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摘要低温乙烯装置的低温泵是进口设备，乙烯的输送离不开它，低温泵机械密封使用寿命不长，一般在一年左右，由于机械密封采用的是进口原装备件，不但供货周期长，价格也十分昂贵。另外它的机械密封的密封液采用的是甲醇，甲醇在使用过程中及易对人体产生伤害。目前干气密封广泛应用于各类机泵的密封，使用效果良好，但是干气密封在低温设备上的使用是一个空白。我们通过试验，对低温乙烯返输泵P42泵进行了干气密封改装。低温乙烯P42泵采用干气密封，一是可以充分利用现有资源进行改造，二是用无污染的氮气介质代替了对人体、环境有严重危害的甲醇密封介质，保护了环境，改善了操作条件，三是可实现低温泵机械密封面长周期，无泄漏运行，四是干气密封的使用成本远远低于机械密封，经济效益较好。关键词：低温乙烯泵机械密封改造为干气密封一概述低温泵轴封的传统办法是采用双端面机械密封或串联式机械密封，密封液为低温下不凝固的甲醇或密封油，在低温（-104℃）条件下，由于密封液的泄漏而最终造成工艺介质泄漏的情况时有发生。低温乙烯装置P42泵原先采用的是进口双端面机械密封，采用甲醇作为封液。甲醇本身就是有毒液体，在使用过程中极易对人体产生伤害，同时在使用过程中由于机械密封受损泄漏还会造成产品质量问题和环境问题，甲醇的安全使用上存在着重大隐患。目前干气密封广泛应用于各类机泵的密封，使用效果良好，但是干气密封在低温设备上的使用是一个空白。低温乙烯泵采用干气密封。一是可以充分利用现有资源进行改造，二是用无污染的氮气介质代替了对人体、环境有严重危害的甲醇密封介质，三是可实现低温泵机械密封面长周期，无泄漏运行二干气密封基本原理2.1干气密封基本原理干气密封从外形结构上与机械密封相同，同样由以下几部分组成：①由补偿环和非补偿环构成的密封端面；②由弹性元件为主构成的加载、补偿和缓冲机构；③辅助密封；④与旋转轴联接，并与轴一起旋转的传动机构；⑤防转机构。与普通机械密封显著不同的是：动静环密封面较宽；在动环或静环端面上加工出特殊形状的流体动压槽（见图2.1.1），如阿基米德螺旋槽、对数螺旋槽等，槽深一般在5~10um。当动静环作相对旋转运动时，动环或静环端面的螺旋槽将外径处的气体吸入动压槽内，气体由外径向中心流动，由于密封堰的节流作用，进入密封面的气体被压缩引起压力升高，在螺旋槽根处形成高压区。在该气膜压力作用下，密封面被推开，与气体静压力、弹簧力形成的闭合力达到平衡。此时，流动的气体在两个密封面间形成一层2~3um厚的气膜，在无外界干扰的情况下，密封保持非接触、无磨损运转。如果出现工艺条件波动或机械干扰等因素，使得气膜厚度减小，密封面贴近，则此时气膜刚度增大，气膜反力增加，迫使密封工作间隙增大，恢复到正常值；若使得密封气膜厚度增大，则气膜反力减小，闭合力大于开启力，迫使密封面贴近恢复到正常值。图2.1.2表示了干气密封在运行状态下密封面的轴向力平衡图。图2.1.1干气密封端面动压槽简图图2.1.2干气密封受力图干气密封稳定性的主要指标就是气膜刚度的大小，气膜刚度越小，密封的抗干扰能力越差；气膜刚度越大，密封的抗干扰能力越强，运行越稳定。总体来说，虽然干气密封的气膜间隙很小，但气膜刚度比普通机械密封的液膜刚度要大得多。三P42干气密封结构设计3.1P42泵特点及其操作条件状态转速流量压力频率介质温度返输2900≤37t/h≤2.6MPa50Hz-104℃装车1450≤24t/h≤0.6MPa25Hz-104℃低温乙烯P42泵为立式泵，轴封原采用的进口双端面机械密封，密封液为甲醇，P42泵目前存在着“一泵双频”的特殊性（返输和装车时的频率不一样），该泵的双端面机械密封由于频繁在返输状态（高频高压高流量：频率50Hz、压力≤2.6MPa、流量≤37t/h）和装车状态（低频低压低流量：频率25Hz、压力≤0.6MPa、流量≤24t/h）之间切换，造成泵的机械密封经常受损泄漏。