环管泵密封国产化改造
王义同
摘要:聚丙烯装置环管反应器轴流泵P201密封失效泄漏后,通过故障分析找到了失效原因并对其采取了有效措施,对延长设备寿命确保机泵长周期运转有重要意义。
关键词: 轴流泵机械密封结构特点端面比压
一、概述
环管反应器是青岛炼化20万吨/年聚丙烯装置的关键设备,P201则是环管反应器的心脏。
正常生产时，若介质突然停止循环流动，极易发生环管暴聚的严重事故，故要求大轴流泵平稳可靠运行。
该泵采用美国LAWRENCE PUMP公司生产的9500系列反应循环泵，流量为10000m³，功率为500KW，入口介质压力为3.5-4.2MPa ,出口压力为 4.2MPa ,转速为1500r/min。
轴流泵的工作原理类似轮船的螺旋推进器，通过电机驱动轴流式叶轮旋转，推动介质在环管中流动、混合，反应生成聚丙烯。
轴流泵的总体结构由壳体（90º无缝弯管）、叶轮、轴、轴承箱和机械密封等五大部分组成。
但其配套的机械密封比较复杂，这是由于生产介质的易燃易爆高度危险性决定的。
环管里的介质包括液相丙烯、主催化剂、给电子体、三乙基铝和白油等，除了白油外，其他几种液体都是易燃易爆介质，特别是三乙基铝见空气就燃烧，遇水就爆炸，决不允许泄漏到泵外。
所以,保证该泵长期平稳可靠运行的关键在于机械密封。
二、机械密封工作原理：
该大轴流泵机械密封是由美国约翰克兰公司制造的，由3套密封组成。
3套密封的结构形式均为小弹簧、平衡型、内流式、集装接触式密封。
3套密封的摩擦副材料都一样。
动环为碳化钨，静环为碳化硅，弹簧为XM-19，密封圈为氟橡胶“O”型圈，其余材料为不锈钢。
介质侧单端面密封为主密封。
其结构如图1所示。
唇形密封用以阻止聚丙烯颗粒进入密封腔，在唇形密封之后安装一长约200mm的节流衬套，节流衬套的半径间隙控制在0.45-0.50,外接压力比介质压力高0.1-0.2MPa的纯净液态丙烯进行冲洗,阻挡聚丙烯颗粒进入密封,为主密封创造了一个良好的工作环境。
采用SKF 双例向心球轴承，控制轴的径向摆动，使主密封端面保持在相对稳定状态下运行，减少了泄漏量，延长了使用寿命。
主密封与安全密封分别带封油系统和缓冲液系统,提供相应的密封和缓冲用白油,油系统均按API52标准设计。
密封油为高压系统，由冲洗用的液态丙烯作为压力源，通过增压罐内活塞加压，由储罐进入主密封腔，通过泵送环强制导流，从中间密封腔回到储罐，经冷却后重新回到密封腔，对密封端面和双列向心轴承进行冷却，冲洗和润滑。
密封系统图如图3所示。
图1
外侧两套机械密封组成的双端面串联集装式密封。
如图2所示，其中由动，静环、泵送环和小压盖组成中间密封，在中间密封和主密封间充满高压封油；由动，静环、泵送环和大压盖组成安全密封，泵正常运行时此密封腔是微正压，缓冲液回到储罐，经冷却后，重新进入密封腔，对密封端面和双列向心球轴承进行冷却冲洗和润滑；增压罐上设有液位报警；安全密封油压力为微正压，设有液位和压力报警联锁，依靠热虹吸和泵送环作用使封液循环。
图2
机械密封工作过程，动环与静环在弹簧力和介质压力作用下贴紧并作相对高速滑动，密封油在密封面形成油膜，密封面处于边界润滑状态运行稳定。
机泵运行若出现波动，主密封端面贴合不好，则高压的密封油少量
进入泵腔，阻挡介质外漏。
即使高压封油压力突然低于介质压力，由于主密封特殊的结构设计，依然可以保证密封面贴合，防止泄漏；若主密封失效，则安全密封可防止介质泄漏到大气中发生事故，同时缓冲液系统压力液位连锁发出报警。
因此，三重密封结构设计，密封安全可靠，能够满足安全生产的需要。
三、故障原因分析
首先，该泵运行时，封油温度达到近80℃，虽然没有出现密封泄漏和其他异常，这对密封长期平稳运行极为不利。
