度已达 m j ( i t & e ) , j i ： 图2 3 石油化工介质蒸汽压与温度的变化曲线 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 到该介质的临界温度，同时该处的压力下降很多，结果在该处发生汽化， 称为汽化半径( 又称沸腾半径) 。 = - 二二疑_ 二二二j f j 二f - 二 图2 - 4 轻烃泵密封中的汽液两相 吒r b 一液相区汽相区p a - 大气压力p ，- 沸腾压力 只- 介质压力f 。一大气温度t 一沸腾温度t _ - 介质温度 介质越过汽化半径，在压差的推动下，继续向大气侧泄漏。由汽化 半径吒到密封端面的内半径，距离较短，压力急剧下降，压力分布呈 抛物线状，到内半径时 ，等于大气压力。而温度则因介质在汽化吸收 热量，呈现下降趋势( 见图2 - 4 中的t ，) 。由于在密封端面中存在汽化现 象，因此，在轻烃泵密封端面上存在汽液两相。而汽化半径受多种因素 影响容易变化，造成轻烃泵密封工作不稳定、易失效0 1 。 在石油化工行业中，易汽化类轻烃泵用接触式机械密封大多不是由 于正常磨损而失效，主要是由于摩擦副处于汽液混相不稳定摩擦状态， 易出现相态失稳而发生早期失效。工程上常常采取增大密封箱内介质压 力或诸多冷却降温措施，尽可能使密封处于稳定的摩擦状态，但效果有 限。 目前石化企业的大部分轻烃泵密封采用机械密封，机械密封具有使 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 用寿命长、密封效果好等优势，但难以克服由于摩擦热导致端面间液膜 汽化的难题。 2 2 轻烃泵用接触式机械密封介绍 机械密封是一种旋转轴密封，或称为旋转机械端面密封，它是靠一 对或数对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力作 用下保持贴合并配合以辅助密封而达到阻漏的密封装置，结构如图2 5 所示。 2 2 1 机械密封基本部件 机械密封主要由六部分组成，第一部分为端面摩擦副( 动环2 、静环 1 ) ，第二部分为弹性元件( 弹簧4 ) ，第三部分为辅助密封件( 0 形圈9 、 l o ) ，第四部分为传动件( 传动销3 和传动螺钉7 ) ，第五部分为紧固件( 弹 簧座5 、紧定螺钉6 、推环8 和压盖1 2 ) ，第六部分为防转件( 防转销1 1 ) 。 图2 - 5 典型机械密封结构示意图 1 静环2 动环3 传动销4 - 弹簧5 弹簧座6 紧定螺钉7 传动螺钉8 推环 9 动环o 形圈l o 一静环o 形圈11 - 防转销1 2 压盖1 3 轴套 i 、i i 、m 、v ，泄漏点 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 机械密封基本元件的作用： 端面密封副( 动、静环) 。端面密封副的作用是使密封面紧密贴合， 防止介质泄漏。它要求动、静环具有良好的耐磨性，动环可以轴向灵活 地移动，自动补偿密封面磨损，使之与静环良好地贴合，静环具有浮动 性，起缓冲作用，为此密封面要求有良好的加工质量，保证密封副有良 好的贴合性能。 弹性元件( 弹簧、波纹管、隔膜) 。它主要起预紧、补偿和缓冲作用， 要求始终保持足够的弹性来克服辅助密封和传动件的磨擦和动环的惯 性，保证端面密封副良好的贴合和动环的追随性，材料要求耐腐蚀、耐 疲劳。 辅助密封( 0 形圈、v 形圈、楔形圈和异形圈) 。它主要起静环和动 环的密封作用，同时也起到浮动和缓冲作用。要求静环的密封元件能保 证静环与压盖之间的密封性和动环的浮动性。材料要求耐热、耐寒并能 与介质相容。 传动件( 传动销、传动环、传动座、传动键或传动突耳) 。它起到将 轴的转矩传给动环的作用。材料要求耐磨和耐腐蚀。 紧固件( 紧定螺钉、弹簧座、压盖组装套、轴) 。它起到静、动环的 定位、紧固的作用。要求轴向定位正确，保证一定的弹簧压缩量，使密 封副的密封面处于正确的位置并保持良好的贴合。同时要求拆装方便、 容易就位、能重复利用。与辅助密封配合处，安装密封圈要有导向倒角 和压弹量，应特别注意动环辅助密封件与轴套配合处要求耐腐蚀和耐磨 损，有必要时与轴套配合处可采用硬面覆层。 