新型非接触式气膜密封在溶剂泵上的开发应用

李延军

摘要：分析了橡胶行业溶剂泵用普通接触式机械密封频繁失效的根本原因以及存在的问题，开发出一种新型气膜密封，介绍了其结构及性能特点。新型气膜密封的成功应用，实现了泵送介质的零泄漏甚至零溢出，消除了对环境的污染，同时大大延长了密封的使用寿命，降低了运行维护费用。

关键词：气膜密封，零泄漏，零溢出，溶剂泵

中图分类号：TH136        文献标识码：A

Development and Application of New-type Gas lubricated Non-contacting Mechanical Seals on Gasonline Pumps

LI Yan-jun

（Rubber factory of Qilu PetroChem. Co. Limited, China）

Abstract: The failure reasons and disadvantages of contacting mechanical seals for gasonline pump used in rubber industry were analyzed. A new-type non-contacting gas lubricated mechanical seal was developed, and its configuration and advantage was introduced. The results of the industrial application indicate that the new seal can realized non-leakage and non-emission of the pumped media. In addition, it prolongs the seal life and reduces maintainace cost.

Key words: gas lubricated mechanical seal, non-leakage, non-emission, gasonline pump

1前言

某石化装置用于输送精溶剂（DMF）的泵为从英国英格索尔德来塞公司引进的溶剂泵，该溶剂泵原轴封为单端面波纹管接触式机械密封，在长期使用过程中频繁失效，经常发生泵送介质突然外泄，使用寿命最长不足1个月。泵送介质DMF（即二甲基二酰胺，为有毒高危险性气体）大量泄漏不仅造成巨大经济损失并且严重污染环境。因此，必须开发采用新型密封替代现有密封，才能从根本上解决现有轴封存在问题，从而保证装置稳定可靠运转

本文在分析现有溶剂泵用密封存在问题基础上，介绍了一种新型非接触式气膜密封的成功应用，实现了泵送介质的零泄漏甚至零溢出^[1-2]，为企业节约了备件及维护费用，实现了装置长周期稳定运转。

2溶剂泵原波纹管密封失效分析

该溶剂泵主要作用是把DA-108塔中除去水和二聚物等杂质的精溶剂（DMF）输送到再生罐里储存起来。泵输送介质为二甲基甲酰胺（代号为DMF），由于DMF具有很强的渗透性和腐蚀性，毒性大等特点，对人身健康极为有害，因此，生产安全规程上要求此系列泵要实现零泄漏，应尽可能避免其泄漏以危及人身健康和污染环境^[3]。

溶剂泵原轴封为随泵附带的接触式单端面波纹管机械密封（如图1所示），但其使用寿命短，有时仅运行不到3个月即出现大量泄漏，造成环境污染及经济损失。经过仔细研究分析，发现造成密封失效的原因主要有以下几点：

①弹性元件（即波纹管）作用压力过大致使端面接触压力很大（端面比压0.563MPa），密封端面之间不可避免的产生剧烈的摩擦磨损，最终导致密封泄漏失效；

②冲洗冷却措施不当，该密封采用外部冲洗冷却措施，单点式注入。单点注入方式，不能使密封摩擦副得到均匀的冲洗冷却，端面受热不均匀，易使密封出现不均匀热变形，难以保证摩擦副端面平行接触，局部区域摩擦磨损严重；

③防固体颗粒能力差。采用单点冲洗方式不能保证密封周围是洁净的冲洗液，则不可避免地易使介质中的固体颗粒进入端面之间，产生磨粒磨损是在所难免的。

图1 单端面波纹管接触式机械密封

3新型非接触式气膜密封结构及性能特点

3.1结构特征

图2为新型非接触式气膜密封结构示意图。通常在两密封之间注入压力0.3～0.5MPa以上的中性气体如洁净的氮气、仪表风或水蒸汽等。虽然缓冲气体的压力小于密封介质的压力，但可以达到密封介质向大气的气相零逸出，彻底消除对环境的污染。其结构特征为：

①介质侧密封采用普通接触式机械密封。通过性能分析，设计出合理的弹簧比压，一方面可以有效防止密封在介质压力作用下端面打开泄漏，另一方面可以防止端面比压过大，造成端面摩擦加剧，温度升高，端面变形而泄漏失效；

②大气侧密封采用外径开螺旋槽端面结构。高速运转时螺旋槽是把少量缓冲气体泵入密封端面之间，从而实现端面非接触状态，并允许少量缓冲气体向大气侧排放，且能阻止外界固体杂质进入密封端面，具有良好的防固体颗粒能力；

