泵用干气密封技术及应用研究

文章编号:　1005—0329(2005)02—0001—04
第四届全国流体密封学术会议论文特集
泵用干气密封技术及应用研究
杨惠霞,王玉明
(天津新技术产业园区鼎名密封有限公司,天津　300384)
摘　要:　分析了泵用干气密封的工作原理、主要特点;根据工艺条件和环保要求,提出了不同工况下密封的3种典型布置方式及其辅助系统,指出了使用中应注意的问题;介绍了在液氨泵上采用双端面干气密封的一个应用实例。

该研究可为密封用户在关键装置的离心泵上选择、使用干气密封提供指导。

关键词:　干气密封;离心泵;零逸出;零泄漏
中图分类号:　TH136 文献标识码:　A
T echnology and I ndustrial Application of Dry G as Seals for Centrifugal Pump
Y ANG Hui2xia,W ANG Y u2ming
(T ianjin T iming Seals C o.,Ltd.,T ianjin300384,China)
Abstract:　The operating principle and main advantages of non2contacting dry gas seals over comm on contacting mechanical face seals used in centrifugal pumps are introduced.Several typical arrangements of dry gas seal and their corresponding controlling systems accord2 ing to w orking conditions and requirement of environmental protection are presented.Furtherm ore,the aspects to be paid close attention to in application are pointed out.Finally,an example of application for a double faces dry gas seal used in an amm onia pump is given. The g ood guidance for selection and application of dry gas seal in centrifugal pumps of key plant can be provided.
K ey w ords:　dry gas seals;centrifugal pumps;non2emission;non2leakage
1　前言
目前石油化工生产装置中用量最大的泵是离心泵,据统计约占全部用量的90%左右。

而离心泵最常用的轴端密封形式为机械密封。

对于普通的接触式机械密封,在选型合理、安装使用正确的情况下,被密封介质为清水、油类及类似介质时,其使用期一般不低于一年;被密封介质为腐蚀性介质时,其使用期一般为半年到一年。

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[1]。

由于石油、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,普通的接触式机械密封难以达到上述要求,因此必须研究开发非接触、无磨损、低能耗的新型机械密封以满足现代石化等企业发展的需要[2]。

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。

第一个干气密封的专利1968年在英国出现,1976年首次工业应用[3], 1983年开始推广应用。

干气密封最初是用在透平压缩机、膨胀机等高速旋转机械上,到目前为
收稿日期:　2004—11—04
止,已在化工、炼油、化肥、乙烯、化纤、天然气输送等行业获得广泛的应用。

20世纪90年代国外开始在中低速旋转机械如离心泵、搅拌釜中采用干气密封[4],国内最近几年才开始使用,目前其应用还处在初级阶段[5]。

因此,有必要加大对泵用干气密封技术的研发和推广应用力度,提高炼油、化工、食品、医药等行业旋转设备的使用周期和工作可靠性。

2　泵用干气密封的原理及主要特点
211　工作原理
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3～10μm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2～3μm。

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。

212　主要特点
(1)摩擦功耗低　由于干气密封的两密封端面被一薄层稳定的气膜所隔离而且密封腔内为低粘度的气体介质,因此干气密封的端面摩擦功耗和动环组件的搅拌摩擦损失要比液体润滑的密封装置的摩擦功耗小很多,一般两者消耗的功率之比约为:1∶10～20。

(2)无磨损运转,使用寿命长　对干气密封,由于两个相对旋转的端面是非接触的,在正常使用条件下,一般都可达到3年以上。

(3)无封液系统,能实现泵送介质的零泄漏或零逸出　封液系统不仅较为复杂、昂贵,而且存在着不可避免的故障危险。

利用干燥洁净的氮气源作为密封气来实现泵送介质的零泄漏或零逸出,不仅可以避免这些复杂因素,而且对泵送介质无污染;系统也较简单,可靠性较高。

213　主要技术难点
与高速透平压缩机用干气密封相比,离心泵用干气密封存在:
(1)结构尺寸受限制　离心泵填料箱径向空间相对较小,特别是对一些老泵轴封的改造时难度加大。

所以一般泵用干气密封的密封面相对较窄。

由于密封面必须包括起向下泵送作用的槽区和起密封作用的坝区两部分,因此泵用干气密封的端面结构参数(包括流槽的几何参数)的设计与透平压缩机用干气密封并不一样,其难度更大。

(2)转速低,动压效应小　由于离心泵主轴转速不高,为了尽可能提高密封在工作膜厚下的气膜刚度以增强密封工作的可靠性,在端面槽型的选择及其结构参数的优化上必须作特殊的考虑。

