己內(nèi)酰胺輸送泵機(jī)械密封泄漏處理方案淺析

丁曉峰

(湖南百利工程科技股份有限公司上海分公司,上海 200127)

己內(nèi)酰胺輸送泵機(jī)械密封泄漏處理方案淺析

丁曉峰

(湖南百利工程科技股份有限公司上海分公司,上海 200127)

本文針對己內(nèi)酰胺裝置中,對己內(nèi)酰胺輸送泵機(jī)械密封泄漏的常見原因進(jìn)行了分析,主要包括彈簧式機(jī)封失效、機(jī)械密封局部溫度過高和密封端面磨損等,并有針對性地提出了可行性的整改方案,且在實(shí)際應(yīng)用中效果良好。

己內(nèi)酰胺輸送 密封泄漏 原因 整改

己內(nèi)酰胺是重要的有機(jī)化工原料之一，主要用途是通過聚合生成聚酰胺切片，國內(nèi)通常稱之為尼龍6切片或者錦綸6切片，可進(jìn)一步加工成錦綸纖維、工程塑料以及塑料薄膜等。在己內(nèi)酰胺裝置中，有多臺己內(nèi)酰胺輸送泵，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，多次因發(fā)生泄漏而進(jìn)行檢修，更換機(jī)械密封部件，這一方面增加了裝置的運(yùn)行成本，二對裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，連續(xù)生產(chǎn)帶來較大隱患。為徹底消除該隱患，需對該泵的機(jī)械密封泄漏原因進(jìn)行綜合分析并進(jìn)行針對性改造，下文將具體闡述機(jī)械密封改造工作的實(shí)施要點(diǎn)。

圖1 機(jī)械密封示意圖

圖2 機(jī)械密封沖洗方案21示意圖

1 機(jī)械密封

機(jī)械密封主要部件是動環(huán)、靜環(huán)及一些輔助密封構(gòu)件，如：彈性元件(彈簧或者波紋管)，密封“O”型圈，彈簧止推座以及防轉(zhuǎn)銷等構(gòu)成。

機(jī)械密封的工作原理：機(jī)械密封主要是依靠動環(huán)和靜環(huán)之間相對滑動的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力作用下保持貼合，并配以輔助密封而達(dá)到阻漏的目的。所以在機(jī)械密封的使用過程中，動環(huán)、靜環(huán)的光滑清潔以及這兩個(gè)元件的貼合程度，對機(jī)械密封的使用效果起到至關(guān)重要的作用。

動環(huán)和靜環(huán)之間彼此貼合并作相對轉(zhuǎn)動的端面是機(jī)械密封裝置中的主密封，也是決定機(jī)械密封性能和使用效果的關(guān)鍵。為了使密封端面之間保持必要的潤滑液膜，并帶走相對轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生的熱量，因此沖洗液的選擇和來源就非常重要了，根據(jù)工藝要求和泵送介質(zhì)特點(diǎn)，既可以選擇從泵出口引入的自身輸送介質(zhì)，作為自沖洗介質(zhì)；也可以從外部引入清潔，符合工藝要求的外沖洗介質(zhì)。

圖3 機(jī)械密封沖洗方案01示意圖

圖4 機(jī)械密封沖洗方案62示意圖

2 機(jī)械密封泄漏的原因分析

隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展，工廠對機(jī)泵設(shè)備中密封的要求越來越高，在正常運(yùn)行中要求機(jī)泵設(shè)備盡可能地減少滴漏現(xiàn)象。與以往的填料密封相比，機(jī)械密封在防泄漏方面的優(yōu)勢非常明顯。但是機(jī)械密封在長期的運(yùn)轉(zhuǎn)中，由于其本身的機(jī)械運(yùn)行壽命以及實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)預(yù)期不同等原因，仍會出現(xiàn)密封實(shí)效，繼而出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。機(jī)械密封的泄漏不僅會干擾整個(gè)工廠的生產(chǎn)進(jìn)度，而且很有可能會造成安全事故和經(jīng)濟(jì)損失，所以機(jī)械密封在選型時(shí)一定要根據(jù)使用工況，選擇合適的機(jī)封類型，結(jié)構(gòu)，密封副材料以及沖洗方案，確保其運(yùn)行可靠和穩(wěn)定。機(jī)械密封的泄漏往往出現(xiàn)在如下部位：密封端蓋和泵體之間泄漏、靜環(huán)座與靜環(huán)之間的泄漏、軸套與軸之間泄漏、動環(huán)和靜環(huán)之間泄漏、動環(huán)和軸之間等等。

2.1 己內(nèi)酰胺輸送泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

在我公司對國內(nèi)某家己內(nèi)酰胺生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行前期項(xiàng)目調(diào)研和考察時(shí)，業(yè)主反應(yīng)己內(nèi)酰胺輸送泵機(jī)械密封，多次出現(xiàn)泄漏，經(jīng)更換密封附件，但效果一直不太理想，機(jī)械密封拆除后，發(fā)現(xiàn)主要問題為：(1)大彈簧內(nèi)存在己內(nèi)酰胺顆粒；(2)密封腔內(nèi)有己內(nèi)酰胺顆粒；