长期以来，密封的可靠性一直是影响低温泵长周期运行的瓶颈，已经不能满足目前实际工作的需要。同时泵的机械密封一旦泄漏，如果内漏（下端面机械密封受损）甲醇将泄漏到乙烯中，影响到乙烯的质量；如果外漏（上端面机械密封受损）甲醇将泄漏到外部对人体和环境造成污染；如果上、下两个端面机械密封同时受损，甲醇和乙烯将泄漏到外部对人体和环境造成污染和产生火灾爆炸的威胁。3.2干气密封结构设计干气密封设计选择方案1：串联式结构该结构为干气密封与机械密封串联使用，第一级机械密封为主密封，密封介质为工艺介质，第二级干气密封为次密封，密封介质为氮气以及少量从机械密封泄漏的介质；该密封的使用寿命取决于机械密封的使用寿命，同时有微量介质向环境中泄漏。（图1）方案2：双端面结构该结构为两套结构相同的干气密封面对面组成，密封气采用氮气，该密封结构简单，但要求密封气压力高于介质压力，因而有氮气向泵腔泄漏。（图2）方案3：复合型结构（图3）该密封结构较复杂，密封气采用从泵腔出口引入，在引入的过程中，由于管道的阻力引起的压力降低以及热传递引起温度的升高，使得从泵出口引入的液态介质到达干气密封的密封腔时变成了气态，满足了密封的使用要求；同时，从泵出口引入密封气，保证了密封腔压力始终高于泵腔的压力，泄漏到泵腔的密封气为工艺介质，使工艺介质不会受到污染，而由于保护气（氮气）的作用，使大气侧泄漏出来的介质排向火炬，在现场只有少量的保护气（氮气）泄漏，对工作环境不会造成污染。通过对低温乙烯结构分析，在不改变原设备结构的情况下，我们决定采用双端面干气密封+碳环密封复合结构,密封气采用由泵出口引入的经汽化的乙烯，隔离气采用氮气；该干气密封由两套干气密封背靠背组成，密封气为乙烯气，通过对乙烯气的密封实现对液态乙烯的密封，在大气侧有隔离气保护，防止干气密封泄漏出的微量乙烯气直接排入大气，干气密封泄漏出的微量乙烯气随隔离气排向火炬。改造后干气密封的安装尺寸与原机械密封完全一样。由于该密封所封介质本身腐蚀性不强，对材质的耐腐蚀性能要求不高，但由于使用温度很低，对材料的低温性能要求较高；在选材时摩擦副选用特殊材质的SiC，该材料具有表面硬度高、耐磨性能好、热传导系数大、比重小等优点，是目前最好的一种摩擦副材料。密封静环采用浸渍金属碳石墨材料，该材料具有强度高、自润滑性好、耐低温等特点。基体材料选用耐低温的不锈钢；辅助密封圈材料的选择是该密封设计的难点：普通橡胶在0℃就会开始硬化，弹性大幅度降低，逐渐变硬到弹性完全丧失，又脆又硬，一敲就碎。这个温度叫橡胶的玻璃化温度，是橡胶的最低使用温度，所以在低温下辅助密封不能采用橡胶材料。据资料介绍：丁腈橡胶的使用温度限为-60℃，氯丁橡胶为-65℃，硅酮橡胶为-80℃，氟化橡胶为-45℃。均不能满足该密封的使用要求。聚四氟乙烯（PTFE）的使用温度范围为-150~250℃，使用温度能满足密封的要求，但该材料较硬，密封圈过盈量取得较大时不易装配，而且补偿环浮动性能不好，影响密封的性能，过盈量取得较小时又起不到密封作用。为保证密封的使用条件，我们考虑采用PTFE包覆弹簧结构的特殊形状圈来解决低温条件下干气密封辅助密封圈问题。3.3P42泵干气密封控制系统流程说明干气密封控制系统是干气密封的重要组成部分，它主要由密封气过滤单元和密封气泄漏监测单元组成。监控系统为干气密封长周期稳定可靠运行提供了保障。干气密封工作时在密封端面间形成的气膜厚度在2—3微米左右，密封气中大于该粒度的固体颗粒会对密封面产生损坏，从而影响密封的使用寿命。这就要求进入干气密封端面的密封气体非常干净，因此在应用中我们采用高精度过滤器来完成。复合型干气密封系统原理图，流程如下：从泵腔出口引入的低温密封气（乙烯气）经过截至阀、单向阀、孔板进入换热罐，在换热罐通过高温蒸汽，对引入的低温乙烯气进行升温汽化。在这个加热罐的顶部装有温度表监测温度、压力表监测压力；经过换热罐加热汽化的乙烯气再进入过滤器，然后进入主密封的密封腔为干气密封提供阻封气体。其中有一部分气体泄漏进密封腔，还有部分泄漏进碳环密封腔，其泄漏量均为0.8标准立方米/小时。