液態(tài)丙烯泵用機械密封改造設計

王玉鵬 楊正寬

摘 要：狹窄密封腔內，機械密封需要滿足較高壓力的液態(tài)丙烯，在冬季氣溫較低，飽和蒸汽壓也隨之降低，密封腔壓力也較低，在此情況下機械密封可以滿足現(xiàn)場使用要求。在夏季溫度較高，飽和蒸汽壓也隨之升高，密封腔壓力變大，原機封不能滿足工況，密封環(huán)破壞而產生泄露。在此背景下對原有機械密封進行改造設計。

關鍵詞：液態(tài)丙烯；飽和蒸汽壓；汽化；沖洗系統(tǒng)。

A transformation and design for Mechanical Seal of liquid propylone Pump

Wang Yupeng1 Yang Zhengkuan2

（1、Dalian JiuTech Seals Co.，Ltd. ， Dalian Liaoning 116039， China；

2、Dalian Tiansheng General Machinery Co.，Ltd. Dalian Liaoning 116025， China）

Abstract： The mechanical seal discussed in this thesis has to perform in a very small seal chamber and the sealed medium is high-pressure liquid propylene which has been a major challenge for mechanical seal. In winter， the vapor pressure for propylene is low due to the low temperature and the former mechanical seal performed well， but in summer， the vapor pressure for propylene is high due to the high temperature， the former mechanical seal services poor under this situation and finally been broken which leads to a leakage. Under this background， we reformed the design of the seal.

Keywords： liquid propylone； Staturated Vapor pressure； Vaporization； flush plan。

丙烯是三大合成材料的基本原料，主要用于生產丙烯腈、異丙烯、丙酮和環(huán)氧丙烷等，用以生產多種重要有機化工原料、生成合成樹脂、合成橡膠及多種精細化學品等。

在石油裂解制丙烯的過程中，丙烯在常溫常壓下為無色氣體，在高壓和低溫下能液化。在介質由液態(tài)轉變成氣態(tài)或者由氣態(tài)變成液態(tài)相變的壓力點，我們稱之為飽和蒸汽壓，在不同的溫度下，飽和蒸汽壓的值不同，溫度越高，飽和蒸汽壓的值就越大。丙烯泵輸送丙烯時，丙烯必須呈液態(tài)形式，因此丙烯泵的入口壓力和密封腔壓力必須要高于工況溫度下的飽和蒸汽壓，丙烯泵輸送的丙烯才能為液態(tài)丙烯。

中國石油天然氣股份有限公司在高危泵改造過程中，大連分公司的有機合成分廠液態(tài)丙烯泵用機械密封由華陽改造，此臺丙烯泵軸徑為Φ44，密封腔原為填料密封使用的密封腔，徑向空間狹小，改造前使用的是單端面，我公司采用了H110型機械密封面對面布置雙封結構，采用的系統(tǒng)方案是PLAN11+52，見圖1系統(tǒng)簡圖。

1 初始設計方案

丙烯泵工況參數(shù)見表1。

該密封為2016年11月份安裝，安裝初期密封使用狀態(tài)良好。運行到2017年7月，密封出現(xiàn)泄露。

2 故障分析

問題發(fā)生后，經(jīng)與設備人員和機修人員進行了現(xiàn)場討論。介質為液態(tài)輕烴丙烯，在冬季氣溫較低，飽和蒸汽壓也隨之降低，入口壓力在初始設計的0.6MPa。在夏季溫度較高，飽和蒸汽壓也隨之升高，入口壓力提高到了1.6MPa。所以H110機封在冬季更換時并沒有什么異常，隨著氣溫升高，問題逐漸體現(xiàn)。

問題一：經(jīng)拆解機封，由于沖洗方案為PLAN11+52，且密封腔壓力較高，這使得介質側密封芯的擋環(huán)在受壓后變形，最終導致密封泄露。圖3為擋環(huán)受力變形過程示意圖。

問題二：機械密封在運轉過程中石墨密封環(huán)的變形是由于溫度與壓力共同作用引起的，重新對動環(huán)（石墨環(huán)）承壓能力進行分析和計算，在入口壓力達到1.6MPa后，補償環(huán)已不能滿足壓力條件。圖4為H110密封芯補償環(huán)承壓曲線。

3 改進設計

由于此臺丙烯泵的泵腔為填料密封設計，泵腔徑向尺寸小，選擇華陽H197密封。圖5為重新設計的機械密封裝配圖，為靜止式背靠背雙封。

在給定初始設計后，需要進行校核計算，本文作者運用有限元（FEA與FVM）的方法，計算密封環(huán)在極端工況壓力與低溫作用下密封環(huán)的變形情況，以及端面的壓力分布和泄漏量。

3.1 密封性能有限元分析

3.1.1 有限元模型

根據(jù)密封的工況參數(shù)，假設壓力為2MPa，溫度為30℃。根據(jù)設計參數(shù)以及密封尺寸建立模型并劃分網(wǎng)格，并加載邊界條件進行模擬計算分析。

圖6為建立模型并且劃分網(wǎng)格的摩擦副，圖7為加載邊界條件的情況，針對摩擦副需要加載流體邊界條件和摩擦副的材料屬性。

3.1.2 密封的接觸壓力及變形量

圖8示出了計算得到的主密封摩擦副在壓力作用下產生的變形，圖9示出了計算得到的主密封的摩擦副在溫度作用下產生的變形，圖10示出了計算得到的密封環(huán)在壓力與溫度共同作用下的變形情況。圖11示出了計算得到的密封端面間的流體壓力分布與接觸壓力分布情況，可見，密封面間的流體壓力梯度由密封外徑向密封內徑側遞減，在封面接觸壓力平直。

密封面的變形僅為100μrad （約7.4個氦光帶），此變形量是微小的，說明密封環(huán)的結構設計在一定程度上抵消了流體壓力的變形，并且當溫度與壓力共同耦合時，密封變形量協(xié)調到比較好的程度，達到了密封端面變形僅為7.4條氦光帶（1條氦光帶=1/2波長=0.29μm）。

3.1.3密封的泄漏量

機械密封的泄漏量是一項重要的指標，在控制變形的同時，密封的泄漏量也需要分析，通過專業(yè)機械密封計算軟件得出泄漏量為7.6g/h（74.3ml/min），泄漏量滿足設計要求的。

由于壓力在端面間呈下降趨勢，當端面壓力低于介質的飽和蒸汽壓時，介質便會在端面汽化，因此從密封面間泄漏的為丙烯氣體。丙烯氣體易燃易爆且有毒，需要對泄漏的氣體進行處理以保護環(huán)境，通過PLAN52系統(tǒng)接火炬燒掉。

4 結束語

液態(tài)丙烯輸送泵的機械密封改進設計通過計算滿足使用要求，符合API682標準規(guī)定的相關參數(shù)。經(jīng)過實踐證明，改后的機械密封結構經(jīng)受住現(xiàn)場壓力變化的考驗，保證了密封能夠長周期穩(wěn)定地運轉。改造后的機械密封現(xiàn)在仍然在現(xiàn)場運轉。

作者簡介：

王玉鵬（1981—），本科，工程師，從事流體機械密封研究、設計。

楊正寬（1982—），本科，工程師，從事合成橡膠后處理干燥設備研發(fā)、設計。