(3)主密封副端面，也就是動靜環(huán)接觸面有劃痕和磨損。

經(jīng)了解己內(nèi)酰胺輸送泵機(jī)械密封在原設(shè)計(jì)中采用的是傳統(tǒng)大彈簧機(jī)械密封，彈簧材料為316不銹鋼，主密封副為碳化硅(SiC)對石墨，輔助密封O型圈材料為氟橡膠。因?yàn)檩斔徒橘|(zhì)液態(tài)己內(nèi)酰胺的溫度在120℃～140℃之間，所以密封沖洗方案選擇API 682中標(biāo)準(zhǔn)沖洗方案21，即Plan21。

2.2 密封失效原因分析

(1)大彈簧內(nèi)存在己內(nèi)酰胺顆粒。從業(yè)主反饋意見看，己內(nèi)酰胺輸送泵在運(yùn)行初期或者停車再啟動后，容易發(fā)生機(jī)械密封的泄漏，泄漏量初期較小，但隨著運(yùn)行時(shí)間增加，泄漏量不斷加劇。己內(nèi)酰胺顆粒在在彈簧內(nèi)沉積、結(jié)聚，導(dǎo)致彈簧在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)喪失回彈性而引起機(jī)械密封的泄漏。

我們分析后認(rèn)為，己內(nèi)酰胺介質(zhì)特性較為特殊，其溶點(diǎn)為70℃，在該溫度以上，介質(zhì)為液體，流動性較好，但在70℃以下時(shí)，介質(zhì)容易發(fā)生自聚現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)塊或者顆粒產(chǎn)生。所以泵送介質(zhì)溫度較高，通常要維持在120℃以上。120℃的泵送介質(zhì)，如果要采用自身介質(zhì)作為機(jī)械密封沖洗液，通常無法采用自沖洗11方案，而需采用設(shè)置沖洗介質(zhì)冷卻器的21方案，所以初始的機(jī)械密封沖洗方案從理論上并沒有選擇錯誤。但是忽視了介質(zhì)特點(diǎn)，特別是在開車預(yù)熱階段，由于泵沖洗液是從泵殼體出口法蘭處引出，經(jīng)過孔板限流和冷卻器冷卻后再到機(jī)械密封的循環(huán)流程，但在預(yù)熱期間，泵進(jìn)出口之間壓差小，導(dǎo)致在密封腔循環(huán)的沖洗液的流動不僅流動緩慢而且流量小，在經(jīng)過裸露的沖洗管線和冷卻器后，沖洗液冷卻溫度過低，導(dǎo)致介質(zhì)在低溫下自聚，產(chǎn)生顆粒，慢慢集聚在大彈簧內(nèi)，最終引起彈簧失彈。

(2)密封腔內(nèi)有己內(nèi)酰胺顆粒。同理在停車后，再次啟動時(shí)，雖然在離心泵停車后，會對泵進(jìn)行吹掃，排除泵內(nèi)殘液，但在機(jī)械密封腔內(nèi)仍會存在少量殘余液體，在停用后，同樣由于溫度原因產(chǎn)生自聚結(jié)塊現(xiàn)象，最終導(dǎo)致密封腔內(nèi)積聚己內(nèi)酰胺顆粒。

(3)主密封副端面，也就是動靜環(huán)接觸面有磨損。從上文的描述中我們可以知道在低溫情況下，己內(nèi)酰胺會自聚形成顆粒。自聚形成的顆粒，對主密封副的傷害非常大，由于主密封副為常見的碳化硅對石墨材料，也是最常用的硬對軟結(jié)構(gòu)，利用石墨材料優(yōu)良的自潤滑性能，摩擦系數(shù)低，也不易與接觸的金屬咬合的優(yōu)點(diǎn)。但在此例應(yīng)用中同樣忽略了，隨著己內(nèi)酰胺顆粒進(jìn)入密封副后，造成密封端面貼合不緊密，同時(shí)靜環(huán)石墨端面由于材質(zhì)偏軟，在遇到顆粒地情況下，表面受到劃傷和磨損，加上動環(huán)軸向補(bǔ)償不及時(shí)，密封泄漏量增加從而使密封失效而介質(zhì)大量泄漏。

3 整改方案

針對上述機(jī)械密封在使用過程中存在的主要問題，我們進(jìn)行認(rèn)真分析，認(rèn)為并和國際知名機(jī)械密封生產(chǎn)企業(yè)博格曼(Burgmann)的技術(shù)工程師進(jìn)行探討后，在我公司后續(xù)的己內(nèi)酰胺項(xiàng)目同類離心泵的機(jī)械密封選型中作出如下調(diào)整：