防转件( 防转销) 。它起到防止静环转动和脱出的作用。要求有足够 的长度，防止静环在负压下脱出，并要求正确定位，防止静环随动环旋 转。材料上要求耐腐蚀，在必要时中间可加四氟乙烯套，以免损坏碳石 墨环。 2 2 2 机械密封可能的泄漏途径 机械密封可能的泄漏途径主要有五个，如图中2 5 中i 、 v 、所示。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 端面摩擦副密封面i 处泄漏 这是主要密封面，是决定机械密封摩擦、磨损和密封性能的关键， 同时也决定机械密封的工作寿命。因此，对摩擦副端面的光洁度要求非 常高。 动环与轴套的辅助密封处和静环与压盖的辅助密封i i 处泄漏 这是辅助密封面的密封问题，是决定机械密封的密封性和动环随动 性的关键，特别是动环与轴或轴套密封面，要防止锈蚀、结垢等，而造 成动环不能动弹。 压盖与密封箱体的静密封和动环镶嵌结构配合处泄漏 这两处均为静密封，可根据密封介质选用相容的材料。 2 2 3 机械密封的工作原理及分类 机械密封由动环和静环组成密封端面，动环随旋转轴一起旋转，静 环固定在壳体上不做旋转运动，动环和静环通过弹性元件和介质压力来 实现紧密配合。当主机启动后，旋转轴通过紧定螺钉带动弹簧座旋转， 而弹簧座则通过传动螺钉带动弹簧、动环密封圈和动环一起旋转，从而 产生了动环和静环之间的相对旋转运动和良好的紧密贴合，以达到密封 的目的。 机械密封具有很多分类方法，根据密封端面的数目，可以分为单端 面机械密封、双端面机械密封和串联式机械密封。 单端面机械密封 单端面机械密封基本结构如图1 - 1 所示，根据弹性元件可以分为单 弹簧式机械密封、多弹簧式机械密封和波纹管机械密封。 双端面机械密封 为了克服单端面机械密封易出现失稳的现象，可以采用双端面密封 结构。双端面机械密封具有两个密封端面，一般由两个静环、两个动环 组成。两个摩擦副之间需要一个较复杂的封液供给循环系统不断地提供 具有良好润滑性能的隔离流体。其基本结构如图2 - 6 所示 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 图2 - 6 双端面密封结构示意图 串联式机械密封 串联式机械密封采用两套密封串联组成。两个摩擦副之间要求利用 低压流体作为缓冲流体。其基本结构如图1 - 2 所示。 2 2 4 机械密封研究进展 机械密封是目前应用最为广泛的泵用机械密封形式之一，可以满足 很多种工况下的密封要求，其应用范围越来越广，特别是在石油化工装 置的机泵设备中应用更加普遍，在石油化工装置中8 5 以上机泵使用 了机械端面密封【3 】。 机械密封最早是1 8 8 5 年在英国以专利形式出现，并于1 8 9 0 年用于 轴承密封，1 9 0 0 年开始应用。首先出现的简单的端面机械密封，解决 了机械制造业中转轴密封问题。但机械密封出现初期，由于材料和加工 工艺的限制，机械密封没有得到广泛的应用，直到1 9 2 0 年以后，机械 密封才逐步在制冷压缩机和内燃机冷却水泵上获得了数量较多的应用。 1 9 3 0 年以后，机械密封开始应用于内燃机的水泵密封，此时p j 矿值达 到了3 1 m p a m s 。第二次世界大战后，机械密封在美国得到了迅速普 及。1 9 3 9 1 9 4 5 年，由于石油化学工业的发展，陶瓷、硬质合金等材料 在机械密封动、静环制造中的应用以及加工技术中表面粗糙度控制水平 的提高，只v 值达到了1 5 m p a m s ；1 9 5 6 年在结构上出现了平衡型机 械密封和中间环密封，只y 值达到了3 0 m p a m s ：1 9 5 9 年达8 0 m p a m s ； 1 9 6 1 1 9 6 3 年由于原子能工业的要求，在结构上出现了流体动压密封和 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 流体静压密封，使只y 值迅速提高到1 6 t m p a m s ；1 9 6 9 年达到 2 6 6 m p a m s 。