【摘要】乙烯泵属低温泵，机械密封辅助密封圈的材料在使用时受到一定的限制，机泵所输送的介质粘度又很低，极容易引起机械密封静密封点的泄漏和端面磨损。根据实际情况，通过对该泵的机械密封进行了合理选型，成功地解决了低温冷泵机械密封泄漏问题。

1 前言
    随着石油化工及能源工业的发展，人们对转动设备的要求越来越高，希望转动设备能长周期稳运行。影响转动设备周期的因素主要有两个方面，一是密封的使用寿命；另一方面是轴承的使用寿命。其中，密封的使用寿命对设备的运转影响最大。转动设备传统的轴封型式及轴封发展过程是；填料密封、机械密封、非接触式机械密封。填料密封由于使用寿命短、泄漏量大，消耗功率大，现已逐渐淘汰。机械密封是20世纪初出现的一种端面密封，由于其使用寿命长、泄漏量小等优点，现已得到普遍的应用，据统计，石化企业90％以上的轴封采用机械密封。非接触式机械密封是近二十年才发展起来的一种密封形式。而干气密封是目前发展最快的一种非接触机械密封，从20世纪七十年代末期开始，国外就开始使用气体端面密封。干气密封属于是非接触式密封，其作用原理是通过在密封面上开一定形状的浅槽，密封运转时产生流体动压效应，在摩擦副之间形成一层很薄的气膜，从而使密封工作在非接触状态下因为这种密封不发生接触，所以密封产生摩擦热很小，密封环的使用寿命长，而且不需要复杂的密封辅助系统，干气密封的另一个优点不会对工艺介质或环境造成污染，因为密封气体可选择机械设备所输送的介质。干气密封最初为解决高速离心压缩机轴封而出现的，其优良的密封性能和极长的使用寿命，在20世纪90年代初期逐渐应用到离心泵上。EP-432是化工一厂裂解车间分离装置乙烯塔回流泵，泵型号为10×HVC，该泵自机械密封国产化以后机械密封始终存在泄漏问题，经多次检修，泵密封泄漏问题一直未能解决，密封的泄漏不但造成原料产品的浪费还污染了环境，同时也给安全生产带来了危胁，必须对机泵的机械密封泄漏问题进行技术攻关。
    EP-423泵所输送的介质为乙烯，正常工作时温度是零下98℃，属低温泵，机泵设计的各项工参数如下表:

2 机械密封泄漏原因分析及攻关目标
2．1机械密封端面磨损产生的动密封点的泄漏
    由于该泵所输送的介质温度低且组份较轻，当密封腔内介质压力偏低或温度偏高时，密封端面的流体液膜发生气化，造成密封端面半液体磨擦或瞬时的干磨擦，动静环的端面产生磨损，引起密封失效产生泄漏。要解决密封端面磨损问题，必须合理地计算机械密封在该工况条件下的端面比压及(PV)值。在机泵启动前必须做好干燥预冷工作，温度是否达到开泵的要求要看化验分析的露点温度，该泵的启动温度要达到-72℃，否则密封将会产生端面动密封点的泄漏。
2．2辅助密封圈因温度过高老化失弹致使密封静密封点产生泄漏。
    密封冲洗效果不好或动静环端面加工精度低，产生大量磨擦热量使磨擦付表面温度急剧升高，引起辅助密封圈的失弹或老化，导致密封泄漏。当出现以上问题时，首先要检查泵密封冲洗管是否阻塞；安装机封之前要看密封端面光洁度是否达到要求，表面是否平直。
2．3镶嵌结构的密封变形
    镶嵌结构的密封由于长时间的放置或温差变化较大时都容易产生变形，引起密封端面泄漏，在安装密封时一定要先测量在用钠光灯检验密封端面光的干涉条纹是否匀均；检查镶嵌环座材质的热膨系数和被镶嵌环的热膨胀系数是否一致。
2．4静环密封圈材质及过盈量是否合理
2．4．1静环密封圈材质选用十分重要，低温泵的材质要选用具有良好的化学稳定性、冲击韧性、吸水性差、导热性差、线膨胀系数大的聚四氟乙烯，或选用耐低温的硅橡胶。
2．4．2机械密封辅助密封圈的盈量是否合适，常温泵密封圈的过盈量与低温泵是不一样的，一般常温泵密封圈过盈量为0．15~4．20mm之间，低温泵密封圈过盈量为0．20~0．30mm之间。否则辅助密封圈遇冷收缩会致使密封的静密封点泄漏。
2．5机械密封的端面比压对密封泄漏的影响。
2．5．1机械密封的端面比压过大将会加速密封端面的磨损，引起密封泄漏。
2．5．2机械密封的端面比压过小密封端面液膜的反压或饱和蒸汽压就会把密封端面推开，引起机械密封泄漏。
2．6机泵振动引起的密封泄漏
    机泵对中及其它原因引起的机泵振动超标时，直接影响机泵的密封效果，动静环端面间厚薄比较稳定的流体液膜将会被破坏，导致密封失效，引起密封泄漏。
2．7机泵间断性抽空
    机泵间断性的抽空将会导致密封端面及动环密封圈损坏，引起密封失效
2．8杂质颗粒
    介质或泵腔中的一些杂质颗粒很容易进入密封端面和“V”形密封圈中。EP-432泵的密封静环采用浸渍石墨，动环是1Crl8Ni9Ti镶嵌硬质合金，当有颗粒进入密封端面时石墨静环很多容易被磨损，杂质颗粒进入V形辅助密封圈时就会破坏密封圈的密封效果；引起密 封失效，从而造成密封泄漏。

2．9密封的检验与装配
    2．9．1对于一套新机封的装配，装配前检验是不可缺少的工作程序。
    a．检验密封面的平整程度是否达到0．8以上。
    b．密封端面相对于轴线的垂直度是否小于0．005mm。
    c．动环在安装弹簧盒及密封圈以后，检验其在轴套上转动是否灵活自如，有无卡涩现象。
    d．检验密封面有无横断划痕。
    e．检验密封环紧度是否合乎要求。
    f．检验静环防转销长度是否合理。
    g．检验轴套与密封环接触处是否达到要求。
    2．9．2装配质量直接影响密封的使用效果，在装配低温泵时，不能用其它任何油涂抹密封面及密封圈部位，要用酒精清洗密封面。
    通过以上能引起密封泄漏的原因分析，各步骤的实施，实际情况如下：从机械密封动静环端面接触情况来看，动静环密封面接触良好，静环有轻微的磨损；没有发现泵抽空，泵内介质清洁无杂质颗粒；通过对原密封几个参数的计算，证明该泵机械密封所给定的端面比压和[PV]值都是正确的。当用钠光灯检测动静环密封面时，发现动环端面的光干涉条纹有间断处；这说明动环时效时间过短或机械密封放置时间过长，导致动环镶嵌部分轻微变形，造成密封端面贴合不严；检查“V”环时测量其过盈只有0．10mm，这个过盈量对于常温泵尚可、对于低温泵根本就起不到初始密封的作用。EP-432原机封如图(1)所示：

    根据以上事实证明EP-432泵的密封失效是由于密封本身问题造成的。找到机械密封的泄漏原因后，经过论证分析决定对EP-432机封进行改造，考虑到机泵的现有工况条件，必须密封进行改型。通过和四川密封研究所联系，共同研究和探索，确定了改造方案，我们决定把原来多弹簧机械密封改成较先进的非接触式干气密封十机械密封的串联形式，密封结构如图(2)所 示：

