甲醇泵機械密封的國產化改造

陳可為

(云南解化清潔能源開發有限公司解化化工分公司，云南 開遠 661699)

各類低溫甲醇洗裝置中，熱再生塔貧液泵是核心的轉動設備，同時也是裝置故障率較高的設備。機械密封是否可靠是影響熱再生塔貧液泵乃至低溫甲醇洗裝置能否連續運行的關鍵。所以在國產化的過程中需要對機械密封的結構選型、材料選擇及沖洗系統的設計進行充分的核算。本文分享了我公司二甲醚生產裝置熱再生塔貧液泵機械密封的國產化改造經驗。

1 機械密封使用情況及泄漏原因分析

1.1 使用情況

我公司甲醇洗裝置的兩臺熱再生塔貧液泵為原裝進口設備，輸送介質為溫度90～100 ℃ 的甲醇(常壓下沸點 64.7 ℃)，進、出口壓力為0.18 MPa、4.2 MPa，轉速 2 950 r/min，結構為多級自吸雙支承式離心泵，機械密封。機械密封結構形式為二級串聯式機械密封，一、二級密封結構尺寸相同。一級密封承受的密封腔壓力為 2.5 MPa，密封沖洗系統為API682-23方案，經過沖洗后可使介質溫度降至50～55 ℃；二級密封沖洗保護系統為API682-54方案+62方案，正常情況下承受壓力較低。機械密封的動環材料為石墨，采用整體石墨環結構，靜環材料為整體碳化硅。密封結構如圖1所示。

1.軸套；2.動環；3.境環；4.O姓圈；5.節流環。圖1 原裝進口機械密封結構圖

2008年10月，裝置投用。從設備使用開始，每半年左右，機封均出現內泄漏情況，表現為：儲液罐液位升高，但泵性能基本上能滿足使用要求。密封情況并不理想，但進口機械密封價格昂貴、采購周期長，因此迫切需要進行國產化技術改造。

1.2 泄漏原因分析

在實際工作過程中，機械密封有很多因素會直接影響到密封。其中的一個因素是保持密封端面幾何形狀平行或近似平行的能力。也就是說,密封端面縫隙的幾何形狀在任何情況下都要保持平行或近似平行，才能充分保證密封性能。但是，密封環在介質壓力、機械力和溫度場的共同作用下，密封端面一般會產生向內徑的偏轉，形成發散型(負錐角)間隙[1]，從而造成泄漏且磨損加劇，壽命縮短。因此，對密封環變形的分析和控制很有必要。一般來說，當壓力較高時(2 MPa 以上),就需要考慮壓力變形的影響[2]。由于石墨材料的彈性模量較小(20 GMPa 左右)，密封環的壓力變形更為明顯，而碳化硅環由于彈性模量較大(彈性模量 380 GMPa)，偏轉并不明顯，可以忽略。整體石墨環偏轉變形后，環的外徑棱邊與碳化硅靜環接觸(如圖2a所示)，運行時會被迅速磨損，直到端面重新磨平為止(圖2b)。若操作過程中遇到停車，壓力變形將消失，形成收斂性間隙(圖2c)。重新加壓啟動時，由于收斂性間隙改變了密封端面的壓力分布情況，使得端面壓力極大地增加，形成的端面開啟力大于閉合力，封端面被打開，使得泄漏量急劇增加。生產過程中發現，運行時尚可的機械密封，停車時泄漏嚴重，有時甚至不能重新啟動。

(a)變形后棱邊接觸 (b)密封面磨平 (c)產生收斂性間隙圖2 整體石墨環變形情況

2 原裝進口機械密封受力變形分析

2.1 密封環受力情況

原裝機械密封動環為整體石墨環，幾何尺寸和受力情況如圖3所示。圖3中，虛線表示密封環受力變形后的位置。密封環的受力及變形情況比較復雜，涉及流體、固體和傳熱三個方面。這里暫不考慮溫度的影響。密封動、靜環在運轉過程中，會受到介質壓力、彈簧力、液膜反力、端面接觸壓力、重力、離心力、O型圈支承反力、O型圈摩擦力和密封環慣性力等的作用。為了簡化問題，根據機械密封的結構及主要受力情況 ，把密封環處理成二維軸對稱問題，并忽略慣性力、重力 、離心力 、O型圈支承反力和摩擦力等次要因素的影響3]。

