丙烯进料高速泵机械密封改造

丙烯进料高速泵机械密封改造杨建峰（中石化北京燕山石化股份有限公司 聚丙烯事业部，北京 102501）摘要：为了解决丙烯进料高速泵中机械密封频繁失效的问题，经多次对使用后高速机械密封进行解体并核算其设计参数，发现在液态烃中高速密封的设计参数和摩擦付材料不合理，通过改造，在生产装置使用中取得了较好的效果，说明高速 密封用于液态烃工况时必须进行针对性改造。关键词：高速机械密封；液态烃；载荷系数；改造中图分类号：TB42文献标识码：A文章编号：10060316（2008）06007503The redesigning of the high-speed mechanical seal of propylene pumpYANG Jian-feng（SINOPEC Beijing Yanshan Petrochemical Co.Ltd.，Polypropylene Business Division，Beijing 102500，China） Abstract：In order to solve the problem of frequent failure of seal to the high speed pumps mechanical seals for the medium of Propylene， we calculate many times of the parameter of used high speed mechanical seals and find the reason of non-matchingbetween the designing parameter of high speed Mechanical seals in the liquid hydrocarbon and the seals face materials. We redesign the parameter and chose other sealing materials and get the good sealing result in the using of equipment. We get the result that high speed mechanical seals must adjust when it use to sealing the hydrocarbon medium.Key words：high speed mechanical seals；liquid hydrocarbon；loading coefficient；redesigning中石化北京燕山分公司聚丙烯事业部三聚车间20 万吨聚丙烯生产装置中，使用了 2 台丙烯进料泵（位号：8G601A/B）。该泵由航天部十一所制造的 Sundyne 立式高速泵。密封采用约翰克兰（John Crane）02A+51A；05A+51B；06A+51D 三组机封串 联形式用于密封丙烯、密封油和齿轮箱润滑油。丙 烯进料泵是将来自罐区的液态料丙烯的压力从 1.5MPa 升至 4.2 MPa，介质温度为 040，转速为8556 r/min。由于此泵工作介质为液态烃，所以采用 通用型高速机械密封时，造成使用周期短，更换频 繁，根本不能满足使用要求，从而影响生产任务的 完成。上，而温度高于临界温度也会汽化。泵内输送丙烯均为液态，但在密封端面的缝隙中，压力逐渐下降， 温度逐渐上升，因此在密封面中会汽化，实际上在 密封端面中存在气液混合相，造成密封工作不稳定， 易失效。在经过多次的检修中，通过对失效机封的仔细 观察，发现接触丙烯介质的 02A+51A 中 02A 石墨 环磨损较重，且密封面外园有轻微热裂，51A 旋转 环表面磨合痕迹不均匀。05A+51B 虽与密封液接触， 但在泵解体检查，发现 05A 静环密封面有一定磨损， 而旋转环 51B 磨损较重，有时磨出凹槽。06A+51D 的作用是密封齿轮箱润滑油，机封一般磨损较轻。（1）高速机封介质侧 02A+51A 中设计参数不 适合。在丙烯介质中使用通用高速密封时，可以改 变 02A 中的设计参数即载荷系数 K 值，来达到使用 要求。所谓载荷系数 K 是表示介质流体压力有效作1 密封失效分析丙烯在常温常压下是气态，加压在临界压力以 上，并在一定温度下方呈液态。即使在临界压力以收稿日期：20080325作者简介：杨建峰（1970），男，河北吴桥人，本科，工程师，长期从事炼化企业设备的检修安装、防腐和设备管理工作。机械 2008 年第 6 期 总第 35 卷76维修与改造用面积与摩擦面面积之比，反应了介质压力有效作用程度。从力平衡角度考虑，为了使密封面不开启， 载荷系数大一些较好，而从热平衡角度考虑，为了 减少端面介质汽化，希望载荷系数小一些。对于丙 烯介质，其反压系数为 0.7，综合考虑，载荷系数应 在 0.750.85 之间，而原机封 K 值为 0.63。同时核 算出 02A 的其它工作参数：弹簧比压 Ps=0.16 MPa， 端面比压 Pc0.16 MPa。而 Pc 值正常范围是 0.3-0.45MPa，小于 0.3 MPa 则机械密封工作将不可靠，泄漏危险增大。（2）高速机封密封油侧 05A+51B 中 51B 材质 不合适。由于 51B 是采用在 304 不锈钢基体上堆焊 钴基 2 号合金，堆焊厚度为 1.2 mm 左右。如果前端 机封无任何泄漏，液态丙烃不进入密封液中，这种 材料选用问题不大，一旦少量丙烃进入密封液中， 将加速 51B 磨损，造成此级密封先于介质侧机封失 效，起不到介质侧机封保护作用，所以必须改造更 适合的材料。