(3)性价比高　由于离心泵机器本身的价值比透平压缩机而言要小很多,因此泵用干气密封的预算资金相对于透平压缩机用干气密封低很多,这就要求其有较高的性价比。

因此在设计泵用干气密封及其控制系统时,应在保证密封和系统性能的前提下,必须充分考虑其经济性。

3　密封布置方式
根据被密封的泵送介质的特点、现场工艺条件以及对环境保护的不同要求,泵用干气密封常用的布置方式主要有以下3种[4,6,7,8]。

311　外压式双端面干气密封
外压式双端面干气密封由两套干气密封背靠背布置形成,其结构如图1所示。

两套密封间充入洁净的隔离气(一般为氮气),其压力高于密封腔被密封介质压力为0.2MPa左右。

这样进入密封腔中的隔离气一小部分通过内侧密封的密封面进入泵腔阻止被密封液体的泄漏,绝大部分隔离气通过外侧密封的面封面进入环境中,进入环境的隔离气与被密封的液体介质不接触,为洁净的隔离气,完全符合环保要求。

为了防止因外供隔离气意外中断而使内侧密封打开,内侧密封采用双平衡结构设计,这样不管内侧密封承受正压差
(隔离气压力高于被密封液体压力)或负压差(隔
离气压力低于被密封液体压力)作用,内侧密封都是平衡型,都能实现密封。

内侧密封和外侧密封静环(或动环)密封面上的流体动压槽刻在密封面的外径处。

该种布置方式主要适用于各类不含固体颗粒的介质,保证被密封的工艺液体介质实现“零泄漏”或“零逸出”。

图1　外压式双端面干气密封结构示意
312　内压式双端面干气密封
图2所示为内压式双端面干气密封结构。

采用两套干气密封顺序布置,中间充入洁净的隔离
气,隔离气一般采用工业氮气,其压力高于密封腔
介质压力0.3MPa 左右,过滤精度为1
μm 。

由于内侧密封承受内压作用,依靠“气体阻塞”作用和离心力作用,能有效地防止液体介质中的固体颗粒进入密封面。

内侧密封动环(或静环)密封面上的流体动压槽刻在密封面的内径处,而外侧密封静环(或动环)密封面上的流体动压槽刻在密封面的外径处。

这种布置方式主要适用于各类含固体颗粒的液体介质。

图2　内压式双端面干气密封结构示意
313　串联式备用干气密封
干气密封与接触式机械密封串联布置,内侧
机械密封为主密封,外侧干气密封为备用密封,其
结构如图3所示。

在机械密封与干气密封间充入一定压力的洁净缓冲气(一般为氮气),该压力低于被密封的液体介质压力。

干气密封非接触运行,保证主密封具有一定的背压,能有效地降低甚至避免因主密封端面间液膜的气化(或汽化)而引起的主密封工作不稳定,极大地延长了主密封的使用寿命。

主密封泄漏的工艺介质随密封气排入火炬,保证工艺介质不向大气泄漏。

一旦主密封失效,干气密封能在短时间内起到主密封作用,防止工艺介质向大气大量泄漏。

这种布置方式适用于轻烃、低温类易挥发性介质,特别是泵送介质压力较高的场合。

图3　串联式备用干气密封结构示意
4　泵用干气密封测控系统
泵用干气密封测控系统主要有两个方面的功用:
(1)提供干燥、洁净、稳定的气源;
(2)对密封运行状况进行监控,一旦气源压力
出现异常或密封失效时产生报警。

泵用干气密封测控系统的构成上包括三大块:过滤单元、压力调节单元、密封泄漏量和供气压力监控单元。

双端面干气密封的测控系统如图4所示。

5　应用实例
某公司化肥部合成氨装置的液氨泵(G 3101)为一国外进口的卧式单级悬臂离心泵,现场安装两台,一开一备。

其作用是将液氨从球罐输送到尿素装置的高压氨泵。

图4　双端面干气密封测控系统原理示意
液氨泵的操作工况:输送介质:液氨;进口压力:0.435MPa(A);入口温度:-4～0℃;出口压力:1.755MPa(A);氮气密封压力:0.7MPa;密封介质:CH3OH;最小流量:10m3/h;最大流量:80m3/h;额定流量:64m3/h;电机转速:2945r/min;密封轴径:47.63mm。

