泵用干气密封的选型和应用.doc

泵用干气密封的选型和应用徐上峰干气密封技术在离心式压缩机等高速流体机械上已获得了广泛应用，在泵、反应釜等低转速设备上的应用也正在开展。目前石油化工生产装置中用量最大的泵是离心泵,而离心泵最常用的轴端机械密封形式为单封或者双封。对于普通的接触式机械密封,在选型合理、安装使用正确、工况良好的情况下，其使用期一般不低于一年；对于一些比较苛刻的使用条件,如介质易汽化易挥发、高速、高压、高温、低温等工况,机械密封的使用期更短。由于石油、石化行业中输送的介质多为易燃易爆有毒介质，机械密封多采用双端面或者串联式机械密封，检修机械密封等会造成工业介质以及缓冲液的大量流失，造成环境污染。目前石油、石化等工业向无污染、长周期、低能耗、高效益的方向发展,要求离心泵的机械密封实现密封介质的零泄漏、无污染、长寿命;而石油、石化工业中泵送流体大多具有易燃、易爆、剧毒、污染严重等特点,一些情况下普通的接触式机械密封难以达到上述要求,干气密封就以其自身的特点满足了一些苛刻工况的要求。一.干气密封的原理干气密封采用“以气封气”或“以气封液”来实现工艺介质的零逸出和零泄漏;与传统的接触式机械密封相比,具有摩擦功耗低、使用寿命长、工作可靠性高、辅助系统简单、没有环境污染、运行维护费用低等一系列优点。泵用干气密封在结构上与普通机械密封显著不同的是:动、静环密封端面较宽;在动环或静环端面上加工出特殊形状的流体动压槽,如螺旋槽,槽深一般在310m 之间。当动环高速旋转时,动环或静环端面上的螺旋槽将外径处的高压气体向下泵入密封端面间,气体由外径向中心流动,而密封坝节制气体流向中心, 于是气体被压缩引起压力升高,在槽根处形成高压区。端面气膜压力形成开启力,在密封稳定运转时,该开启力与由作用在补偿环背面的气体压力和弹簧力形成的闭合力平衡,密封保持非接触、无磨损运转,其气膜厚度一般维持在23m。如果出现某些扰动因素使密封间隙减小, 此时由螺旋槽产生的气膜压力将增大,引起开启力增大,而闭合力不变,密封间隙将增大,直到恢复平衡为止;反过来,如果出现某些扰动因素使密封间隙增大, 此时由螺旋槽产生的气膜压力将减小,引起开启力减小,而闭合力不变, 密封间隙将减小, 密封将很快再次恢复平衡。干气密封的这种抵抗气膜间隙变化的能力称之为气膜刚度。虽然泵用干气密封的气膜间隙很小,但气膜刚度很大,比液膜润滑机械密封的膜刚度要大得多。杨惠霞，王玉明. 泵用干气密封技术及应用研究J流体机械，2005，33（2）：14.二泵用干起密封常用配置方案在石油化工厂中，离心泵一般采用API 682的轴封系统，在API682中，干起密封主要有以下几种布置方式：Plan72方案配置如下： Mechanical Seal Piping Plans, FLOWSERVE COMPANY,USA.Plan72方案带有过滤器和调压阀，为无压的干气密封提供干净和稳定的气源，一般和Plan75或者Plan76配合使用；当第二道密封损坏或者过滤器堵塞，第一道密封和第二道密封之间的压力下降，压力开关报警；当第二道密封部分损坏，氮气泄漏量增大但是不会造成压力下降的情况下，流量开关会报警，但是一般情况下不会出现这种情况，流量开关可以不选用。Plan74方案配置如下：Plan74方案为带压的干气密封，自带过滤器和调压阀，当密封损坏时，氮气大量泄漏，压力开关和（或）流量开关报警。Plan75方案配置如下：Plan75方案可以单独使用，但是一般和Plan72方案配合使用。Plan75方案配有集液罐，用于接受从密封泄漏出来的不挥发液体，并且配有液位开关。在主密封失效时，会有大量介质泄漏出来，造成两道密封之间的压力升高，如果介质不易挥发还会造成集液罐内的液位升高，压力开关和液位开关报警。Plan76配置如下：Plan76方案可以单独使用，但是一般和Plan72方案配合使用。Plan76方案主要用于输送介质中不带液的情况下，当主密封泄漏时，会有大量介质泄漏出来，造成两道密封之间的压力升高，压力开关报警。