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                  淺談泵用雙重機械密封與泵用干氣密封的選型對比

                  2019-07-31
                  羅峰
                  (中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司工程技術管理部)
                    導讀:在煤制油化工裝置中,存在許多有毒、有害、易燃、易爆介質,如甲醇、乙烯、硫化氫一氧化碳、輕烴等。機泵輸送此類介質對密封要求較高,按照現代的管理要求,不允許泄露。
                    目前,使用技術一般有三類,采用無泄漏泵如屏蔽泵、磁力泵、隔膜泵等,對于必須使用離心泵時,采用雙重機械密封或干氣密封?;旧洗蟛糠诌m用雙封的場合都可以使用干氣密封,在技術上來講都是可行的。
                    那么雙重密封與干氣密封,哪個更好,常常困擾許多使用者。本文以神華某煤化工項目凈化裝置煤化工凈化裝置主洗泵為例,對雙重密封和干氣密封進行一下簡單的對比,希望能為更多在此領域的用戶提供選擇的參考。
                    1.機械密封
                    機械密封原理
                    機械密封是指由至少一對垂直于旋轉軸線的端面在流體壓力和補償機構彈力(或磁力)的作用下以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構成的防止流體泄漏的裝置。
                    機械密封主要有以下四類部件組成。主要密封件:1靜環、2動環;輔助密封件、6旋轉輔助密封圈、8靜止輔助密封圈;壓緊件、3彈簧;傳動件、4彈箕座及5鍵或固定螺釘,7防轉銷、9壓蓋。
                    機械密封中流體可能泄漏的途徑有如圖1中的A.B,C,D四個通道。C.D泄漏通道分別是靜止環與壓蓋、壓蓋與殼體之間的密封,二者均屬靜密封。B通道是旋轉環與軸之間的密封,當端面摩擦磨損后,它僅僅能追隨補償環沿軸向作微量的移動,實際上仍然是一個相對靜密封。因此,這些泄漏通道相對來說比較容易封堵。
                    靜密封元件最常用的有橡膠O形圈或聚四氟乙烯V形圈,而作為補償環的旋轉環或靜止環輔助密封,有時采用兼備彈性元件功能的橡膠、聚四氟乙烯或金屬波紋管的結構.A通道則是旋轉環與靜止環的端面彼此貼合作相對滑動的動密封,它是機械密封裝置中的主密封,也是決定機械密封性能和壽命的關鍵。
                    如圖2所示機械密封工作時,由密封流體的壓力和彈性元件的彈力等引起的軸向力使動環和靜環互相貼合并相對運動,由于兩個密封端面的緊密配合,使密封端面之間的交界(}封界面)形成一微小間隙,當有壓介質通過此間隙時,形成極薄的液膜,產生阻力,阻止介質泄漏,同時液膜又使得端面得以潤滑,獲得長期密封效果。
                    雙重機械密封
                    有毒有害介質時為了取得更好的密封效果,采用雙重密封,根據密封液系統壓力可分為有壓雙封(雙端面機械密封)和無壓雙封(串聯式機械密封)。
                  有壓雙封密封液系統的壓力一般要比一級密封前的壓力高0.01-0.03MPa。這樣一級密封泄漏時,密封液會進入泵內,確保了泵內介質不會泄漏到外界。由于密封液進入泵內,密封液系統壓力、液位降低,可以實現密封的泄漏監測和報警。
                    無壓雙封密封系統內的壓力一般為常壓或微壓,低于一級密封前的密封腔壓力。當一級密封泄漏時,泵內介質會進人密封液系統,導致密封液系統的壓力和液位升高,可以通過壓力開關或液位開關實現泄露監測和報警。通過密封液系統來監測雙端面機械密封失效與否,也是其區別于單端面機械密封最主要的形式之一。
