雙端面干氣密封在丙烯腈裝置硫銨泵上的應用

魏軍禮　郭延雄

摘 要：本文主要分析了丙烯腈裝置結晶器循環泵軸封故障原因，介紹丙烯腈裝置結晶器循環泵干氣密封的改造過程和應用情況，并說明干氣密封使用過程中的注意事項。

關鍵詞：離心泵;軸端密封;干氣密封;設計改造

1丙烯腈結晶器循環泵P-902的現狀

1.1泵型介紹

丙烯腈裝置lll結晶器循環泵P-902泵是臥式離心泵，型號為3175 14x14-22H，該泵是硫銨裝置的關鍵設備，它的停機將使整個裝置無法正常運行，其主要操作條件如下：①工藝介質：濃度30%-40%的硫銨液;②介質溫度：78 0C;③流量：800_1200m3/h;④揚程：16m;⑤轉速：590r/min。密封改造前該泵的軸封為四川日機生產的大彈簧單端面機械密封，機封型號：CM4-115-E109。

1.2泵密封失效原因分析

P-902泵是硫胺裝置的關鍵泵，將結晶器內的濃度在30%-40%左右，溫度為780C的稀硫胺液送人結晶加熱器。據統計僅2017年下半年至2018年初，該泵因密封失效檢修高達6次，幾乎每次停車都會發生泄漏，影響正常生產的同時消耗大量備件。主要原因是介質中含有結晶顆粒，極易對密封端面造成磨損;其次由于結晶物堵塞自沖洗管線，導致密封端面在運行過程中聚集大量的熱無法帶走，液膜汽化，致使密封摩擦副干摩擦，動靜環產生熱裂;還有開停泵時泵腔溫度波動過大，結晶物加快吸出，堵塞補償機構，使機封無法軸向浮動。

2泵軸封改造目的

①提高P902泵機械密封的使用壽命，能連續使用兩年以上;②能減少檢維修次數，降低勞動強度;③能降低檢維修成本，提高設備良好運行。

3干氣密封設計

3.1干氣密封原理

泵用于氣密封在結構上與普通機械密封顯著不同的是動環和靜環密封端面較寬，一般在動環密封端面上加工出特殊形狀的流體動壓槽，在槽之間的平臺稱為密封堰，它阻止了氣體圓周方向的流動，可加大升壓作用。在槽的內徑和動環內徑之間的平臺稱為密封壩，它能保證螺旋槽產生足夠的壓力，還能保證密封在靜壓時不發生泄漏。當動環高速旋轉時，動環上的螺旋槽將外徑處的高壓氣體向下泵入密封端面間，氣體由外徑向中心流動，而密封壩節制氣體流向中心，于是氣體被壓縮引起壓力升高在槽根處形成高壓區，使得兩個密封端面之間形成端面氣膜，從而實現非接觸密封。

3.2設計

3.2.1干氣密封方式

密封結構采用雙端面于氣密封，南旋轉環、靜環、彈簧、密封圈以及彈簧座和軸套組成。兩套干氣密封順序布置，靠近介質側的密封，由于其受介質內壓的作用，與復雜工況直接接觸，因此將流體動壓槽刻在密封環內徑處，依靠“氣體阻塞”作用和離心力作用，能有效防止液體介質中的固體顆粒進人密封面。內側密封會有微量介質泄露進入外側密封腔內，外側密封的流體動壓槽刻在密封面的外徑處，可有效防止固體小顆粒竄人密封面間隙。在兩組密封之間通人氮氣作密封氣體而成為一個性能可靠的密封系統，控制氮氣的壓力使其始終維持在比輸送介質壓力高0.2 - 0.3MPa的范圍，使密封氣泄漏的方向總是朝著輸送介質和大氣，從而阻止了介質的泄漏。這樣泵的雙端面于氣密封動環旋轉時，密封氣體在兩個密封端面間形成氣膜。正常條件下，作用在密封面上的閉合力等于開啟力，密封工作在設計狀態。當受到外部干擾，氣膜厚度減小，則氣膜反力增加，開啟力大于閉合力，迫使密封工作間隙增大，恢復至正常值。相反，密封氣膜厚度增大，則氣膜反力減小，閉合力大于開啟力，密封面合攏恢復到正常值。

3.2.2材質選擇

硫胺泵雙端面干氣密封雖然在工作時端面非接觸，但在開車時仍會有短暫的接觸，這就要求配對材料的耐磨性好通過各類硬質材料物性的對比，綜合考慮成本因素，本次改造選擇SiC作為動環材料;靜環采用耐磨石墨EK3205，考慮到泵輸送介質含有丙烯腈、乙腈、氫氰酸、硫銨等腐蝕性介質，彈簧及其它輔助零件材質選用316L。

4改造后使用效果

此次干氣密封改造于2018年6月在丙烯腈裝置現場安裝使用，到現在為止已經穩定運行6個月，經歷了裝置的多次開、停工及因晃電造成的突然停機等多種工況的考驗，密封的各類運行參數都在設計指標內，并且密封性能穩定、可靠。通過（表1）雙端面干氣密封與雙端面機械密封對比表可以看出干氣密封具有很大的優勢。機泵運行平穩，表明干氣密封的改造是完全成功的。

5不足和需要改進的地方

在干氣密封的使用過程中，建議建立和干氣密封匹配的監測控制系統，使得操作人員可以監測干氣密封系統運行在最佳設計狀態。當密封失效時能自動報警，有利于維修人員能以最快的速度到達現場處理故障。