低溫泵機械密封泄漏問題的解決措施
我公司的低溫泵為單級懸臂式離心泵。該泵是乙炔塔回流泵，工作介質是乙烯，其作用是在前續(xù)流程中控制塔頂不含C3組分，由于工作溫度為-54℃，因此該泵簡稱為乙烯低溫泵。該泵尤其在冬季就會出現(xiàn)嚴重的機械密封泄漏問題，造成機泵檢修頻次高，運行時間短，對生產(chǎn)造成了極大影響。因此必須全面分析引起機械密封泄漏的各種原因，提出切實可行的措施。為此，從理論分析著手，尋找這類故障的原因，從而采取相應措施，以期徹底消除事故隱。
一、密封系統(tǒng)失效原因分析
圖1 機械密封示意圖
(一)摩擦副端面工況分析
輕烴泵的單端面接觸式機械密封，在其密封端面之間并不存在一個完整的液膜。密封端面之間產(chǎn)生的大量摩擦熱就會導致密封面溫度升高，從而促使端面間液膜汽化，而使液體變成蒸氣而發(fā)生相變。此外，由于輕烴介質的飽和蒸氣壓高于一個大氣壓，輕烴介質流經(jīng)密封端面間隙時產(chǎn)生壓力降低，必然在某一位置上發(fā)生汽化(相變)。從而按端面流體膜相態(tài)可分為液相密封、氣相密封以及氣液相混合密封(圖2)。通常在不同的流體膜狀態(tài)下，密封裝置的工作特征有很大區(qū)別。
液相密封密封端面之間充滿一層完整的液膜，見圖2((A)，泄漏可能以液體或氣體形式出現(xiàn)。其特點是膜壓系數(shù)為一定值，工作狀態(tài)穩(wěn)定，摩擦因數(shù)小，泄漏量也小。氣液混相密封密封端面之間充滿一層由液體和蒸氣形成的混合膜，見圖2(B)，泄漏以氣相形式出現(xiàn)。其特點是膜壓系數(shù)隨溫度不同而變化，工作狀態(tài)不穩(wěn)定，易出現(xiàn)明顯的氣噴振動、端面鳴叫等現(xiàn)象，密封端面摩擦磨損嚴重，極易出現(xiàn)早期失效。因此，其使用周期較短。當密封端面溫升過高使端面液膜完全汽化或當工藝操作條件波動使密封腔內介質都已汽化(即密封腔內介質壓力小于該溫度下的汽化壓力)時，端面間為全氣膜狀態(tài)，見圖2(C)該氣膜雖為穩(wěn)定氣膜，但密封端面處于干摩擦接觸狀態(tài)，會產(chǎn)生大量的摩擦熱，使端面溫度急劇升高。如果不采取較強的沖洗冷卻等調溫措施或立即穩(wěn)定工藝操作，密封面將嚴重燒傷，密封合金環(huán)端面可因熱裂而失效。
圖2 液膜狀態(tài)圖
(二)密封圈功能的失效
舊的機械密封的介質機封使用的是密封圈材質為硅橡膠、輔助密封為丁腈橡膠，由于主密封密封圈的硅橡膠不適合介質(C3～C10)組分，容易造成的溶脹腐蝕，因此造成主密封失效；而輔助密封密封圈用的是丁腈橡膠，其溫度適用范圍為-30℃～120℃，但是受密封介質成分復雜及工藝波動等原因，工作溫度有時一般會低于-30℃，最低可達-52℃度，此時當主密封有微量泄漏時，所泄漏的介質進入甲醇腔，由于進入的介質溫度低于丁腈橡膠所能承受的最低溫度，從而造成輔助密封圈失效。
(三)低溫輕烴泵抽空造成的失效
1．正壓抽空。正壓抽空是指泵腔內的介質工作壓力壓力高于一個大氣壓，但密封箱內介質壓力或密封端面流體膜壓力低于輸送溫度下介質的飽和蒸氣壓，使介質在密封箱內或密封端面之間發(fā)生汽化的現(xiàn)象。輕烴泵的來料流量及壓力的波動會引起正壓抽空，此時輕烴泵用機械密封處于不穩(wěn)定的氣液混相摩擦狀態(tài)或氣相干摩擦狀態(tài)，密封裝置發(fā)生故障的概率大為增加。其失效形式表現(xiàn)為密封環(huán)因端面干摩擦磨損劇烈而嚴重燒損、密封面產(chǎn)生鳴叫、間歇式氣噴振動、硬質合金環(huán)端面產(chǎn)生熱裂以及輔助密封圈熱脹龜裂等。
2．負壓抽空。生產(chǎn)中有時會出現(xiàn)瞬時負壓抽空，泵不能輸送液體介質，此時密封腔內介質壓力低于大氣壓力，作用在動環(huán)背面的閉合力(由彈簧壓力和介質壓力組成)小于作用在密封端面的開啟力(由端面接觸壓力和流體膜壓力組成)，動環(huán)將向左產(chǎn)生軸向移動，與靜環(huán)迅速脫開，由于此時兩端面間已是負壓，靜環(huán)在其背部大氣壓力的作用下可能與防轉銷脫開，并在其與動環(huán)間瞬間摩擦力的帶動下旋轉一定角度，使得整個密封裝置不能復位而失效。產(chǎn)生端面分離后，當壓力恢復正常時除了會產(chǎn)生瞬間異常泄漏外，動環(huán)或補償環(huán)可能會因輔助密封圈與軸(套)卡住而無法復位閉合或動環(huán)復位與靜環(huán)接觸不良產(chǎn)生端面偏磨引起密封失效。應當指出，若靜環(huán)背部有冷卻水時或采用雙端面密封有封液時，負壓抽空一開始便會有冷卻水(或封液)進到環(huán)端面縫隙中，在端面高溫下將產(chǎn)生汽化閃蒸，加劇補償環(huán)的脫開。綜上所述，工藝系統(tǒng)的操作不穩(wěn)定是造成輕烴泵機械密封抽空失效的主要原因。
二、使用干氣密封后解決的問題
當動密封按下圖所示的轉動方向轉動，氣體沿螺旋槽向內運行的槽根部，但動靜環(huán)內側環(huán)面在高速旋轉下，形成密封面，則氣體形成阻力，從而使動靜環(huán)間壓力升高，將兩環(huán)面分離，產(chǎn)生一定間隙形成氣膜。當密封力(簡稱閉力)與氣膜的壓力(簡稱開力)相等時，則動靜環(huán)密封面間形成0.0025～0.005m m 的恒定狀態(tài)的間隙。
圖3 干氣密封端面示意圖
