李鹏
中国石化齐鲁分公司橡胶厂,山东淄博,255438
摘要：针对炼油装置渣油泵接触式波纹管机械密封频繁失效,使用寿命短的问题,设计出一种新型非接触式波纹管机械密封,介绍了其结构特征及技术优势。工业应用结果表明:新型非接触式波纹管密封具有无泄漏、安全,使用寿命长,封油消耗量少以及维修费用低等优点,具有广阔应用前景。
关键词：机械密封非接触式波纹管渣油泵
中图分类号:TH136文献标识码:B文章编号:1009-9859200801-0038–03
炼油行业减压塔底渣油泵是蒸馏装置的关键设备,主要作用是为减压塔底渣油提供输送动力。渣油为高真空度下不能蒸发汽化的塔底油品,具有温度高、易结焦、相对含硫量高以及易腐蚀等特点。炼油装置渣油泵通常采用接触式单端面波纹管机械密封作为其轴封,但使用效果不理想,经常会出现滴漏、渗漏并最终导致突然大量泄漏。因输送介质渣油为高温热油温度高达300℃以上,一旦密封失效产生泄漏,将带来极大的安全隐患,它不仅污染环境,造成经济损失,而且往往会导致火灾等重大事故。
针对以上情况,设计了一种新型非接触式波纹管密封,并成功进行了工业应用。工业应用表明,新型非接触式波纹管密封不仅可以实现渣油的无泄漏、装置长周期安全运转,而且辅助系统结构简单,运行费用低,经济效益显著。
1.渣油泵接触式波纹管机械密封存在问题
图1为接触式波纹管机械密封示意图。通过对国内炼油行业渣油泵接触式波纹管机械密封使用情况充分调研,并对失效密封从结构设计、材质以及辅助系统布置方面做了充分分析,发现其主要存在3个问题。
(1)密封摩擦副端面磨损严重。由于渣油粘度大、流动性差,并且渣油介质中含有粒状和粉末状结焦物,在摩擦副周围不可避免地存在着结焦物,这对摩擦副的危害相当大。结焦物一旦进入密封端面,由于摩擦副高速旋转,很快便将密封端面拉伤,产生划痕,随着聚合物和杂质颗粒不断进入摩擦副端面,密封面逐渐被磨损,最终造成密封泄漏失效。
(2)波纹管组件失弹。在实际使用过程中,为了在高温、高压状态下能够实现密封功能,接触式波纹管密封普遍采用较大的压缩量,这样密封端面比压相应会大大提高,摩擦副端面磨损严重,同时产生大量摩擦热。若摩擦热不能及时带走,在高温长期作用下,波纹管刚度或弹性会逐渐减少甚至消失,即失弹,并且温度越高,载荷越大,失弹越快。若波纹管失弹,密封端面在介质压力作用下随即打开,即出现大量泄漏。
(3)冲洗油、冷却水消耗量大。为了防止密封部位温度升高,产生结焦,必须采用外冲洗和冷却等措施,以降低摩擦温升、防止结焦、热裂、老化等而导致密封失效。为此,必然消耗大量的冲洗油和冷却水,造成运行费用高初步估计,1台热油泵年冲洗冷却所需运行费用超过50万元,能耗量大,而且可靠性差,安全性低,维修成本高。
2.新型非接触式波纹管机械密封
2.1结构特征
图2为新型非接触式波纹管机械密封示意图。密封整体结构采用串联式结构,整体布置简单紧凑。两套密封之间通常注入温度100～120℃、压力014～016MPa的蜡油或柴油,作为封液。其结构特征突出。
(1)介质侧主密封采用波纹管非接触式机械密封。充分利用了波纹管可在较高温度下正常工作的特性,同时密封静环采用硬质合金材料,在密封环内径侧开设流体动压槽如图3所示。流体动压槽既可以将泄漏介质反输回填料箱内,又可以将低温封油泵入密封端面,形成一层低温流体膜,防止端面温升。由于端面流体动压效应相应地使其所形成的端面开启力增大,密封端面处于非接触运转状态,大大减少端面磨损。
