淺談副葉輪動力密封泵的應用

閆孝龍

（大慶煉化公司，黑龍江 大慶 163400）

1 作業區概況

大慶煉化公司化工生產一部硫銨作業區含兩套裝置，硫銨一套裝置于1992年開始施工，1995年建成投產，年設計運行8000小時。是煉化公司化工生產一部丙烯腈作業區的配套環保裝置，主要用來回收上游丙烯腈作業區的副產物－稀硫酸銨溶液。裝置生產采取強制外循環加熱、-0.08Mpa減壓蒸發等操作，使丙烯腈作業區來的稀硫酸銨溶液提濃至過飽和溶液，經過干燥、包裝最終實現回收成品硫酸銨的目的。硫銨二套裝置是煉化公司為解決聚丙烯酰胺作業區生產過程中含氨廢氣的排放問題新建的配套裝置，原料為濃度約25%的硫酸銨溶液，來源主要是聚丙烯酰胺作業區尾氣中的氨氣用稀硫酸作為吸收液進行吸收后產生，裝置于2011年開始施工，2012年10月建成投產，設計生產能力：1.5萬噸硫酸銨/年。由蒸發結晶、離心分離、干燥、包裝等工序組成。

2 改造原因

硫銨作業區一套裝置料將泵P-2003S，二套裝置二效出料泵P-1005A/B、三效出料泵P-1006A/B和母液泵P1010A/B/S輸送的硫銨液為過飽和溶液、物料濃度高、固體顆粒含量較大、腐蝕性強。原機泵采用雙端面機械密封，生產運行時以及機泵在啟停的過程中由于密封腔內的壓力變化會導致部分結晶顆粒夾在機械密封的動環、靜環之間，加速了動環、靜環的腐蝕、磨損，導致機械密封泄漏頻繁，平均每運行8000小時左右需更換一套新的機封，無法滿足公司制度中運行24000小時使用壽命要求，大大增加了設備維護費用，同時機封泄漏后機封水竄入蒸發系統，系統濃度降低，影響裝置平穩生產,蒸汽單耗上升。針對上述問題，經與廠家和維修單位結合，開展技術攻關，決定將上述機泵由機械密封改造為副葉輪流體動力密封，取消原有機械密封，減少機封更換數量，降低機泵維修頻次。

圖1 改造前泵體機械密封腐蝕磨損泄漏圖片

3 副葉輪動力密封泵介紹

3.1 副葉輪動力密封泵工作原理

副葉輪動力密封是一種無接觸的旋轉式密封結構,又稱流體動力密封。副葉輪流體動力密封主要工作原理是在葉輪后蓋板背面附近處同根軸的反方向增加一個新葉輪。副葉輪與工作葉輪之間用隔板進行隔離，新增副葉輪的表面有6條葉片，葉片高度約8mm，與垂直方向偏移約35度角，副葉輪葉片彎曲方向與泵體入口處葉輪葉片彎曲方向相反，當泵在正常運行時，會有一部分硫酸銨液體自工作葉輪后蓋板處泄漏至副葉輪處，此時副葉輪隨泵軸一起旋轉，副葉輪中的液體也會隨著葉輪一起旋轉，轉動的液體會產生一個向外的離心力，因副葉輪葉片彎曲方向與入口處工作葉輪方向相反，副葉輪產生的離心力與工作葉輪產生的離心力相反，兩個方向的力相互作用平衡，頂住了流向填料密封處的液體，降低了填料密封處的壓力，進而起到了密封的效果。

圖2 流體密封泵結構圖

3.2 副葉輪動力密封泵優點與不足

副葉輪動力密封泵可以克服填料密封壓力不足的缺點和機械密封周期性腐蝕磨損泄漏的問題,特別適合用于類似過飽和硫酸銨這類具有較強腐蝕性并且含有大量結晶顆粒的介質,同時，結構簡單,改造方便易于實施，機泵正常運轉時具有密封可靠、無泄漏、不存在機械磨損、可靠性高、使用壽命長等優點。同時副葉輪除了能夠阻止硫酸銨液體泄漏外，還起到了平衡泵體運行產生的軸向力的作用，泵運行時，軸向力主要是由液體作用在工作葉輪上的壓差力產生的，隨副葉輪旋轉的液體作用在副葉輪上壓差力的方向與工作葉輪上的壓力方向是相反的，這樣便可以平衡一部分軸向力，因軸向力的平衡，同時，還起到了延長軸承使用壽命的作用。

但是，使用副葉輪動力密封泵也有一定的不足，首先，機泵運行時，在新增副葉輪上要消耗一部分機械能，新增的副葉輪會使泵的運行效率降低2%～3%，功率增加5%～10%；其次，副葉輪密封僅在泵運轉時起作用，因此，停車時必須配備停車密封裝置，同時該技術因密封不嚴存在一定的泄漏，無法用于輸送易燃易爆有毒有害介質的機泵改造。

3.3 副葉輪動力密封泵停車密封

因副葉輪動力密封泵必須在泵正常運轉時才能產生反向的離心力進而起到密封作用。所以在機泵停止運轉時，需要在副葉輪后方加停車密封來阻止泵體出入口管線的靜液柱壓力產生的泄漏。泵的停車密封采用的是填料密封。其密封機理為：填料在壓蓋壓緊力的作用下被壓緊，使填料密封受擠壓徑向擴張，擠壓在軸面上，并產生大于泵體出入口管線靜液柱壓力的徑向壓力，進而達到阻止停泵時硫酸銨外漏的目的。其次，機泵正常運轉時，因副葉輪動力密封的作用，使溶液不能泄漏至填料密封處，此時，填料密封還起到了防止大量空氣從泵體外部進入泵體的作用。填料密封材料可以使用柔性石墨填料、軟填料、聚四氟乙烯圈等。因石墨本身具有自潤滑特點，所以，作業區改造的泵采用的均為柔性石墨做密封填料，此外，停車填料密封在使用中還存在以下問題：（1）填料密封作為停車密封壽命較短，一般使用在2～3個月。（2）填料壓緊時，密封效果基本上能滿足出入口管線靜壓的密封，但軸套磨損嚴重。（3）填料密封壓力在管線沖洗時不夠，機泵停車后沖洗管線時沖洗液經常發生外漏。

4 改造后效果（如圖3）

圖3 改造后的現場機泵圖片

首先，經過機泵改造，目前裝置機泵維修頻次大幅度降低，延長了機泵的維修周期，每年可以節約更換機械密封8套，節約機泵維修費用約2萬元。同時，節約因機械密封內漏故障而竄入系統的密封用脫鹽水約150噸，節約脫鹽水費用0.29萬元，節約因脫鹽水竄入蒸發系統導致系統濃度降低而重新蒸發用蒸汽240噸，節約蒸汽費用4.68萬元，合計節約生產成本約6.97萬元/年。因機械密封腐蝕泄漏減少，裝置的現場工作環境也得到了很大的改善，改造后，機泵整體運行效果良好。