氨泵機械密封方案的選型及應用

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

在合成氨項目中，氨泵是不可缺少的機泵設備之一，隨著無密封泵的應用與發展，屏蔽泵和磁力泵的技術已經非常成熟，它們在結構上避免了傳統的軸端密封，可以做到絕對無泄漏，輸送易于氣化的氨介質，屏蔽泵是一個不錯的選擇，但是無密封泵的適用范圍還是有局限性的，根據以往的工程經驗，采用屏蔽泵或者磁力泵，在功率大于75 kW以上且NPSHa不是足夠大(NPSHa≤50 m)的工況下，無密封泵軸承處產生的熱量導致介質氣化引起軸承損壞的概率大幅度增加。當配套電機功率在75 kW以下時，氨泵的使用效果較好。因此，在氨泵采用機械密封泵時，鑒于液氨易揮發性及極強的滲透性，合適的機械密封方案是保障氨泵穩定運行的關鍵要素。

1 影響機械密封方案的因素

本文中涉及到的泵均為符合API610 (ISO 13709)要求的泵，配套機械密封是符合API682的集裝式機械密封。影響機械密封方案的因素有很多，歸納起來主要有以下因素：①使用工況，如介質壓力、溫度、軸徑和轉速；②介質特性，如濃度、黏度、飽和蒸汽壓、腐蝕性、有無固體顆粒及纖維雜質，是否易氣化，結晶或聚合等；③主機工作特點與環境條件；④主機對密封的允許泄漏量、泄汛方向要求；⑤操作及生產工藝的穩定性。

2 氨泵的特點

某熱氨泵的操作工況見表1。

表1 某熱氨泵的操作工況

熱氨泵工藝工況運行穩定、操作工況常規，此泵原設計采用屏蔽泵(多級和單級的方案均有)，但是使用情況均不理想，泵在投用后短時間內均發生軸承損壞，原以為是泵入口配管不當導致汽蝕造成的，但是經過多次對入口的配管進行整改，同時將臥式泵更換為立式泵來改善入口可能產生的汽蝕，但損壞情況一直得不到改善。根據運行情況及現場的損壞情況分析，導致損壞的原因主要是因為軸承處的溫升導致液氨汽化造成軸承處干磨引起的，最終更換為機械密封的離心泵。機械密封腔的壓力約為1.81 MPa(a)，溫度為40 ℃，該工況下的壓力、溫度均不特殊。對熱氨泵機械密封方案起決定作用的是氨介質的特性：黏度低、潤滑性能不佳，同時氨的飽和蒸汽壓對溫度極其敏感，再加上氨極強的滲透性。其中液氨極易氣化是影響機械密封選型的主要因素，液氨在40 ℃時的飽和蒸汽壓約為1.54 MPa(a)，在64 ℃時的飽和蒸汽壓約為2.84 MPa(a)，即熱氨泵壓力上升1.3 MPa，溫升只要24 ℃就會導致汽化(同樣的壓升下，水汽化的溫升為155 ℃)，如果壓力上升0.5 MPa，溫升只要10.5 ℃就會導致汽化(同樣的壓升下，水汽化的溫升為115 ℃)。如果在泵的密封端面摩擦產生熱量不能迅速傳導到流動的介質中去，密封端面處的介質溫度上升過高，極易引起氨汽化，導致密封面干磨損害。針對氨的這種特性，選用了雙端面加壓機械密封，沖洗方式為PLAN11+13+53B。

3 氨泵密封的使用情況及注意事項

從目前氨泵的使用情況來看，無論是國產泵頭還是進口泵頭均沒有任何問題，問題均出在密封或屏蔽泵的軸承上(均與泵的介質氨易于汽化有關，汽化或夾帶氣體導致干磨)。更換后的離心泵，采用雙端面加壓機械密封，沖洗方式為PLAN11+13+53B，目前使用情況良好。此方案為帶壓串聯式機械密封，適用于易燃、易爆、有毒的易氣化的流體，PLAN53B罐的壓力要維持在比泵的密封腔高出0.2～0.3 MPa。第一級密封內環采用泵輸送介質冷卻，第一級和第二級密封面均由加壓密封沖洗罐內的緩沖液潤滑，以避免液氨在密封面處氣化。在第一級密封介質側，設置PLAN14(PLAN11+13)沖洗方案，沖洗介質從泵出口至密封腔(節流襯套和動環O形圈之間的腔體)，通過節流孔板(φ3 mm)返回至入口，目的是控制密封腔壓力和保證冷卻流量，同時避免密封腔存氣。PLAN14和PLAN53B密封示意見圖1、圖2和圖3。

圖1 PLAN14管路和儀表安裝示意

圖2 PLAN53B管路和儀表安裝示意注：1—補液口；2—氣囊式緩沖罐；3—氣囊充氣口；4—冷卻器

圖3 PLAN14+53B密封腔

為了保證第一級密封的壓差，開車期間需要對實際運行工況下泵密封腔壓力進行檢測并調整密封沖洗罐的壓力，以確保密封沖洗的壓差在合理的范圍內。以往項目中雙端面加壓機械密封損壞原因有如下幾個方面：①有些機械密封采用了非集裝式，導致密封安裝不好；②密封的選型，密封材料的選擇不合理；③隔離液壓力報警值是泵制造廠根據理論計算值設定的，實際的密封腔壓力往往和理論計算值差距較大。隔離液的壓力無法保證高于介質端壓力，極易造成液氨在密封面處氣化，導致密封失效；④PLAN53B第一級密封介質側，密封腔節流襯套和靜環處的氣體無法排除極易造成密封表面氣化損壞；⑤目前密封的O形圈為橡膠材質(材質為乙丙橡膠)，微量雜質極易導致O形圈失效，使用效果不理想。