                    有壓雙封(雙端面機械密封)原理與單端面機械密封基本相同,都是靠垂直于旋轉軸線的端面(摩擦副)在流體壓力和補償機構彈力的作用以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構成的防止流體泄漏的裝置。雙端面機械密封結構如圖3所示。
                    雙端面機械密封不僅僅是單端面機械密封的重復,在化工一些重點場合,可有效地防止危險、有毒、易燃、易爆物質的泄漏,具有高性能保險作用。在密封高壓介質時,可以合理的分配每個密封的兩端壓差,提高密封的工作壓力范圍。對一些自潤滑性差、易凝結、汽化介質,通過在密封腔體注入密封液改善密封的工況,大大提高密封的效率和使用壽命。
                    工作時,由流體壓力(介質壓力)和彈性元件的彈力等引起的合力作用下,在密封環的端面上產生一個適當的比壓(壓緊力),使兩個接觸端面(動環、靜環端面)相互緊密貼合,并在兩端面間極小的間隙中維持一層極薄的液膜,從而達到密封的目的。雙端面機械密封有兩道端面密封,若一級密封失效,二級密封仍然可密封,防止泄露。一般雙端面密封都需要外供密封液系統,向密封腔內引入封液進行堵封、潤滑和冷卻,且多為循環冷卻使用。密封液不僅可以沖洗摩擦副改善機械密封工作環境,還可以作為一級密封面是否失效的重要檢測手段。
                    與單端面機械密封相比,雙端面機械密封多一個摩擦副??煞譃槊鎸γ?、背對背兩種形式。
                    面對面雙端面機械密封有靜環面對面和動環面對面兩種形式。靜環面對面是一整體動環,動環面對面一整體靜環。但是由于加工精度、機械密封失效后更換成本等問題面對面式雙封在流體泵用機械密封中使用較少,一般應用于密封腔尺寸較小的場合。背靠背或串聯機械密封已經完全可以覆蓋面對面機械密封的適用工況。輕烴、黏性、聚合流體、有害氣體采用干氣密封、非接觸設計可以采用面對面機械密封。面對面機械密封要求封液壓力大于介質壓力,屬于有壓雙封,不然內側機械密封動靜環受力不合理。面對面結構多用于集裝式結構,既可以做單端面,又可加封液做成雙端面。
                    背對背式雙端面機械密封亦可做成集裝性,拆裝方便,檢修容易,因此使用較多。背對背式雙封分別有兩動環和兩靜環,一級密封為外流式。因其適用工況寬,應用廣泛,狹義上的雙端面機械密封專指背對背式雙端面機械密封。背對背式雙封屬于有壓雙封,當一級密封失效后密封液系統的壓力和液位都會降低。密封液循環的動力由內置泵效環提供。
                    圖6所示為無壓雙封(串聯機械密封)是兩組單端面機械密封組成串聯雙端面機械密封兩套密封延同一方向布置,密封腔壓力逐級降低,介質不至外漏。串聯雙端面密封由于其結構緊湊,可適用于軸徑尺寸不大,軸向尺寸小,隨轉速較大的中等載荷的場合。內端為平衡型機械密封,外端為非平衡型帶泵效環機械密封。封液提供密封面的冷卻潤滑,靠內置泵效環循環。
                    2.干氣密封
                    2.1原理簡述
                    一般來講,典型的干氣密封包含了靜環、動環組件(旋轉環)、副密封O形圈、靜密封、彈簧和彈簧座(腔體)等。靜環位于不銹鋼彈簧座內,用副密封O形圈密封。彈簧在密封無負荷狀態下使靜環與固定在軸上的旋轉環——動環組件配合,如圖7所示。
                    在動環組件和靜環配合表面處的氣體徑向密封有其先進獨特的方法。配合表面平面度和光潔度很高,動環組件配合表面上有一系列的螺旋槽,如圖8所示。隨著轉動,氣體被向內泵送到螺旋槽的根部,根部以外的一段無槽區稱為密封壩。密封壩對氣體流動產生阻力作用,增加氣體膜壓力。
                    配合表面間的壓力使靜環表面與動環組件脫離,保待一個很小的間隙,一般為3微米左右。當由氣體壓力和彈簧力產生的閉合壓力與氣體膜的開啟壓力相等時,便建立了穩定的平衡間隙。在動力平衡條件下,作用在密封上的力如圖9所示。
                    閉合力Fc,是氣體壓力和彈簧力的總和。開啟力Fo是由端面間的壓力分布對端面面積積分而形成的。在平衡條件下Fc=Fo,運行間隙大約為3微米。