(2)大气侧密封采用独特设计的接触式密封。密封动环采用纯碳材料,端面设计成窄环形式。密封窄环可以很大程度上减少温度造成的密封端面变形,有效防止热变形造成的端面泄漏失效。
(3)冲洗采用外部冲洗。密封辅助系统如图4所示。冲洗液经过冷却、过滤,自入口注入机械密封内部,自出口返回冲洗液罐冷却后循环利用,不进入被输送介质。这样,就可以彻底避免原单端面机械密封用冲洗液进入机泵密封腔,对被输送介质产生影响。控制冲洗液压力高于密封腔内压力,避免主密封泄漏后输送介质进入冲洗液污染冲洗液,即使密封腔内压力高于冲洗液压力,该螺旋槽密封也会将液体返回高压侧。
2.2技术优势
由于采用串联式结构,当主密封失效时,高温渣油从间隙中泄漏出来,与低温冲洗液接触,便会迅速冷却,此时副密封充当主密封,延长了密封使用周期,当副密封也失效时,此时泄漏出来的液体温度已经很低,不会带来安全隐患,避免了火灾事故,因此安全性提高。
冲洗液自入口进入密封腔,对主、副密封都具有一定的润滑作用;而在主密封上,由于静环上开了螺旋槽,冲洗液由内径向外径流动,产生液膜,形成动压效应,使动静环分开,实现了非接触运转,延长了密封使用寿命。同时,减少了端面摩擦生热,有效防止热变形造成的泄漏失效。
主密封采用内径开槽上游泵送结构,一方面可以有效阻止高温渣油泄漏;另一方面可将少量清洁、低温封油通过密封端面泵入填料箱,对密封端面起到冷却作用的同时,可以防止固体颗粒进入密封端面,减少了端面间的磨粒磨损,解决了原波纹管接触式机械密封的磨损严重的问题,延长了摩擦副的使用寿命。因此,新型密封具有优良的防固体颗粒能力。
与接触式波纹管密封需要大量冲洗油如蜡油进入密封腔体对密封端面冷却冲洗,浪费严重蜡油价格为渣油的几十倍相比,非接触式波纹管密封冲洗液用量不足其1/10,同时冷却水用量仅不足2L/h。因此,经济效益显著。
3.工业应用
齐鲁分公司蒸馏装置渣油泵为进口卧式单级悬臂离心泵,一开一备,主要作用是为塔底渣油提供动力。渣油泵工艺参数:输送介质为塔底渣油;进口压力0111MPa,出口压力0117MPa;温度250℃,电机转速2980r/min;密封直径115mm。该泵自运行以来,密封频繁失效,年检修达10次以上,严重影响了装置的正常运行。同时每年因封油消耗而新增投资在50万元以上。
3.1密封设计
结合该渣油泵工艺参数,设计出的渣油泵用串联非接触式波纹管机械密封,密封端面内半径为115mm,端面外半径为135mm,有关几何参数:螺旋角17.8°,端面膜厚与堰区膜厚比为0.309,槽深取5μm,螺旋槽间堰宽与槽宽之比为1.0,槽径比为0.723。
3.2应用考核
改造后的非接触式波纹管机械密封自2006年2月投入使用以来,已连续运行18个月,实现了密封介质的零泄漏,且未出现异常情况,保证了装置的长周期安全运行,累计为企业节省备件费用近4万元。同时节约封油及冷却水费用达40万元以上,为企业创造了良好经济效益。
4.结论
(1)密封端面磨损严重,波纹管失弹以及冲洗措施不当,是造成普通接触式波纹管机械密封失效的重要原因。同时,为了降温冷却,普通接触式波纹管密封需要消耗大量冲洗油及冷却水,能耗大。
(2)新型非接触式波纹管机械密封在高温状态下可以实现端面非接触运转,避免端面摩擦磨损,延长密封使用寿命;新型密封具有优良的防固体颗粒能力。此外,与接触式波纹管密封相比,新型非接触式密封能耗大大降低,经济效益显著,值得在同类机组推广应用。
参考文献
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