隔离气氮气经过压力调节器减压后保证压力为0.1Mpa。氮气通过隔离气“GBI”进入碳环密封后，其中一部分氮气通过碳环密封泄漏到大气.另一部分伴随干气密封泄漏出的微量介质从隔离气出口“CSV”通过干气密封系统连接到火炬管线。在干气密封系统的隔离气泄漏管线上有压力表监测压力值，正常排气压力为0.05Mpa，一旦当压力表显示为0.08Mpa时，表明干气密封泄漏过大。此时检查密封运行情况，保证干气密封的安全运行四干气密封技术的工业实践应用过程2007年3月,我们对P42干气密封改造进行了工业化试验:在P42泵装车状态下（频率25Hz、转速1450rpm，出口压力≤0.6MPa、流量≤24t/h）运行时，干气密封运行性能稳定，加热罐的加热蒸汽不需投用。在P42泵返输状态下（频率50Hz、转速2950rpm，出口压力≤2.6MPa、流量≤37t/h）运行时，干气密封运行性能出现波动，密封出现的主要问题：泵启动2～3分钟左右，大量乙烯气经干气密封泄漏后，从密封后部隔离气碳环处向外泄漏；泵持续运行3～5分钟时，无乙烯向环境泄漏，密封运行正常；当干气密封控制系统的过滤器等产生泄漏时，又出现大量乙烯气经干气密封从后部隔离气碳环向环境泄漏的情况，密封运行状况很不稳定。干气密封产生故障的主要原因：干气密封在转速为1450rpm，出口压力在0.6MPa时，运行平稳；但是在转速达到2950rpm，出口压力在2.6MPa时，密封运行很不稳定，几次试车都出现了在刚开车时，乙烯大量泄漏的现象。产生这一现象的主要原因是：泵启动后，从泵出口引向干气密封的液态乙烯流量较大，流速较快，而在管内通过管壁与环境温度下的空气热交换速度较慢，因此，乙烯没有被及时汽化就以液体状态进入干气密封腔，从而导致干气密封出现短时间内大量泄漏；而随着搅拌热及摩擦热的不断产生，密封腔内温度的升高，乙烯被汽化，此后密封运转正常。但随着密封压盖、控制系统中过滤器的泄漏，导致乙烯的流量加大，而与空气换热汽化的速度跟不上，又导致液态乙烯进入密封腔，造成密封泄漏。干气密封改进方案：通过以上分析，可以确定该低温泵干气密封本体在结构设计、材料选择方面能够达到该泵在两种工况下运行对密封性能指标的要求。解决现存问题的关键是在系统的设计上如何保证泵出口的乙烯在进入密封腔前完全汽化。只要通入干气密封的乙烯为气态，密封就能实现稳定的运行，从而保证该泵长期、可靠的运转。根据现场的实际情况，可采取以下措施对控制系统进行改进1）在泵出口与干气密封控制系统之间的管路上设置针型阀，以调节流向干气密封的乙烯流量。2）在管路上设置缓冲罐，并采用蒸汽对液态乙烯加热，提高液态乙烯汽化速度，为干气密封提供正常、稳定的工作环境。经过以上改造,我们于2008年2月再次对P42干气密封进行了试验,目前P42干气密封无论在低频装车状态或高频返输状态都运行性能稳定,达到了干气密封改造目的.五干气密封改造经济效益测算：表5.1干气密封改造经济效益测算表项目机械密封干气密封使用寿命1年3-5年密封备件费用4万/年4万÷3=1.33万/年每年检修费用约8000元/年0每年检修物料损耗费约4000元/年0密封油消耗费1000元/年0密封功率消耗8000元/台800元/台合计7.1万/年1.41万/年干气密封使用两年后所需更换易损件为密封圈和弹簧，每次更换费用低，仅为1000元左右。由此可见，随着运行时间的增加，干气密封的使用成本远远低于机械密封。此外，由于机械密封泄漏造成的临时停车而引起的损失远远超过密封本身的价值。六结论1）试验表明，设计出的干气密封完全能够实现密封的非接触运行，密封性能稳定可靠。2)工业运行表明，设计制造出的P-42低温乙烯泵复合式干气密封性能稳定可靠，大大提高了该泵的运转性能。3）经过大量的实践证明，在该类低温泵中采用干气密封，可以彻底解决原机械密封带来的许多问题，为泵及装置长周期、安全、稳定的运行提供有力的保障。参考文献：[1]顾永泉流体动密封[M],山东；石油大学出版社