    这种密封主要用在中、高压条件下的机械设备中，其中的机械密封所封存的介质为液体，第二级密封为干气密封，密封的介质为第一级密封泄漏的微量介质和外部引入的惰性气体或设备所输送介质，该结构的密封常用于输送液态烃、氨等易挥发介质的密封，其中最大的优点是：机械密封作为主密封对工艺介质进行密封；干气密封作为辅助密封，其作用有两个：一是通过密封惰性气体增加主密封的背压，提高机械密封端面液膜的完整性，减小密封端面的磨损，延长机械密封的使用寿命；二是将机械密封泄漏出来的工艺介质收集起来随惰性气体一起排往火炬，保证工艺介质不会泄漏到大气环境中造成污染。其使用寿命取决于机械密封。
3 实施
3．1干气密封的理论计算及各部尺寸的确定。
    干气密封运转时，由于浅槽作用产生流体动压效应，在密封面间形成很多薄的气膜，而且这层气膜具有一定的刚度，密封运转的稳定性就取决于气膜刚度的大小，根据雷诺方程计算稳态时的密封产生的动压效应：

    封的有关尺寸及有关数据：
    密封面外径：Φ103．5mm
    密封面内径：Φ77．5mm
    气源的压力：0．6Mpa
    气体粘度：1.8×10^-5Pa·S
    密封的转数：2950 r／min
    密封螺旋槽数：12
    密封槽角度：180º
    密封螺旋槽深：2μm
    密封弹簧力：76N
    密封功率消耗：4．8kW
    密封面气膜承载力：2324．6N
    密封气体泄漏量：0．068m³／h
    干气密封结如图(3)图所示：

3．2密封材料的选择
    为确保串联干气密封的密封稳定性，通过查找有 关资料，第一级机械密封动环材质选用了硬质合金， 静环材质选用了浸渍石墨，动环辅助密封圈采用聚四氟乙烯楔形环，静环辅助密封圈采用耐低温的丁腈橡 胶，保证主密封在高压低温下具有良好的密封性和较 长的使用寿命。干气密封摩控副材选用4Crl3对石 墨，干气密封动压螺旋密封槽加工在4Crl3硬环端面 上，其型式如图(4)所示：

    机械密封和干气密封通过轴套和压盖组装成串 联结构。根据乙方提供的资料和其它厂的成功经验， 我们对EP-423泵机械密封进行了系统的改造安装。 安装干气密封必须有一个与之相配套的0．3Mpa～ 0．5Mpa的气源，气体进入密封腔前要经过过滤净化，过滤器精度小于1μm。在没有气源的情况下，我们通 过分析，决定用系统氮气，在气源压力偏低的情况下， 通过球阀B来调整进气压力，干气密封和氮气线安装 工艺简图如图(5)所示：

    两端支承离心泵的安装有个定心问题，“三心”确 定后，才能对机械密封弹簧的压缩量进行最后的确 定，机械密封弹簧压缩量的大小关系到机械密封的使 用寿命，压缩量过小容易造成密封泄漏；压缩量过大，造成端面比压过大，既[PV]过大，会增大密封端面的磨 损，缩短密封的使用寿命，所以，机泵的定心问题是关 键。通过大家的一致努力，终于圆满地完成了EP-432 干气密封的安装任务。通过干燥预冷、试泵，机泵运转 平稳，密封无泄漏，EP-432B密封改造初步获得成功。
4 取得的效果和经济效益
    通过一年的运转，EP-432运转平稳，干气密封效 果良好，改造前由于机械密封的频繁泄漏，检修一次机封及其它材料消耗就高达0．4万元，两台一年里配 件损耗0．14万元／套×12次4Crl32=14万元，每年排 放火炬的乙烯大约二十吨左右，如果每吨乙烯按0．45 万元计算，每年的间接损失达20余万元。
    这次EP-432B泵机械密封改造的成功，为大庆石 化公司乙烯的安、稳、长、满、优生产奠定了良好的基础，也为新技术应用技术革新开了个好头。
参考文献
不同槽型气体端面密封的研究》，流体机械，1996
《流体密封》，石油工业出版社，1987
《螺旋槽干气密封的优化设计》，流体机械，1995