（3）高速机封润滑油侧 06A+51D 中 06A 弹簧 比压 Ps 偏小。在多级串联机封中，润滑油侧机封工 况最好，工作压力为常压，润滑油润滑性能较好， 机封的 Pc 值比 Ps 值略大，由于 Ps 值为 0.12 MPa， 所以得到 Pc 值明显偏小，从而时常造成润滑油外泄， 密封性能下降。环摩擦面内径，从而变化机封的载荷系数 K 及相应的端面比压 Pc，以更适应液态烃介质，下列是改造 前后 02A 参数对照：02A1（改造后）34.83935.70.8002A摩擦面内径 d1(mm)：33.8 摩擦面外径 d2(mm)：39 平衡直径 d0(mm)：35.7载荷系数 K：0.65密封腔压力（MPa）：约 2.5弹簧比压 Ps（MPa）：0.16 端面比压 Pc（MPa）：0.02 密封面线速度（m/s）：18.70.20.41从以上数据发现，02A 机封在 G601 工况工作线速度为中速范围，故端面比压 Pc 为 0.41 MPa 是 合理的，这样既能保证密封可靠，又能长周期工作。d0图 1 02A 机封静止组件的改进2.251B 材质改变2 液态烃用高速密封设计参数的确定和密封面材质选取正常情况下，05A+51B 是在密封油中工作，其主要作用是密封油，以保证第一级机封不与大气接 触，同时在第一级机封泄漏时，作为应急机封。针 对堆焊动环 51B 经常磨损严重情况，我们将 51B 改 造为一个硬质合金（整体）动环和一个不锈钢轴套， 这样可以提高动环的耐磨性能。为了解决 G601 高速丙烯泵机械密封使用周期短问题，在现场泵的解体过程中，我们与成都南方 石化机电所的技术人员进行现场分析和研究，主要 考虑从机械密封设计参数和摩擦付选材上进行改 进，来满足使用要求。2.306A 静止组件弹簧力调整2.102A 机封静止组件的改进（图 1）06A+51D 用于密封齿轮箱润滑油，其工作压力为常压，经核算 06A 机封的弹簧比压 Ps 为 0.12 MPa， K 值为 1.2，由于密封面压差很小，所以机封 Pc 值 约为 0.12 MPa，此值明显偏小，我们通过增大机封 中弹簧丝径到 0.60，这样 Ps 值为 0.2 MPa 左右，能 满足使用要求。（下转第 79 页）在三组串联机封中，02A+51A 因与密封介质（丙烯）接触，因此在机封设计参数和静止环选材上进 行了改变，考虑到烃类介质润滑性差，温度升高易 挥发，密封面可能出现干摩擦。为了尽量减少热量 的产生和积聚，选择了自润滑性好且导热性良好的 浸渍锑金属石墨，而不是常用的浸树脂石墨作为静 止环，而旋转环还是使用碳化钨。同时改变了静止d1d2机械 2008 年第 6 期 总第 35 卷维修与改造79蒸汽消耗量必然也小（约 4.6 t/h），这样考虑给透平增加负荷的方法行不通。所以，结合当地极端最低 温度出现的记录（50 年），认为可以采纳如下针对 性的方案：采用蒸汽透平旁路方案。在透平出入口建立旁 路，当暖机工况时，打开旁路，通过一台规格合适 的减温减压器，达到凝气透平要求乏汽条件（0.035MPa（a），最终提供总乏汽量不小于 10.6 t/h。流程图详见图 4。采用小规格水冷凝器和 ACC 并联方案。当暖机 工况时，临时采用小型水冷凝器，处理透平暖机时 消耗的少量蒸气（3.6 t/h），暖机结束后切换到 ACC 装置。流程图详见图 5。流量曲线（图 2），提醒用户单位在环境温度恶劣条件下，应避免开车或注意相关开车程序。在岗位操 作规程中应有所提示。如果苛刻条件下必须开车， 也可以采用临时有效措施例如覆盖临时表面保温 层，既可以阻挡空气流动又可以保温、或采用天然 气或燃料油小火炬加热周围空气送热风、蒸汽盘管 辅助加热或同时使用等便捷方法，保证开车顺利进 行。空气冷凝器应配备专用防冻排凝阀，并且关闭 所有百页窗，并且调整风机叶角度至反向。作为一种长期考虑，如果地理环境冬季较长， 可以在空气冷凝器设计时，将整个空冷器设计成几 个小部分单元，中间通过大型蒸汽阀门连接1。当 苛刻环境温度下开机时，可以通过选择开关相应蒸 汽阀门来使空气冷凝器各个单元依次投入使用。3 结论凝汽式蒸汽透平专用空气冷凝器（ACC），在环 境温度恶劣的情况下应避免临时开车。如果必须暖 机开车，应采用有效临时措施，满足 ACC 使用条件。 如果长期环境温度低，应考虑设置旁路方法，避免 冬季 ACC 结冰，有效应对苛刻操作条件，避免设备 冻裂，排除影响装置长周期稳定运行的不利因素。减温减压器空冷图 4 蒸汽透平旁路方案流程图图 5 小规格水冷凝器和ACC 并联方案流程图ACC 制造厂提供系列低温环境对应暖机最小（上接第 76 页）3 高速机械密封制造中应注意的问题高速机封全部采用静止式结构，即补偿环不旋 转只滑动。在旋转环随高速轴高速旋转时，旋转环 除了旋转运动外，还要发生轴向位移（包括振摆）， 静止环能与旋转环贴合，这种运动中旋转环与静止 环贴合的能力，就是机械密封的追随性，高速密封 对机封的追随性要求很高，所以在制造过程中要注 意以下几点：（1）补偿环中辅助密封圈过盈量不能大，为了 保证机封追随性和密封性，必须取一合理值。（2）机封中弹簧力也是控制较严的参数，要严 格检测。（3）旋转环端面与轴中心线的垂直度要求高， 同时摩擦面平面度控制在 0.0006 mm 以内。（4）静止组件组装完成后，必须气密性试验。4 总结合理的机封设计参数和材料选择，严格的制造 生产，认真仔细的安装，符合规程的使用操作是保