機械密封在易聚合化工介質中的應用

蘇景武 姜海燕

(青海鹽湖鎂業有限公司)

機械密封在易聚合化工介質中的失效頻率大大高于其他化工裝置，而隨著整個中國市場對各種高性能聚合物的大量需求(如聚丙烯、高密度乙烯、丙烯酸以及各類樹脂等)，國內在未來幾年內又將新建很多易聚合化工介質裝置，所以在工程設計階段根據不同的條件(技術和經濟)選擇合適的密封和系統將對裝置的穩定運行起到非常重要的作用。易聚合化工介質生產中需要大量的離心泵輸送制造各種高性能聚合物以及各種中間產物和催化劑，由于流程中各種介質活潑的化學性質及聚合產物的易結晶特性，使得裝置在短期內需要停車清焦，同時，結焦/顆粒等會對機械密封產生巨大的傷害。

1 介質情況

以丙烯酸工藝為例：

熔點 14℃

沸點 141℃

相對密度 1.05

溶解性 與水混溶可混溶于乙醇、乙醚中

聚合性 易與醇類在一定條件下發生聚合反應，同時也容易發生自聚合

丙烯酸脂包括以丙烯酸為基礎原料的各種脂類，均為易燃易爆易聚合之物質；換熱劑(常用的為狄菲爾換熱劑)為鄰苯二甲酸二甲酯、甲苯、對甲苯磺酸，部分物質能在常溫條件下聚合并形成堅硬的復雜聚合物。

2 常見密封結構對比分析

2.1 背靠背雙端面密封結構

傳統的背靠背雙端面密封結構較簡單(圖1)，方便設計和選型，標準化程度高；缺點是應用覆蓋面比較小，對于易聚合物質比較敏感。

圖1 背靠背雙端面密封結構

對于聚合程度一般的聚合物單體，只要對密封緩沖液或沖洗液有效控制，以及停車前進行必要的吹掃，該類型密封可以滿足使用要求。但是，個別工藝介質中往往含有一些輔助成分，當介質溫度降低的時候，該組份會與介質發生復雜的聚合反應，所產生的聚合物在冷卻之后形成硬度不等的固體物質，且牢牢粘附于金屬及密封面區域，從而對密封產生致命的損害。圖2是聚合顆粒對雙端面密封破壞失效的現場照片。

圖2 雙端面密封結構破壞情況

2.2 單端面靜止型密封

單端面靜止型密封結構(圖3)特別適合含顆粒和粘稠介質的工況。與介質接觸區域外表面十分平滑,無死區,介質不易堆積,即使在停車時有部分介質粘附在其表面,也不會產生額外扭矩,而且隨著溫度的升高和自身的離心力作用,粘附物質將會脫離密封區域。由于采用單端面結構，相對來說密封成本比較低，而且不需要復雜的密封系統來支持。

圖3 單端面靜止型密封結構

單端面靜止型密封在沖洗液供應不穩定的情況下容易失效，同時由于沒有密封輔助系統，對于密封的泄漏狀況無法進行有效監控。在密封面嚴重損壞的情況下，介質有大量泄漏到大氣中的可能，對環境和人造成傷害(在現代裝置中已經較少采用)。

2.3 靜止型雙端面密封

針對以上兩種情況，筆者推薦采用靜止型雙端面密封(圖4)，并且在實踐應用中取得非常良好的效果。

圖4 靜止型雙端面密封結構

靜止型雙端面密封的優點：

a.雙端面，雙向平衡，可承受反壓;

b.密封面附近無死區, 介質不易堆積;

c.密封面接近葉輪背面 ;

d.硬對硬材料密封面導熱耐磨;

e.彈簧受保護;

f.O形圈采用FFKM(全氟醚橡膠),可以選擇Karez6375或Chemraz605;

g.封液引流裝置改善冷卻性能，緩沖液直接流向密封面;

h.附加螺紋泵，加速封液循環, 提高冷卻效率;

i.允許較大的軸向竄動;

j.允許較大的徑向跳動。

靜止型雙端面密封的缺點是相對來說密封制造價格比常規API682的密封高，屬于工程密封。

2.4 泵用干氣密封

隨著密封技術的發展，傳統的機械密封在使用壽命、密封液的泄漏對工藝造成的影響(副產物)以及能耗等方面都無法和先進的泵用氣體密封相比。其卓越的性能已獲得廣泛認可，一般推薦的密封結構如圖5所示。

圖5 泵用干氣密封結構示意圖

泵用干氣密封在國外目前正在逐步推廣(部分采用對現有常規密封的改造),但成本較高,對維護人員的能力要求很高，密封比較敏感,需要相對寬敞的密封腔并且在密封和葉輪之間還需要一定的隔離裝置(如隔離氣),也就意味著需要兩套氣體系統的支持。所以泵用干氣密封在國內的推廣和使用還需要謹慎，需要在設計、運行及維護等各方面都準備充分的情況下才能使用。

3 密封輔助系統

機械密封的穩定運行需要有完善的輔助系統支持。一套先進的輔助系統可以完成密封潤滑、隔離介質、補液、冷卻以及泄漏監控等多種功能，筆者在常規的API682 Plan53A的基礎上結合53B的部分功能推薦一種自動補液系統如圖6所示。

圖6 自動補液系統流程圖

由于易聚合化工介質中大部分泵的壓力都很接近，而且都采用有壓的雙端面結構，因此在設計密封輔助系統的時候，可以考慮采用同一壓力源對每套密封進行補液(穩定壓力)。

以上系統除了正常的密封輔助功能外，還實現了密封泄漏量的監控及實時補液，從而可以使裝置操作人員可以在DCS控制室內掌握密封的具體使用情況，減少了現場巡視的時間。

4 注意事項

在停車時仍然保證密封腔的壓力十分重要,如果不保壓,介質將進入密封面之間,冷卻后在密封面之間結晶或聚合(有時候聚合物具有很強的粘附力),重啟泵時將產生巨大扭矩，從而導致密封面破裂。在設計階段，為系統設定必要壓力報警參數或聯鎖十分必要。

由于易聚合化工介質中管路容易結焦，所以一般停車間隙比較短，尤其是新裝置在開車初期的不穩定階段，有時候甚至每月都要停車清焦。實際上管路中最容易結焦的地方是密封區域的死區，常規的管路吹掃不能起到清洗作用，這時，短時間增加一路通往密封腔的外沖洗將有效改善密封的使用環境，從而延長密封的使用壽命。開車之前進行手動盤車可以確保密封面周圍沒有結焦。

5 結束語

機械密封的正確選型和操作在易聚合化工介質中有著非常重要的作用，而且根據工藝的種類，現場的條件，投資預算，操作人員的水平等條件的不同，在設計階段需對密封方案進行不同的選擇，以最大程度滿足工程的需要。