無水機械密封在磷化工生產中的應用

白保生，陳 虹

(云南云天化股份有限公司紅磷分公司 云南開遠 661699)

云南云天化股份有限公司紅磷分公司(以下簡稱紅磷分公司)的主要產品為磷酸一銨、磷酸二銨、復合肥料等系列磷化工產品，生產原料涉及磷酸、硫酸、氟等強腐蝕性介質，因此，生產過程中的泄漏控制始終是核心工作，而耐磨蝕離心泵的軸密封是泄漏控制工作的重點及難點。紅磷分公司在泵密封件的選擇上先后使用過內置單(雙)面、外置單(雙)面、HTM集裝式等機械密封，在泄漏點的控制上取得了顯著的成效，但仍然存在一定的問題。此外，機械密封都需用冷卻水，不但造成了一次水資源的消耗，而且現場冷卻水排放會影響周圍環境。為逐步推進節能降耗目標，紅磷分公司不斷尋求新技術，通過對目前較為先進的HTM集裝式機械密封進行局部改進，取消了機械密封冷卻水，為實現節能降耗、綠色文明生產創造了有利條件。

1 機械密封概述

機械密封是由至少一對垂直于旋轉軸線的端面在流體壓力及補償機構彈力的作用及輔助密封的配合下，保持貼合并且相對滑動，構成防止流體泄漏的一種裝置，通常采用端面密封形式，一般用作泵類設備的旋轉軸密封，由主要部件(動環、靜環)、輔助密封件(密封圈)、彈力補償機構(彈簧、推環)和傳動件(彈簧座或固定螺釘)四大部件組成。機械密封的旋轉端在高速運轉時，處于介質中的彈簧本身受到離心力影響而很容易發生變形，而強腐蝕性的介質在強烈攪動下對彈簧更加不利；靜止端主要承受摩擦、溫度及腐蝕的影響。無論是旋轉端還是靜止端都是機械密封中最為主要的零配件，其性能直接關系到密封的效果及使用壽命，因此，對密封環的材料、結構、形狀、尺寸、表面加工質量等都有較高的要求。

2 普通機械密封應用情況

2.1 單端面內置機械密封的應用

單端面只有1個密封面，其冷卻液為泵體內介質，無冷卻水，其主要結構如圖1所示。

圖1 單端面內置機械密封主要結構

單端面內置機械密封在紅磷分公司主要用于輸送濃硫酸、硫酸銨等與水能產生強烈反應且本身比較潔凈、無懸浮顆粒的化工原料的離心泵，機械密封的彈簧、支座、密封件等直接與酸接觸，長期承受腐蝕及離心力的影響，使用工況條件惡劣，容易產生密封失效，給生產的持續穩定運行及環境保護帶來很大的影響。

2.2 雙端面內置機械密封的應用

雙端面內置機械密封有2個密封面，靠近泵葉輪端的密封面用于防止輸送介質從軸端泄漏，另一端用于防止機械密封冷卻水泄漏。該機械密封需用冷卻水降溫，冷卻水在機封室內形成一定壓力(0.3～0.5 MPa)以平衡泵內介質壓力。雙端面內置機械密封主要結構如圖2所示。

1、7.靜止環O形密封圈 2、6.動、靜環密封面 3、5.動環O形密封圈 4.密封蓋(法蘭盤)墊圈圖2 雙端面內置機械密封主要結構

雙端面內置機械密封在紅磷分公司主要用作輸送含有懸浮顆粒的濃磷酸、洗滌液等耐磨蝕泵的軸端密封，在使用過程中通常存在以下問題。

(1) 機械密封需要冷卻水冷卻摩擦面，若發生水管堵塞、水管接頭脫落等故障時，短時間內就會發生機械密封燒損現象，導致輸送介質從軸端向外噴灑。

(2) 密封件經長期磨損、腐蝕而失效后，冷卻水就會進入泵內與濃磷酸、洗滌液等介質混合，即出現內漏現象。內漏現象不易發現，雖然不會產生環境污染，但會使磷酸、洗滌液濃度降低，影響生產控制指標，嚴重時甚至引發產品質量事故。

(3) 存在水資源消耗，冷卻水外排影響周圍環境。

3 無水機械密封的應用

3.1 應用概況

針對普通機械密封在實際生產應用中存在的問題，紅磷分公司成立專門的技術攻關小組，通過與機械密封生產企業的合作并結合實際工況條件，對HTM集裝式機械密封的動、靜密封環進行了改進，得到WHS系列無水集裝式機械密封，其外形及結構如圖3所示。

WHS系列無水集裝式機械密封自2017年11月投用以來，設備運行正常，各項技術指標達到改造要求，解決了紅磷分公司長期存的離心泵軸密封難題，不僅節省了一次水，而且為綠色文明、低碳環保生產奠定了基礎。

3.2 無水機械密封的設計

機械密封冷卻水主要用于移除動、靜密封環在相對高速滑動過程中所產生的熱量，所以無水機械密封首先要解決移除動、靜密封環摩擦而產生的熱量問題。通過不斷研究和試驗，從2個方面可以完全解決摩擦發熱問題。

1.靜環密封圈 2.摩擦副 3.動環密封圈 4.壓蓋密封圈 5.軸套密封圈圖3 WHS系列無水集裝式機械密封外形及結構

(1) 結構上采用單端面集裝形式，充分利用輸送介質(濃磷酸、洗滌液)來吸收熱量。

(2) 對動、靜環的材質進行改進。普通機械密封動、靜環的材質為碳化硅-碳化硅、碳化鎢-碳石墨、三氧化二鉻Cr2O3-碳石墨等，具有耐磨、堅硬等優點，但在相對摩擦運動中必然會產生較大的熱量。而碳化硅+碳合金材質不但繼承了碳化硅耐磨、堅硬的特性，而且在密封面間會形成很薄的碳粉末以達到潤滑密封面的效果，從而極大地減少了動、靜環摩擦產生的熱量。

3.3 無水機械密封與普通機械密封的對比

以LC50/350型耐磨蝕離心泵為例，無水機械密封與普通機械密封使用情況對比如表1所示。

表1 無水機械密封與普通機械密封使用情況對比

密封形式適用介質存在問題密封失效因素使用周期/月年運行費用/(元·臺-1)單端面機械密封 濃硫酸、硫酸銨等無懸浮顆粒液體 密封件長期承受腐蝕影響,使用壽命短長期磨損、過熱損壞、化學腐蝕49 000雙端面機械密封 含有懸浮顆粒的濃磷酸、洗滌液等 水資源消耗高,容易出現內漏現象,易引發產品質量事故長期磨損、過熱損壞、化學腐蝕49 000無水機械密封可適用于各種液體操作控制嚴格,不允許“打空泵”運行長期磨損、化學腐蝕57 200

由表1可知，新型的WHS系列無水集裝式機械密封應用于磷化工生產具有顯著的優點，不但能延長設備使用周期、降低生產成本，而且能節約水資源，避免出現內漏現象，防止由此導致的產品質量事故發生。

紅磷分公司使用無水機械密封以來，極大地改善了現場操作環境，降低了水資源消耗，延長了設備使用壽命，為保護生態環境、實現綠色文明生產提供了有力保障。