圖3 原裝進口密封動環尺寸受力變形圖

2.2 密封環變形

密封環的變形情況可用轉角θ和內外徑高度差Δ來表達。如圖4所示，轉角逆時針方向為+,順時針方向為-；密封環內外徑處的高度差Δ為密封環內徑邊緣與密封環外徑邊緣處高度差。轉角θ采用皮采諾環形零件軸對稱變形理論計算4]。

圖4 典型機械密封環截面幾何形狀及受力變形示意圖

(1)

(2)

式中：Jx為截面慣性矩，E為密封環彈性模量，對于整體環，則為密封環材料的彈性模量；對于鑲裝環，則為當量彈性模量；∑Mt為外力對截面形心的矩值 ；Rc為截面形心半徑。內外徑的高度差公式為：

Δ=b·θ

(3)

式中 ：Δ為內外徑的高度差。

進口機械密封的端面比壓為Pb=0.913 MPa，石墨環和碳化硅環材料性能如表1(取國內相近材料的典型值)。

利用圖3結構尺寸和表1的數據，根據式(1)和式(2)可得到石墨環的轉角θ1=2.44×10-3弧度,內外徑的高度差 Δ1=12.355 μm。碳環硅環的轉角θ2=1.22×10-4弧度。內外徑的高度差Δ2=0.61 μm(未給出結構尺寸)。由此可見，進口機械密封由于壓力的作用，形成了較大的發散型(負錐角)間隙，其主要貢獻來源于石墨環，碳化硅環的貢獻較少。

表1 密封環材料特性表

可以預測，當甲醇泵操作過程中遇到停車減壓，密封環的壓力變形消失，磨損后的密封環將形成較大的收斂性間隙(如圖2c)，當壓力恢復時，將產生較大的泄漏。

3 泵機械密封國產化改造設計方案

3.1 總體方案

考慮到進口機械密封的情況，總體結構進口密封相近，仍為串聯式二級機械密封。為了充分利用碳化硅環大彈性模量、小變形的優點，并克服整體石墨環小彈性模量大變形的缺點，提出的技改設計方案是：動環由整體石墨環更改為整體碳化硅環，靜環由整體碳化硅環更改為鑲裝石墨環5]。一級密封結構示意如圖5所示：動環1為整體碳化硅環，靜環2為鑲裝式石墨環，采用內撐環3和外套環4同時鑲裝式結構。二級密封結構示意圖如圖6所示：主要由動環1，靜環2 ，O形圈3組成。一、二級密封動環——碳化硅環通用。由于正常情況下二級密封承擔的壓力較小，二級密封的靜環采用了整體石墨環結構，并采用了與節流環融為一體的整體結構設計，在靜環2設有通氣孔4，提高了環的抗變形能力和降溫能力。密封沖洗系統方案采用原來的方案。

1.動環；2.靜環；3.外套環；4.內撐環。圖5 一級密封的結構示意圖

1.動環；2.靜環；3.O形圈；4.進氣孔。圖6 二級密封的結構示意圖

3.2 改造的技術依據

1)提高密封環的彈性模量和改善傳熱性能

材料的彈性模量與壓力變形成反比例關系。為減少密封環的壓力變形，要盡量提高材料的彈性模量。采用金屬鑲裝結構，是提高石墨環復合(當量)彈性模量的一個有效途徑，而熱變形與材料的熱膨脹系數和密封環溫差與成正比例關系。材料的熱膨脹系數是材料的熱物性參數，一般情況下難以改變，但可以通過改善傳熱性能來減小密封環的溫差，從而減少或控制熱變形。

密封沖洗系統中的甲醇液體因密封動環的旋轉運動而加速流動,以對流的方式把密封環面的摩擦熱量傳遞給了甲醇沖洗液體，通過沖洗液帶走熱量而實現降溫6]。因此采用導熱性能更好的碳化硅作為密封動環的更有利于帶走熱量。密封動環材料的導熱性能越好，環內的溫度梯度越小，環的熱變形也就越小。另外，碳化硅環的彈性模量比石墨環的彈性模量比大了近20倍，所產生的變形也比較小。常壓下甲醇沸點僅為 64.7 ℃，在夏季工廠內環境溫度能夠高達近 40 ℃。如果密封沖洗系統散熱能力下降，密封動、靜環之間容易產生氣液兩相，使密封面摩擦磨損嚴重，容易造成密封失效。因此，密封系統的散熱能力非常重要。