                  如果由于某種干擾使密封間隙減小,則端面間的壓力就會升高,這時,開啟力Fo大于閉合力Fc,端面間隙自動加大,直至平衡為止。如圖10所示。
                    類似的,如果擾動使密封間隙增大,端面間的壓力就會降低,閉合力Fc大于開啟力Fo,端面間隙自動減小,密封會很快達到新的平衡狀態,見圖11。
                    這種機制將在靜環和動環組件之間產生一層穩定性相當高的氣體薄膜,使得在一般的動力運行條件下端面能保持分離、不接觸、不易磨損,延長了使用壽命。
                    離心泵輸送的介質為液體。根據不同工況條件,可采用雙端面干氣密封和串聯干氣密封。
                    2.2雙端面干氣密封
                    雙端面干氣密封可以用在絕大多數離心泵的軸封上,它具有以下特點:用“氣體阻塞”替代傳統的“液體阻塞”原理,即用帶壓密封氣替代帶壓密封液,保證工藝介質實現“零逸出”;整套密封非接觸運行,其功率消耗僅為傳統雙端面密封的5%,使用壽命比傳統密封長5倍以上;結構簡單的輔助系統,保證工藝介質不受污染及工藝介質不向大氣泄漏,徹底擺脫了傳統雙端面機械密封對油系統的依賴。密封氣采用工業氮氣或工業儀表風,其壓力高于介質0.15-0.2MPa。
                    泵用雙端面干氣密封的不足之處是:需要一定壓力的氣源,氣源壓力至少高于介質壓力0.2MPa;有微量氣體進入工藝流程。
                    2.3串聯式干氣密封
                    泵用串聯式干氣密封具有如下特點:干氣密封與接觸式機械密封串聯使用,機械密封為主密封,干氣密封為次密封;干氣密封與主密封間通入氮氣,保證主密封具有一定背壓,極大地延長主密封的使用壽命;主密封泄漏的工藝介質隨密封氣排入火炬,保證工藝介質不向大氣泄漏,是一種環保型密封;主密封失效后,干氣密封短時間內起到主密封作用,防止工藝介質向大氣大量泄漏。該類密封使用壽命取決于機械密封的使用壽命,一般在2-3年左右。該密封主要用于易揮發介質的場合,如液態烴類介質;對密封氣壓力要求不高。
                    泵用串聯干氣密封的不足之處是:該密封還不是完全意義上的干氣密封,其總體性能介于機械密封和干氣密封之間。該密封適用于易揮發介質的場合,使用范圍較窄。
                    3.選型比較
                    神華煤化工項目凈化裝置煤化工凈化裝置主洗泵密封選型比較
                    3.1主洗泵工藝參數
                    介質:甲醇
                    入口壓力:0.447MPa(a)
                    出口壓力:7.05MPa(a)
                    流量:322m3/h
                    揚程:691.1m
                    入口溫度:-64℃
                    3.2雙重機械密封選型
                    (1)甲醇為有毒有害介質,不允許泄露到大氣中。
                    (2)此工況情況下,由于介質溫度較低,密封在運轉中,會吸收大量熱量,導致密封面外側極易結冰,致使密封面磨損。
                    (3)工藝要求介質不允許受到污染。
                    基于此以上原因,推薦選用沖洗方案為PLAN11+52+62
                    PLAN11:介質從泵的吐出口經過流量控制孔板(如果必要的話)到密封,液體進入鄰近機械密封端面的密封室沖洗端面,液體經過密封返回泵中,保持密封端面產生的摩擦熱及時帶走,從而改善密封工作環境。