该泵原轴封采用串联式机械密封。

内侧和外侧密封均为大弹簧平衡型接触式机械密封,内侧密封为内压外流式,外侧密封为外压内流式结构。

内侧机械密封通过叶轮上的平衡孔借助液氨从叶轮背面到叶轮入口的自循环来实现内侧机械密封的自冲洗,冲洗液压力在1.0MPa(G)左右。

在内侧密封与外侧密封之间采用甲醇作为缓冲液,利用高位罐和在外侧密封动环上加工出的径向泵送叶片实现甲醇的循环冲洗,外供氮气用来维持缓冲液的压力,该压力保持在0.6～0.7MPa左右。

投入使用以来,液氨泵的备件逐步实现了国产化。

使用国产化的机械密封,密封件频繁失效,每年检修达30次以上,检修频率最高的一段时间是一个月内检修达7次之多。

氨泵的频繁检修,不但严重影响了装置的正常运行,而且造成了液氨的损失(每次排放的液氨约在0.5t左右),同时液氨的排放还造成了一定的环境污染。

根据该泵的操作条件和现场气源条件,采用外压式双端面干气密封方案对该泵轴封进行技术改造,密封结构如图1所示,其中硬质静环密封面槽型采用单向旋转的双螺旋角三维螺旋槽[9]。

密封隔离气采用中压氮气,经减压、过滤后的密封气压力设定为1.25MPa,密封控制系统如图4所示。

改造后的双端面泵用干气密封于2002年7月投入使用,一次开车成功,到目前已连续、平稳地运行了2年多。

干气密封的成功使用,确保了装置的长周期正常运行;不仅减轻了现场维修人员的工作强度,而且省去了原密封运行需要的甲醇费用(每年约15～20桶),完全消除了由于原密封的频繁检修造成的液氨的排放,实现了被密封介质液氨的零泄漏和零溢出。

6　结语
实践证明,对于易气化、易挥发、危险性大的液氨泵轴封采用双端面干气密封完全可行,可以保证装置长周期安全运行的要求,实现被密封介质液氨的零泄漏和零逸出。

泵用干气密封在使用中应注意:
(1)对于双端面干气密封,启动离心泵前必须先充入氮气,氮气压力要求比密封腔内被密封的液体介质压力高出0.2～0.3MPa。

密封腔内液体介质压力可以根据泵本身的结构、轴向力平衡方式进行估算。

而且还建议采用一个压力表进行实测。

(2)在使用过程中要定期检查过滤器的状态,当过滤器使用一段时间,由于杂质堵塞滤芯,过滤器两端压降增大超过一定值时应及时更换滤芯(更换前应先切换过滤器);对于手动排液的过滤器应及时排液。

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纹尖端的作用,从而大大提高了材料的韧性。

液相烧结的SiC2Y AG2Al2O3,韧性最高可达10MPa・m1/2,比固相烧结的SiC2B2C等要提高1倍多。

由于液相烧结,烧结温度大为降低,SiC的晶粒在烧结过程生长不快,材料最后晶粒尺寸为1～2μm,比固相烧结的SiC晶粒小得多,从而使其强度几乎成倍地增加。

从烧结温度来看,液相烧结的碳化硅陶瓷烧结温度比固相烧结的低100～200℃,在工业化生产过程中对降低能耗有非常重要的意义。

但由于烧结添加了含氧化铝、氧化钇等化合物,它们是否适合在石化、重化工的机械密封中应用,还需要进行研究与比较。

它与其它摩擦副配对,也需进一步考核。

4　结论
共价键性能极强的碳化硅材料采用不同烧结的添加剂,其烧结机理从固相烧结发展到液相烧结可使SiC材料的性能几乎成倍得以提高。

从应用角度上,烧结温度降低是一个技术上的突破,将对碳化硅材料的发展起到极好的促进作用;但是对它的耐化学腐蚀性、耐摩擦磨损性能还需进行深入研究,以考察其能否真正适用于机械密封行业。

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作者简介:谭寿洪,教授,博导,通讯地址:200050上海市定西路1295号中国科学院上海硅酸盐研究所。

(上接第4页)
(3)停机后气源不能停,必须照常供气。

拆泵时先排尽泵内液体,再停气。

在装置大检修期间可采用备用氮气瓶,由于干气密封的泄漏量很小,静泄漏量极低,两个可互相切换的氮气瓶可使用很长时间。

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作者简介:杨惠霞(19672),男,工学博士,副教授,主要从事高速大机组轴端密封和中低速泵、釜密封的研究开发工作,通讯地址:300384天津市华苑产业区桂苑路14号鼎名公司研发部。