因此，我们怀疑其密封的端面比压和压缩量不合适。
其次，该泵运行出现需要解体检修的故障现象是间歇性的出现异常声音，且伴有电流增大的现象。
随着这一现象的发生，密封的泄漏量也在逐渐增大（现场表现为一次密封系统的活塞杆上升较快）。
由此可以判定靠主密封侧的双列调心球轴承出现故障，当轴承状况恶化时也引起主密封和中间密封的泄漏。
通过解体，证实了我们当初的判断，由于主密封侧的双列调心球轴承SKF1218保持架破裂，导致轴承状况恶化，引起异常声响。
解体密封发现主密封和中间密封均有不同程度的磨损（约2.5mm）。
通过现场测量主密封的压缩量为8.5mm,中间密封的压缩量为8.6mm,外安全密封为8.5mm。
为进一步核算起端面比压其他数据如下表；
① P端=P弹+(K-λ)P介
② P弹=Fs/Af(FS-弹簧力 Af-接触面积)
③ Fs=N△L*Gd⁴/8nD³(查手册弹簧切变模量G=71*10³N/mm²)
④ Af =π(D2²-D1²)/4 的端面比压;
Af=3.14(12927.69-10261.69)/4=209 2.8mm²
FS=12*8.5*1*71*10³/8*10*205.4=44 0N
P弹=440/2092.8=0.21MPa
K=D2²-D0²/D2²-D1²=0.71
P端=0.21+(0.71-0.5)*0.38=0.29MPa 同理可知:
中密封的端面比压为:1.31MPa。
外密封的端面比压为:0.28MPa。
由计算结果看该密封的端面比压除中密封外，端面比压都合适。
其中中密封的端面比压偏大，主要是因为封油压差大。
四、改进措施
由以上原因分析，从经济效益以及配件采购方便出发我们大胆的提出了密封国产化。
其主要过程为：
1、密封的总体结构形式保持不变，主密封中间的动、静环的材料分别为YG6、SiC，主密封的截流衬套改为浸树脂石墨镶套；安全密封动环材料为YG6，静环用浸树脂石墨。
2、调整了中密封的端面比压，内密封和安全密封的比压不变，最后还适当调整了密封的压缩量。
在保证密封性能的前提下也适当的减小了端面比压。
这样减少了摩擦热，避免摩擦副出现热裂。
内、中、外的压缩量分别改为：6.2、6、6.5mm。
将中密封的动环内径改为102.7(原内径为105),重新核算后的端面比压为0.28、0.62、0.26MPa（计算过程略）。
3、根据密封尺寸，我们制造了密封试漏模具，可在安装前进行有关的静压和运转的泄漏实验，增加了安全系数。
4、由于主密封侧的双列调心球轴承SKF1218保持架破裂，其产生的金属杂质肯定进入了密封油系统，导致机械密封的泄漏。
所以，我们对该泵的密封油系统也要求进行油运来保证系统的纯净。
其具体的油运办法为如图3所示：
图3
首先是将专门加工的三通固定在密封油罐的入口上，然后一路接外置加油机，另一路接氮气。
使油气混合同时进入密封系统并形成循环。
油运的同时，对油路管线上的“盲肠”部位用纯净煤油进行清洗。
为保证油运效果，还必须对油路的出入口调换进行油运。
最后是开泵之前在建立油系统时，必须要让油系统的压力始终比介质压力
高10％。
即随环管反应器的在充压的过程中，密封油的压力随环管反应器的压力升高而升高。
只有这样才能让密封受外界干扰降到最低。
五、结论
我们将国产机械密封2009年年初投用后，运行到今年装置停工检修，密封没有出现泄漏。
解体检查密封状况结果令人满意。
说明了机械密封改进取得了成功。
参考文献
王汝美，《实用机械密封技术问答》，中国石化出版社，1995 顾永泉，《流体动密封》，中国石化出版社，1990
顾永泉,《机械密封实用技术》北京机械工业出版社 2001
5/17/2010。