                    PLAN52:利用壓力小于工藝流體壓力但不低于大氣壓力的緩沖液,注入密封室中。由于緩沖液壓力小于工藝流體壓力,少量工藝流體泄漏至緩沖液中,即在外側密封室中,循環至密封系統或放空系統中進行處理,從而避免工藝流體的直接排放大氣和環境的污染。本泵使用工業白油作為緩沖液。如圖13。
                    PLAN62:采用外供急冷液沖洗密封面大氣側。急冷液可使用蒸汽、氮氣或清潔水,本泵考慮介質的低溫性,使用0.2-0.7Bar低壓氮氣進行吹掃,防止外側密封運轉時吸收周圍熱量結冰,導致密封面破損。如圖14。
                    如圖15該泵密封系統需配置兩個緩沖罐,其上設有溫度、壓力、液位開關,并且外側密封需要配置低壓氮氣吹掃。一旦主密封泄露時,外側密封液位上升,壓力增高,使得壓力或者液位進行報警,從而判斷密封泄露進行檢修。
                    3.3干氣密封選型
                    甲醇為碳氫化合物,在低溫下極易氣化,并且如采用接觸式密封產生的摩擦熱會加劇密封面間液膜不穩定狀態,因此推薦采用雙端面干氣密封。
                    本泵選用雙端面干氣密封。沖洗方案PLAN74
                    PLAN74:由外部提供隔離氣——氮氣,通常氮氣壓力應高于主密封腔介質壓力,標準規定隔離氣應高1.75-2bara(25psi-30psi),隔離氣由有過濾器,調壓筏,流量計,單向閥,壓力表和壓力開關組成的控制板提供,隔離氣的泄露方向一是通過主密封面向主密封腔泄露,另一是通過外側非接觸干氣密封向大氣側正常泄露,同樣實現介質的零泄露。
                    需配過濾器、調壓閥、流量指示劑、壓力表、壓力開關等,還需配給0.8MPa(a)的穩定潔凈氮氣。
                    4 主洗泵選用串聯機械密封與干氣密封的比較
                    (1)密封效果:串聯機械機械密封與干氣密封均可做到介質絕不泄露;
                    (2)使用壽命:串聯機械密封使用壽命為1年;干氣密封使用壽命為3年;
                    (3)操作簡便性:串聯機械密封需加緩沖液及配置氮氣吹掃;干氣密封需采用氮氣加壓系統,兩者基本相當;
                    (4)一次投入價格:串聯機械密封價格相當于干氣密封價格的60%;輔助系統價格相當;
                    (5)外部條件依賴性:串聯密封對公用工程條件要求不高,干氣密封需要壓力穩定、潔凈的氮氣源;
                    (6)易損壞度:串聯式機械密封為接觸式密封,由于介質溫度較低,密封產生的摩擦熱會加劇密封面間液膜不穩定狀態,長期運轉能力明顯弱于干氣密封;干氣密封必須達到一定轉速才能形成氣膜,開啟密封面,在泵啟動停車時密封面容易磨損,如頻繁啟停泵則極易損壞;
                    (7)檢修復雜性:串聯式機械密封與干氣密封均為集裝式密封,整體更換,對用戶來講區別不大;
                    (8)維護成本:串聯式機械密封價格低但壽命短,如以三年為計算期,理想狀態下干氣密封更換費用為串聯密封的55%。
                    4.結論
                    通過凈化裝置主洗泵干氣密封與串聯式機械密封選型的綜合比較,兩者均沒有絕對的優勢。干氣密封在公用工程條件穩定,裝置運行穩定的場合,具有維護成本低、使用壽命長、穩定可靠地優勢,因此、在能夠穩定運行的裝置,可優先考慮使用干氣密封。在新建、改建項目,由于裝置在開工初期工藝操作穩定性較差,公用工程條件的穩定性也不好保證,雙重機械密封則具有投資低、對公用工程依賴性低、更換成本較低等優勢,因此在新建、改建項目建議優先考慮串聯式機械密封。
                    在目前技術條件下,泵用雙重機械密封與干氣密封各有優勢,進行選型時還需從投資能力、外部條件、裝置穩定性、工藝要求等方面綜合考慮。

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