己內酰胺輸送泵機械密封泄漏處理方案淺析

丁曉峰

(湖南百利工程科技股份有限公司上海分公司,上海 200127)

己內酰胺輸送泵機械密封泄漏處理方案淺析

丁曉峰

(湖南百利工程科技股份有限公司上海分公司,上海 200127)

本文針對己內酰胺裝置中,對己內酰胺輸送泵機械密封泄漏的常見原因進行了分析,主要包括彈簧式機封失效、機械密封局部溫度過高和密封端面磨損等,并有針對性地提出了可行性的整改方案,且在實際應用中效果良好。

己內酰胺輸送 密封泄漏 原因 整改

己內酰胺是重要的有機化工原料之一，主要用途是通過聚合生成聚酰胺切片，國內通常稱之為尼龍6切片或者錦綸6切片，可進一步加工成錦綸纖維、工程塑料以及塑料薄膜等。在己內酰胺裝置中，有多臺己內酰胺輸送泵，在實際生產運行中，多次因發生泄漏而進行檢修，更換機械密封部件，這一方面增加了裝置的運行成本，二對裝置的平穩運行，連續生產帶來較大隱患。為徹底消除該隱患，需對該泵的機械密封泄漏原因進行綜合分析并進行針對性改造，下文將具體闡述機械密封改造工作的實施要點。

圖1 機械密封示意圖

圖2 機械密封沖洗方案21示意圖

1 機械密封

機械密封主要部件是動環、靜環及一些輔助密封構件，如：彈性元件(彈簧或者波紋管)，密封“O”型圈，彈簧止推座以及防轉銷等構成。

機械密封的工作原理：機械密封主要是依靠動環和靜環之間相對滑動的端面在流體壓力和補償機構的彈力作用下保持貼合，并配以輔助密封而達到阻漏的目的。所以在機械密封的使用過程中，動環、靜環的光滑清潔以及這兩個元件的貼合程度，對機械密封的使用效果起到至關重要的作用。

動環和靜環之間彼此貼合并作相對轉動的端面是機械密封裝置中的主密封，也是決定機械密封性能和使用效果的關鍵。為了使密封端面之間保持必要的潤滑液膜，并帶走相對轉動時產生的熱量，因此沖洗液的選擇和來源就非常重要了，根據工藝要求和泵送介質特點，既可以選擇從泵出口引入的自身輸送介質，作為自沖洗介質；也可以從外部引入清潔，符合工藝要求的外沖洗介質。

圖3 機械密封沖洗方案01示意圖

圖4 機械密封沖洗方案62示意圖

2 機械密封泄漏的原因分析

隨著社會的進步和發展，工廠對機泵設備中密封的要求越來越高，在正常運行中要求機泵設備盡可能地減少滴漏現象。與以往的填料密封相比，機械密封在防泄漏方面的優勢非常明顯。但是機械密封在長期的運轉中，由于其本身的機械運行壽命以及實際運行工況與設計預期不同等原因，仍會出現密封實效，繼而出現泄漏現象。機械密封的泄漏不僅會干擾整個工廠的生產進度，而且很有可能會造成安全事故和經濟損失，所以機械密封在選型時一定要根據使用工況，選擇合適的機封類型，結構，密封副材料以及沖洗方案，確保其運行可靠和穩定。機械密封的泄漏往往出現在如下部位：密封端蓋和泵體之間泄漏、靜環座與靜環之間的泄漏、軸套與軸之間泄漏、動環和靜環之間泄漏、動環和軸之間等等。

2.1 己內酰胺輸送泵機械密封結構

在我公司對國內某家己內酰胺生產企業進行前期項目調研和考察時，業主反應己內酰胺輸送泵機械密封，多次出現泄漏，經更換密封附件，但效果一直不太理想，機械密封拆除后，發現主要問題為：(1)大彈簧內存在己內酰胺顆粒；(2)密封腔內有己內酰胺顆粒；

(3)主密封副端面，也就是動靜環接觸面有劃痕和磨損。

經了解己內酰胺輸送泵機械密封在原設計中采用的是傳統大彈簧機械密封，彈簧材料為316不銹鋼，主密封副為碳化硅(SiC)對石墨，輔助密封O型圈材料為氟橡膠。因為輸送介質液態己內酰胺的溫度在120℃～140℃之間，所以密封沖洗方案選擇API 682中標準沖洗方案21，即Plan21。

2.2 密封失效原因分析

(1)大彈簧內存在己內酰胺顆粒。從業主反饋意見看，己內酰胺輸送泵在運行初期或者停車再啟動后，容易發生機械密封的泄漏，泄漏量初期較小，但隨著運行時間增加，泄漏量不斷加劇。己內酰胺顆粒在在彈簧內沉積、結聚，導致彈簧在運轉時喪失回彈性而引起機械密封的泄漏。

我們分析后認為，己內酰胺介質特性較為特殊，其溶點為70℃，在該溫度以上，介質為液體，流動性較好，但在70℃以下時，介質容易發生自聚現象，導致結塊或者顆粒產生。所以泵送介質溫度較高，通常要維持在120℃以上。120℃的泵送介質，如果要采用自身介質作為機械密封沖洗液，通常無法采用自沖洗11方案，而需采用設置沖洗介質冷卻器的21方案，所以初始的機械密封沖洗方案從理論上并沒有選擇錯誤。但是忽視了介質特點，特別是在開車預熱階段，由于泵沖洗液是從泵殼體出口法蘭處引出，經過孔板限流和冷卻器冷卻后再到機械密封的循環流程，但在預熱期間，泵進出口之間壓差小，導致在密封腔循環的沖洗液的流動不僅流動緩慢而且流量小，在經過裸露的沖洗管線和冷卻器后，沖洗液冷卻溫度過低，導致介質在低溫下自聚，產生顆粒，慢慢集聚在大彈簧內，最終引起彈簧失彈。