③在介质侧密封和大气侧密封之间采用流体动压弹性体密封。其独特功能使新型密封在正常和非常工况下均能实现输送介质的零逸出。

3.2新型气膜密封工作原理

正常运行条件下，大气侧气膜密封把少量缓冲气体泵送到密封端面之间，使其处于非接触状态，并把少量缓冲气体排放至外界；经介质侧密封泄漏的微量气体被限制在流体动压弹性体密封的左侧；由于弹性体密封右侧缓冲气体的压力大于左侧轻烃逸出物的压力，在压力差的作用下，使弹性体密封处于非接触状态，只有少量缓冲气体经弹性体密封向左侧泄漏，与泄漏气体混合后一起引至放空火炬。

非正常条件下，若缓冲气体不能正常供给，大气侧密封亦可大致处于非接触状态，而此时中间流体动压弹性体密封与轴保持微接触状态，在缓冲气体未恢复正常压力前，可以有效防止经介质侧密封泄漏物向大气侧排放，而是经排出管线引至放空火炬，避免对环境的污染。

图2新型非接触式气膜密封结构

3.3性能特点

与单端面波纹管接触式机械密封相比，新型非接触式气膜密封具有以下优势：

①由于介质侧密封弹簧比压选择得当，端面比压相对较小，因此在保证密封功能的同时，减少了端面摩擦磨损，可以实现密封长周期安全运行；

②两套密封之间的新型流体动压弹性体密封可以避免溶剂逸出物与缓冲气体混合后经大气侧密封外漏，达到真正意义的零逸出；

③若介质侧密封突然失效，流体动压弹性体密封左侧压力迅速升高，使弹性体密封与轴保持接触，避免大量有毒气体经大气侧气膜密封向外界泄漏而导致危险性事故的发生或造成严重环境污染，具有良好的安全密封功能；同时经弹性体密封向介质侧密封方向泄漏的缓冲气体消耗量明显下降，经济效益更加显著；

④新型非接触式气膜密封具有优良的防固体颗粒能力，从而避免杂质进入密封端面，造成端面磨粒磨损。

4密封设计及工业应用

4.1工艺参数

泵的型号为1HPX11A。扬程60米，流量3立方米/小时，电机功率4千瓦，泵转速2875转/分钟，介质温度140～165℃，泵逆时针旋转。

4.2密封设计

新型非接触式气膜密封总体结构为串联式，内外侧密封均采用碳化硅对石墨。冲洗采用多点冲洗，以便能够充分将摩擦热带走。内侧密封端面外径mm，内径mm，平衡直径mm，则面积比为，弹簧比压选择0.19MPa，膜压系数取0.4，密封介质压力为MPa，则端面比压：    

MPa                                            （1）

这样，内侧密封完全可以实现密封功能，同时端面比压较原波纹管密封端面比压0.563小的多，大大降低了摩擦生热，同时采用多点冲洗方式，更有效的降低了密封端面温度，防止端面变形造成密封泄漏失效。

图3所示为外侧螺旋槽气膜密封静环端面结构图。沿周向分布18个螺旋槽，槽深3微米，槽台比0.5。动环端面外径mm，内径mm，平衡直径mm，则面积比为。

  图3 螺旋槽气膜密封静环端面结构

4.3气膜密封控制系统

图4为控制系统示意图。主要包括：过滤器（过滤精度小于1微米）、压力调节器、单向阀、压力表及管件和阀门。过滤器主要过滤来自管网氮气，保证进入密封腔体为清洁氮气；压力调节器可调节氮气压力，保证调节器出口压力为设定压力；单向阀可防止泄漏气体倒流；压力表主要显示入口气体压力。

图5为控制系统流程图。惰性气体（如氮气）首先经过滤器过滤, 然后经压力调节阀减压稳压后, 为外侧气膜密封提供稳定、干燥、清洁的密封气体。惰性气体一方面用以形成气膜，实现密封端面非接触运转，另一方面可以通过螺旋槽下游泵送功能产生一定量泄漏，带走端面粘性摩擦热量。

图4 控制系统示意图

图5 控制系统流程图

4.4工业应用

新型非接触式气膜密封成功应用于溶剂泵，彻底解决了原密封使用寿命短，突然泄漏，造成环境污染的问题，不仅消除了生产中的安全隐患，保证了装置连续稳定运行，而且为企业累计节约备件及维修费用20000多元，产生的经济效益是相当可观。

5结论

①溶剂泵原有普通接触式波纹管密封因端面比压过大，造成密封端面磨损严重，从而泄漏失效。此外，冲洗方式不当，防固体颗粒能力差，也是造成溶剂泵原有轴封失效的重要因素。

②新型非接触式气膜密封应用于溶剂泵，可实现泵送介质的零泄漏甚至零溢出，彻底消除对环境的污染，保证装置长周期稳定可靠运转。

③在其他同类设备全面推广使用新型非接触式气膜密封，将产生巨大的经济效益。