1 9 7 1 - 1 9 7 4 年由于宇航和核电方面的特殊要求在结构上 出现了多级密封，在材料上出现了碳化硅和优质的不同浸渍材料的碳石 墨，使只y 值达到了3 6 0 ，1 9 7 7 年由于核电等特殊需要采用螺旋一机械 密封组合的密封；改进的中间浮动环密封等；浮环一机械密封组合密封 等，使最高只y 值达到了5 0 0 m p a m s 。在保证密封性能的同时，为了 获得较长的使用寿命，利用自动控制理论，人们开发出可控机械密封。 1 9 9 0 年以后，机械密封只v 值达到了5 7 0 0 m p a m s 4 1 。 1 9 8 0 , - - 1 9 9 0 年，随着人们环境保护意识的提高，出现了“零泄漏” 机械密封。随着科学技术的发展，密封出现了可控膜机械密封、热流体 动压密封以及多端面密封等一些新技术、新概念和新产品f 5 】。 近年来，非接触式机械密封开始越来越受到人们的关注；如在离心 泵上采用螺旋密封，获得了较好的使用效果，但仍存在密封压力不高， 停车密封不可靠等问题；磁流体密封也是一种可达到零泄漏，且具有使 用寿命长、密封可靠性高、传输效率高、无污染、无方向性等特点的新 型非接触式密封，但应用于密封液体时，被密封的液体介质易与磁流体 接触而引起乳化、变质从而导致密封失效，尚未达到实用阶段。现在应 用最多的是流体动压机械密封，通过在密封端面开设的流体动压槽在密 封环旋转时产生的流体动压效应而实现密封端面的分离非接触运转，从 而减少摩擦热，大大降低密封端面温度。 2 3 轻烃泵用非触式密封介绍 2 3 1 螺旋密封 螺旋密封是在旋转轴与静止壳体之间有一狭小间隙，其中充满粘性 液体，在轴或壳体上( 或者同时在两者上) 切出螺旋槽，当轴旋转时，螺 旋槽对液体施加一个推动力，进行能量交换，使轴的旋转动能变换成粘 性液体的压力能，从而形成密封压头，此即螺旋密封的泵送效应，形成 密封压力，该压力与被密封流体压力相平衡，便能阻止液体泄漏 甜。由 于螺旋密封的泵送效应是建立在粘性流体的粘性力的基础上，因此，螺 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 旋密封又称为“粘性密封”。螺旋密封结构如图2 7 所示。 图2 7 直通型螺旋密封结构示意图 实践表明螺旋密封在许多方面优于其它密封，可用于高温、深冷、 腐蚀和带有颗粒等的液体，特别适合用于空间小，密封压力要求不高的 密封部位。另外在制造、安装等方面也优于其它密封，并且其消耗动力 小、结构简单，是今后密封发展的一个方向。但从密封机理上讲，螺旋 密封不适用于轻烃介质；且停车时，密封失效，需配以停车密封，使密 封系统复杂，整体造价较高，严重地限s i t 螺旋密封的发展【7 】。 2 3 2 磁流体密封 黼，： ( 7 ) 姗 图2 - - 8 磁流体密封原理图 1 一永久磁铁2 极靴3 旋转轴4 磁流体 磁流体密封是利用在外加磁场作用下磁流体具有承受压力差的能 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 力而实现的密封。其基本原理如图2 8 所示。磁性回路由永久磁铁、极 靴和转轴组成。放置在导磁性良好的转轴与极靴顶部之间的制作精良的 磁流体在高性能的永久磁铁产生的磁场作用下高度集中，形成一个液体 o 型密封圈，当磁流体受到压力差作用时，磁流体在非均匀磁场中略微 移动，产生了对抗压力差的磁力，从而达到新的平衡，进而将转轴与极 靴间的缝隙堵死而达到密封的目的【8 】。 虽然磁流体密封可达到零泄漏，且具有使用寿命长、密封可靠性高、 传输效率高、无污染、无方向性等特点，但这种密封型式应用于密封液 体时，被密封的液体介质易与磁流体接触而引起乳化、变质从而导致密 封失效，尚未达到实用阶段。磁流体密封和干气密封一样应用于高速旋 转的机械，一般应用在旋转圆周速度大于3 0 m s 的高速旋转轴密封。此 外，使用磁流体密封需要较大的空间。 2 3 3 液膜润滑非接触式机械密封 通过在密封端面开设流体槽实现密封非接触运转的机械密封根据 槽的深度分为深槽机械密封和浅槽机械密封。