2)碳化硅整體動環的變形量計算

將動環材料由石墨更換為彈性模量較大的碳化硅，要重新進行計算。得到碳化硅動環的內外徑的高度差Δ為：0.6177 μm。計算表明，盡管碳化硅動環也形成發散型(負錐角)間隙，但內外徑的高度差非常微小。動環的力變形能夠滿足較高壓力條件下使用要求。

3)鑲裝式石墨環的變形量計算

鑲裝式石墨靜環各參數、受力情況如圖7所示。

圖7 鑲裝式石墨環各參數、受力圖

將圖7和表1的數據通過皮采諾環形零件軸對稱變形理論的計算轉角的公式，計算得到內外徑的高度差Δ為 0.62 μm。說明該鑲裝式石墨環形成發散型(負錐度)內外徑的高度差較小。

皮采諾環形零件軸對稱變形理論的計算轉角的公式：

(4)

(5)

Δ=b·θ

(6)

式中 ：Δ為內外徑的高度差；E為為鋼套環與石墨環的當量彈性模量 (對于沒有鋼套環的石墨環就為石墨環的彈性模量 )；∑Mt為外力對形心的矩值 ；Rc為形心半徑；Jc為通過形心的慣性矩。該環端面比壓Pb=1.34 MPa 鑲裝環材料物理性能如表1。

4)鑲裝環實際變形量的確認

在鑲裝結構中，內撐環和外套環材料均為316不銹鋼 。鑲裝結構的外套環與石墨環之間采用過盈配合，配合尺寸為φ122H7/v6；內撐環與石墨環之間采用過渡配合，配合尺寸為φ101H6/h6。在室溫為 27 ℃ 環境下熱鑲裝，待冷卻至常溫。用表面粗糙度輪廓形狀測量密封環的變形情況，石墨環密封端面產生向內徑偏轉的負錐度變形，內外徑的高度差為 20 μm(由內撐環和外箍環共同產生的石墨環變形)。常溫下對鑲裝式石墨環重新研磨，可解決平面度小于 0.6 μm 要求。將重新研磨過的鑲裝石墨環放置于 55 ℃ 熱水中，模擬一級密封環工作溫度。然后測量到鑲裝式石墨環形成收斂性間隙(正錐度)，內外徑的高度差為 1.2 μm。與環受到密封腔壓力變形相反。可以預計，密封環在實際工作環境中，將形成收斂性間隙(正錐度)，內外徑的高度差大致為 0.58 μm(熱變形與力變形之差)。

4 效果

經過國產化改造后，機械密封沒有發生停車性泄漏，解決了該泵的安全隱患，為生產裝置“長、穩、優”運行提供保障，目前機械密封運行良好。

2021年以前，該泵年檢修頻率為2次/臺,每年使用進口甲醇泵機械密封2套，共50萬元；2021年以后，每年單臺泵國產密封使用費3.17萬元，僅為進口密封的12.34%；當只更換國產維修包修復密封時，每年單臺泵國產密封使用費2.32萬元，僅為進口密封的9.28%，因此大幅度降低了最低檢修費用。通過此次國產化改造的技術創新，不僅達到降低生產成本的目的，而且為今后進口國產化改造提供寶貴經驗和技術支持。

5 結語

與整體結構石墨環相比，鑲裝式結構能顯著增加石墨環的整體剛度，減小石墨環密封端面的總變形，提高機械密封的工作壓力和可靠性，延長了密封的使用壽命。鑲裝石墨環可以依據密封腔和密封輔助系統的壓力和溫度，通過選用不同膨脹系數的金屬材料、采用不同的配合間隙進行鑲裝，設計和制造出與密封端面的壓力變形相反的熱變形鑲裝結構密封環，進一步擴展石墨材料在高參數機械密封中使用。