3.1 采用機(jī)械密封沖洗方案01+62

從圖3可以看出，Plan 01最大的特點(diǎn)是機(jī)械密封的沖洗介質(zhì)從泵出口引出，通過泵體上內(nèi)部通道對機(jī)械密封進(jìn)行沖洗，然后再返回泵腔的內(nèi)部循環(huán)過程。采用01方案的優(yōu)點(diǎn)是避免了21方案裸露在外側(cè)的密封沖洗管路，以及取消了21方案所必須采用的冷卻器，簡化了密封管路。采用01方案后，即使在泵開車預(yù)熱階段，由于機(jī)械密封沖洗液是采用內(nèi)部循環(huán)，并且在泵頭保溫夾套的作用下，使得整個(gè)泵頭的溫度基本保持穩(wěn)定，避免了局部流動性差，且溫度過低而導(dǎo)致存在己內(nèi)酰胺冷卻自聚結(jié)塊的可能性。

另外，我們同時(shí)在靜環(huán)背部增加了如圖4的62方案，建議采用90℃熱水或者低壓蒸汽作為急冷介質(zhì)，對靜環(huán)背部進(jìn)行保溫，這樣無論在泵正常工作狀態(tài)還是在停車階段，均可以用熱水或者低壓蒸汽進(jìn)行保溫，防止了己內(nèi)酰胺顆粒在機(jī)械密封大氣側(cè)集聚。

3.2 采用旋轉(zhuǎn)式高溫波紋管結(jié)構(gòu)

因?yàn)椴捎昧?1方案，導(dǎo)致正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)高溫介質(zhì)直接進(jìn)入機(jī)械密封進(jìn)行沖洗，因此動環(huán)選擇高溫波紋管代替?zhèn)鹘y(tǒng)大彈簧結(jié)構(gòu)。常用波紋管有靜止式和旋轉(zhuǎn)式兩種結(jié)構(gòu)，由于旋轉(zhuǎn)式金屬波紋管薄片在旋轉(zhuǎn)過程中具有自清洗作用，可將少量己內(nèi)酰胺顆粒從波紋管中甩出，因此比較適合在該工況下使用。

3.3 主密封副材料采用碳化硅(SiC)/碳化硅(SiC)

由于原選型中的密封副采用碳化硅對石墨，而石墨材料的強(qiáng)度以及耐磨性較差，所以將密封副材料調(diào)整為硬對硬結(jié)構(gòu)，即使在泵運(yùn)行過程中，產(chǎn)生少量己內(nèi)酰胺顆粒，也不會對碳化硅密封副造成太大磨損。

3.4 輔助密封材料采用柔性石墨

原來選用的氟橡膠O型圈的最佳適用溫度在150℃以內(nèi)，考慮到調(diào)整后的沖洗方案是將高溫己內(nèi)酰胺液體直接進(jìn)入機(jī)械密封，在實(shí)際運(yùn)行過程中，密封腔內(nèi)溫度存在超過150℃的可能性，而導(dǎo)致氟橡膠老化，溶脹和龜烈等現(xiàn)象而導(dǎo)致輔助密封實(shí)效。因此我們在選型中，輔助密封采用全氟醚橡膠，美國杜邦公司的Kalrez 6375材料，其具有優(yōu)良的耐腐蝕性，最高工作溫度可達(dá)到250℃，并具有良好的彈性和回復(fù)性，拆裝過程中可重復(fù)使用，因此保證了輔助密封在長期運(yùn)行中的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)語

在我公司后續(xù)承擔(dān)得己內(nèi)酰胺裝置中，對己內(nèi)酰胺輸送泵機(jī)械密封方案和材料進(jìn)行上述調(diào)整后，機(jī)械密封效果立竿見影，在正常操作運(yùn)行中無非正常泄漏現(xiàn)象發(fā)生，極大地提高了離心泵運(yùn)行的可靠性，減少了無謂的停泵檢修，將低了業(yè)主的檢維修成本，獲得業(yè)主好評。

從這個(gè)問題上，我們也可以看到，雖然機(jī)械密封自身的使用壽命，質(zhì)量，安裝精度等是機(jī)械密封泄漏的主要原因，但不可否認(rèn)得是，有相當(dāng)比例的機(jī)械密封泄漏原因則歸咎于密封選型問題，所以在設(shè)計(jì)階段，需要更多地考慮到泵送介質(zhì)的工藝特性，特別是面對易汽化，易結(jié)晶等工況，在進(jìn)行密封沖洗方案和材料選擇時(shí)，需要和泵廠以及密封廠多進(jìn)行溝通，以確定最優(yōu)化方案。

[1]高武民.機(jī)械密封的失效原因分析及實(shí)際應(yīng)用.密封技術(shù)[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2013(02).

[2]賈淑芬,王志強(qiáng).機(jī)械密封的失效分析及預(yù)防[J].中國氯堿,2013(04).