浅槽机械密封根据密封端 面间的流体膜类型分为气膜润滑非接触式机械密封( 以干气密封为代 表) 和液膜润滑非接触式机械密封( 以上游泵送机械密封为代表) 。 ( 1 ) 上游泵送机械密封工作原理 与普通机械密封相比，上游泵送机械密封是一种新型的非接触式机 械密封，从密封理论上来讲可以实现密封流体的零泄漏、零逸出，具有 使用寿命长、维护费用低、经济效益明显等优势。上游泵送机械密封正 在越来越成为密封技术领域关注的焦点，上游泵送原理是了解上游泵送 机械密封的钥匙。 图2 _ 9 是一种最常见的上游泵送机械密封的端面结构，若在密封动 环上开浅槽，动环外径侧为高压的被密封液体( 规定为上游侧或高压 侧) ，内径为低压流体( 规定为下游侧或低压侧) ，当动环以图示方向旋 转时，在螺旋槽流体动压效应的作用下，动静环端面问产生了一层厚度 极薄的流体膜，通常只有几个微米，使动、静环端面保持分离状态即非 接触状态。在外径和内径压力差的作用下，高压被密封流体产生了方向 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 由外向内的压差流晓，如果考虑了液膜的质量，由于惯性力的作用，那 么就会产生一个粘性剪切流n ，而螺旋槽的流体动压效应所产生的粘性 剪切流n 的方向由内径指向外径，与压差流职方向相反，此为上游泵 送概念的由来。 嬷i 燃鄙宣构馘游泵j 龋渣 图2 - 9 上游泵送机械密封工作原理图 在外径与内径压力差的作用下，高压密封流体产生方向由外到内的 压差流g ，而螺旋槽的流体动压效应所产生的粘性剪切流g 的方向由 内径指向外径，与压差流g 反向。则流经密封端面间隙的总泄漏量q 为： q=q，一q(2-9、 若q p g 时，q 0 ，高压侧密封流体向低压侧泄漏，则认为该上 游泵送机械密封不具备密封能力。 q p = q , 时，q = o ，密封可以实现零泄漏；若低压侧无缓冲流体，则 可以实现被密封流体的零泄漏，但不能保证被密封流体以汽态形式向外 界逸出或排放。定义对应此状态下的密封为零泄漏上游泵送机械密封。 g g 时，q 0 ，低压侧流体向高压侧泄漏；若低压侧有缓冲流 体，则有少量缓冲、隔离流体从低压侧泵送至高压侧，不仅可以实现高 压被密封流体的液相可见零泄漏，而且可以达到被密封流体向外界的汽 相( 或气相) 零逸出或零排放，故称对应此状态下的密封为零逸出上游 泵送机械密封，实现真正意义上的无泄漏。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 ( 2 ) 上游泵送机械密封技术优势 理论实验研究和工程应用结果表明，在轻烃泵轴封工况下，与普通 的接触式机械密封相比，上游泵送机械有如下优点； 与较早开发出的干气密封一样，可以保证密封介质的零泄漏或零 逸出( 统称无泄漏) ，消除环境污染，实现健康、环保、安全生产的最 佳境地。 密封使用寿命大大延长。在正常工作状态下，由于密封摩擦副处 于非接触状态，端面之间不存在直接的固体摩擦磨损，理论使用寿命是 无限的。 能耗明显降低，运行效率相应提高。工业应用结果表明，上游泵 送密封的能耗不足普通机械密封的1 3 ，而且，用于降低端面温升的密 封冲洗液量和冷却水量大大减少，相应提高了泵效甚至工艺装置的生产 效率。 辅助系统相对简单。与双端面接触式机械密封相比，上游泵送密 封装置无需复杂的封油供给、循环系统及与之相配的调控系统，对带缓 冲流体的零逸出上游泵送密封，缓冲液的压力远远低于密封介质的压 力，且无须循环，消耗量也小，因此，对辅助系统的可靠性要求不高。 使用范围拓宽。与普通接触式机械密封相比，上游泵送密封可以 在更高p v 值、高含固体颗粒介质等条件下使用。 ( 3 ) 上游泵送机械密封研究进展 国外，1 9 8 1 年s e d y 受螺旋槽气体润滑密封技术成功应用的启发， 将螺旋槽密封技术应用于液体介质的研究而获得了高压上游泵送密封 专利技术1 9 1 ，该技术可应用于苛刻的密封工况。1 9 8 4 年，n e t z e l 在第 三界国际泵讨论会上明确解释了上游泵送密封的概念【1 0 1 。1 9 8 9 年，a l i 在第六界国际泵用户讨论会上介绍上游泵送机械密封的设计思想n 。 