常见的干气密封有以下几种配合使用：Plan72+75，适用于输送介质可能带液的工况，从第一道密封泄露出来的少量液体一部分被氮气带到火炬管网，不能蒸发的部分在下部积液罐中储存，进行定期排放。Plan72+76适用于输送饱和蒸汽压高、易汽化介质的工况，从第一道密封泄露出来的少量液体进入密封之间就迅速气化，进入火炬管网。上述两种方案类似于机械密封的Plan52方案。Plan74方案适用于输送介质不能泄漏的情况，类似于机械密封的Plan53A方案。但是此方案不适用于输送介质温度太高的情况，由于Plan74方案氮气耗量非常小，如果泵送介质温度很高，可能会造成密封腔内压力升高，造成压力开关的误报警。三泵用干气密封的适用工况及优越性干气密封在以下的工况下有非常优越的使用性能：1.在输送易汽化介质的情况下。在输送易汽化介质的时候，当少量介质从机械密封部分泄露出来后，容易在机械密封部分汽化，造成机械密封的两个密封干磨，降低机封的使用寿命。此种情况下使用干气密封，在主密封（湿密封）和第二道密封腔之间的也有一定的背压，抑制从主密封泄漏出来的介质汽化，有利于第一道湿密封的长时间稳定运行。例如，在天津100万吨/年乙烯装置中C2绿油洗涤泵GA-405A/B，输送介质：C2，入口压力：1.871MPa（G），入口温度-28.1，汽化压力1.855MPa（G）;选用密封方案：Plan11+72+76。这种配置方案相对于常规适用的Plan11+52方案，不仅配置简单，而且也可以显著增加密封的使用寿命，减少检修次数，降低生产成本。2.维护方便，相对于双封的机械密封系统（Plan52或者Plan53）方案，干气密封维护起来比较方便环保。干气密封方案只需要连接一根或两根氮气管线就可以实现对介质的密封。例如上述的应用实例，如果配置Plan11+52方案，则不仅需要配置复杂的封液系统，还需要定期补充风液，维护工作量大；而使用干气密封只需要连接一根氮气管线就可以了，配管和维护都十分方便。但是对于输送介质温度较高的工况，仍然应该冷却第一道密封（使用Plan21、Plan23或Plan02方案），以防止密封面温度过高，损害机械密封。3.当泵送介质属于剧毒介质，一般应该采用带压得双封方案（Plan53），但是在某些情况下，不允许双封的隔离密封液泄漏至泵的内部以污染介质，这样就可以采用带压的干气密封方案（Plan74）。由于氮气一般不容易溶解于石油化工行业里的大部分介质里面，可以在下游的工序中方便的分离。例如：乌石化100万吨/年PX装置中苯产品泵P-2553A/B，输送介质：苯，入口压力：0.43MPa（G），入口温度40，汽化压力0.025MPa（G）。选用密封方案：Plan74。在这种情况下使用Plan74的干气密封方案，一方面可以保证剧毒的介质零泄露，不会污染环境和危害操作人员的身体健康，另一方面即使有极少量的氮气混入介质，也很容易和介质分离，不会污染介质。4.一些间歇操作的泵，也比较适用干气密封方案。例如一些放置在污油罐上的液下泵，一般为间歇操作，轴封的冲洗既不能使用泵送介质（污油有可能由颗粒物），也不适合使用外冲洗（由于间歇操作，外冲洗液不能长期提供）。如果采用干气密封方案Plan74，在消耗及其微量的氮气情况下（0.020.03m3/h）就可以实现轴封的长时间使用，防止储罐内的有害物质不会泄漏至空气中。例如：青岛大炼油加氢裂化液下泵。四.结论经过多年的发展，泵用干气密封技术已经取得了很大的进步，在某些工况下获得了很成功应用，下面对干气密封的选用原则作一下总结：1 泵用干气密封技术发展到现在，基本上大部分适用双封的场合都可以使用干气密封，在技术上来讲都是可行的。2 如文中所列，泵用干气密封有一些非常适用的工况，这种情况下优先推荐使用干气密封方案。3 干气密封在下面的一些情况下不宜使用a) 泵转速较低，这样形成的气膜刚度不够，容易损坏机械密封；b) 对于一些输送高温介质的工况也不宜使用Plan74方案，容易造成密封的误报警；如果对于主密封有充分的冷却，也可使用Plan72+75和Plan72+76的密封方案；c) 输送易聚合介质的情况不能使用干气密封，