(2)密封腔內有己內酰胺顆粒。同理在停車后，再次啟動時，雖然在離心泵停車后，會對泵進行吹掃，排除泵內殘液，但在機械密封腔內仍會存在少量殘余液體，在停用后，同樣由于溫度原因產生自聚結塊現象，最終導致密封腔內積聚己內酰胺顆粒。

(3)主密封副端面，也就是動靜環接觸面有磨損。從上文的描述中我們可以知道在低溫情況下，己內酰胺會自聚形成顆粒。自聚形成的顆粒，對主密封副的傷害非常大，由于主密封副為常見的碳化硅對石墨材料，也是最常用的硬對軟結構，利用石墨材料優良的自潤滑性能，摩擦系數低，也不易與接觸的金屬咬合的優點。但在此例應用中同樣忽略了，隨著己內酰胺顆粒進入密封副后，造成密封端面貼合不緊密，同時靜環石墨端面由于材質偏軟，在遇到顆粒地情況下，表面受到劃傷和磨損，加上動環軸向補償不及時，密封泄漏量增加從而使密封失效而介質大量泄漏。

3 整改方案

針對上述機械密封在使用過程中存在的主要問題，我們進行認真分析，認為并和國際知名機械密封生產企業博格曼(Burgmann)的技術工程師進行探討后，在我公司后續的己內酰胺項目同類離心泵的機械密封選型中作出如下調整：

3.1 采用機械密封沖洗方案01+62

從圖3可以看出，Plan 01最大的特點是機械密封的沖洗介質從泵出口引出，通過泵體上內部通道對機械密封進行沖洗，然后再返回泵腔的內部循環過程。采用01方案的優點是避免了21方案裸露在外側的密封沖洗管路，以及取消了21方案所必須采用的冷卻器，簡化了密封管路。采用01方案后，即使在泵開車預熱階段，由于機械密封沖洗液是采用內部循環，并且在泵頭保溫夾套的作用下，使得整個泵頭的溫度基本保持穩定，避免了局部流動性差，且溫度過低而導致存在己內酰胺冷卻自聚結塊的可能性。

另外，我們同時在靜環背部增加了如圖4的62方案，建議采用90℃熱水或者低壓蒸汽作為急冷介質，對靜環背部進行保溫，這樣無論在泵正常工作狀態還是在停車階段，均可以用熱水或者低壓蒸汽進行保溫，防止了己內酰胺顆粒在機械密封大氣側集聚。

3.2 采用旋轉式高溫波紋管結構

因為采用了01方案，導致正常運轉時高溫介質直接進入機械密封進行沖洗，因此動環選擇高溫波紋管代替傳統大彈簧結構。常用波紋管有靜止式和旋轉式兩種結構，由于旋轉式金屬波紋管薄片在旋轉過程中具有自清洗作用，可將少量己內酰胺顆粒從波紋管中甩出，因此比較適合在該工況下使用。

3.3 主密封副材料采用碳化硅(SiC)/碳化硅(SiC)

由于原選型中的密封副采用碳化硅對石墨，而石墨材料的強度以及耐磨性較差，所以將密封副材料調整為硬對硬結構，即使在泵運行過程中，產生少量己內酰胺顆粒，也不會對碳化硅密封副造成太大磨損。

3.4 輔助密封材料采用柔性石墨

原來選用的氟橡膠O型圈的最佳適用溫度在150℃以內，考慮到調整后的沖洗方案是將高溫己內酰胺液體直接進入機械密封，在實際運行過程中，密封腔內溫度存在超過150℃的可能性，而導致氟橡膠老化，溶脹和龜烈等現象而導致輔助密封實效。因此我們在選型中，輔助密封采用全氟醚橡膠，美國杜邦公司的Kalrez 6375材料，其具有優良的耐腐蝕性，最高工作溫度可達到250℃，并具有良好的彈性和回復性，拆裝過程中可重復使用，因此保證了輔助密封在長期運行中的穩定性和可靠性。

4 結語

在我公司后續承擔得己內酰胺裝置中，對己內酰胺輸送泵機械密封方案和材料進行上述調整后，機械密封效果立竿見影，在正常操作運行中無非正常泄漏現象發生，極大地提高了離心泵運行的可靠性，減少了無謂的停泵檢修，將低了業主的檢維修成本，獲得業主好評。

從這個問題上，我們也可以看到，雖然機械密封自身的使用壽命，質量，安裝精度等是機械密封泄漏的主要原因，但不可否認得是，有相當比例的機械密封泄漏原因則歸咎于密封選型問題，所以在設計階段，需要更多地考慮到泵送介質的工藝特性，特別是面對易汽化，易結晶等工況，在進行密封沖洗方案和材料選擇時，需要和泵廠以及密封廠多進行溝通，以確定最優化方案。

[1]高武民.機械密封的失效原因分析及實際應用.密封技術[J].石油化工設備技術,2013(02).

[2]賈淑芬,王志強.機械密封的失效分析及預防[J].中國氯堿,2013(04).