1 9 9 0 年，b u c k 、v o l d e 以及n e t z e l 分别在润滑工程上介绍了上游 泵送机械密封的典型用例1 2 1 3 1 ，1 9 9 3 年，s a l a n t 等探讨了上游泵送机 械密封的刚度和泄漏率【1 4 1 ，同年，n e t z e l 、p a h n a r 介绍了利用先进的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 计算机工具来优化液体润滑机械密封性能，其中就包含上游泵送机械密 封1 1 5 】。 国内，1 9 9 0 年，顾永泉和董飙【1 6 j 研制了泵出式圆弧槽液体端面密 封并获得国家专利。王玉明于1 9 9 2 年研制成功了八字形油膜润滑螺旋 槽机械密封，利用航空油实现对气相的密封，先后在离心压缩机f 1 7 1 及冷 冻机【1 8 】上获得应用。1 9 9 8 年，彭建等对上游泵送机械密封作了一些工 作【1 9 1 。1 9 9 9 年，宋鹏云介绍了上游泵送机械密封的应用实例【2 0 1 ，并探 讨了计算螺旋槽上游泵送机械密封性能的解析计算方法【2 1 1 。2 0 0 1 年， 郝木明1 2 2 】对内径开槽上游泵送机械密封进行了试验研究，验证了上游泵 送机械密封的优点；并在液化气泵【2 3 】和p v c 浆料离心泵【2 4 1 上得到了成 功应用。为了防止内径开槽的上游泵送机械密封出现直径小于端面流体 膜厚度的固体颗粒进入端面之间磨损端面的现象，郝木明提出了中间开 槽的上游泵送机械密封结构，并对它进行了试验研究1 2 5 1 。2 0 0 1 年，郝 木明【2 6 】简要介绍了不同结构的上游泵送机械密封各自的应用范围。2 0 0 2 年，郝木吲27 】对泵用零逸出非接触式机械密封技术分干气密封和上游机 械密封两类分别进行了叙述，给出了各自的使用条件及范围。 液膜润滑非接触式机械密封的研究开始较早，但由于对它的需求没 有气相密封迫切，再加上问题十分复杂，所以进展缓慢。然而，随着现 代工业生产的迅速发展，越来越要求液相机械密封能够实现零泄漏和长 周期运转。由于上游泵送机械密封可以实现密封介质的零泄漏和零逸 出，对环境无污染，具有超长的使用寿命，并且运行维护费用低且适用 范围广，所以上游泵送机械密封成为国内外研究的热点。 2 4 轻烃泵密封选型 轻烃泵输送介质一般易燃易爆、含有h 2 s 等有毒气体，一旦泄漏极 易造成着火、爆炸、中毒、污染环境等事故。对于轻烃泵而言，选择合 适的密封结构是首先要考虑的问题。合适的密封形式对轻烃泵的安全运 行具有决定性意义。 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章轻烃泵密封结构的选型 2 4 1 普通接触式机械密封 单端面、双端面、串联式机械密封均属接触式机械密封，具有共同 特点： 优点： 与填料密封相比，机械密封性能可靠、泄漏量小。 在一个较长的使用周期内，机械密封很少泄漏，通常只有肉眼不易 观察到的微量泄漏，具体值为0 1 1 o m l h 。 使用寿命长、功率损耗低。 机械密封的磨损量小，且能自动补偿，因此寿命比填料密封长，在 国内油泵可达一年以上。功率损耗低，轴或轴套无磨损，是否需要更换， 取决于介质对轴的腐蚀。 能适应高温、高压等苛刻工况。 但如果将普通接触式机械密封用于轻烃泵时，各种形式的接触式机 械密封均有各自不足之处： 密封介质产生泄漏，造成物质损失和环境污染。 接触式机械密封的密封原理是：在被密封流体与外晃存在压力差 ( 一般是压力高于外界压力) 的前提下，尽可能减小密封摩擦副端面 之间的轴向间隙以尽可能减少被密封流体的泄漏。对于轻烃泵用单端 面机械密封，摩擦副处于汽液混相不稳定摩擦状态，必然出现大量的 气相泄漏，严重污染周围环境，危及人身健康，并给安全生产带来隐 患。因此，接触式机械密封是难以实现被密封流体的零泄漏，更不可 能实现其零逸出。随着现代环保要求的不断提高，普通接触式机械密 封的应用将受到越来越多的限制。 密封端面存在摩擦磨损、使用寿命短。 由于密封摩擦副之间存在着直接的固体摩擦磨损，且在气液混相 摩擦状态下易出