針對以上可能存在的密封失效損壞的情況，在選用以上推薦的密封方案時，仍需要做好如下措施，確保機械密封安全有效：①采用有成功氨泵密封業績的制造廠；②采用集裝式機械密封，出廠時已調整好，現場無需調整；③采用在泵密封腔上設置就地壓力表，以現場實測密封腔壓力，然后設置密封緩沖液壓力高于介質側壓力0.2～0.3 MPa，保證第一級機械密封面由緩沖液潤滑，而不是液氨，以避免液氨在密封面處氣化；④在第一級密封介質側從泵出口至密封腔(節流襯套和動環O形圈之間的腔體)，設置PLAN14(PLAN11+13的組合)沖洗介質通過節流孔板(φ3 mm)返回至入口，目的是控制密封腔壓力，提高密封腔氣化溫度；⑤第一級密封O形圈推薦選用全氟醚橡膠(FFKM)材質，以提高耐液氨中含微量雜質的可靠性。

4 其他常用的氨泵密封方案及特點

除了上述的密封方案外，目前熱氨泵常用的機械密封方案還有PLAN11+52、PLAN54和PLAN11+72(機械密封+干氣密封)。其使用效果與密封的選型、密封材料的選擇(包括O形圈材料)、沖洗方式及其帶壓系統的選型有關，使用情況有好有壞。

4.1 PLAN11+52

此方案為無壓串聯式機械密封，適用于易燃、易爆、有毒的易汽化的清潔流體，密封腔的壓力僅比進口壓力高約0.2 MPa，第一級密封采用泵輸送介質潤滑和冷卻密封面，第二級密封采用常壓密封沖洗罐內的緩沖液潤滑和冷卻密封面，PLAN52典型示意見圖4、圖5。

圖4 PLAN52管路和儀表安裝示意注：1—放空口；2—緩沖罐；3—補液口

圖5 PLAN52密封腔

中國五環工程有限公司在某項目中的熱氨泵，密封沖洗方案為(PLAN11+52)，原配套為小彈簧、平衡型機械密封。開車期間一級密封面多次損壞，廠家多次維修機封，并且更換密封面及密封圈的材質均沒有解決這個問題。通過對運行過程及密封端面損壞的情況進行分析，認為損壞的原因可能有兩方面：一方面是一級密封面產生的熱量極易使液氨達到氣化壓力，在機械密封端面氣化，破環密封端面的平衡力；另外一方面是小彈簧平衡型結構在非正常工況下的追隨性也大大降低，使動環和靜環的密封面直接撞擊和干磨。后來更換為金屬波紋管型機械密封，將密封環和波紋管制成一個整體，中間沒有輔助密封圈，此方案減少了一個泄漏點，同時減少了補償機構的摩擦力，改善了補償機構的追隨型，降低了機械密封端面對介質的敏感性。更換后的使用效果還是不錯的，但是一級密封端面容易氣化的隱患并沒有消除。

圖6 PLAN54管路和儀表安裝示意

4.2 PLAN54

此方案為帶壓雙端面(背靠背結構)機械密封，適用于易燃、易爆、有毒的易汽化的介質，外供密封沖洗液的壓力高于密封腔的壓力，在密封端面處是由外供密封沖洗液進行潤滑和冷卻，杜絕了液氨到達密度斷面發生氣化的可能性。PLAN54典型示意見圖6、圖7。

圖7 PLAN54密封腔

在尿素裝置中進口EBARA的高壓液氨泵通常采用PLAN54的機械密封方案，機械密封是由荏原和日本皮拉公司聯合針對此泵設計開發的，為了確保密封沖洗的安全可靠性，設置有完整的密封沖洗系統，密封沖洗管線上設有壓力、壓差及自動調節閥等相關的監控、調節及報警裝置，如果外供水源不能滿足密封沖洗壓力的要求，還需要設置獨立的密封沖洗水箱及系統。機械密封的使用效果總體上是不錯的，但是運行成本和一次投資的成本都較高，對于較小的氨泵來說，性價比不高。

4.3 PLAN11+72(機械密封+干氣密封)

此方案為帶壓串聯式機械密封，適用于易燃、易爆、有毒的易汽化的流體，此方案目前在很多工廠都是屬于改造方案，比如海南東方和川化都有相應的改造成功的使用業績，改造后的使用情況也不錯。此方案需使用N2來隔離，通常第一級密封也有泄漏，但被外面的干氣密封氮氣吹到火炬管中，其壽命與氮氣的穩定性和密封設計有關。采用此種方案，設備采購成本和后期的維護成本都是比較高的。對于較小的氨泵來說，性價比不高。PLAN72典型示意見圖8、圖9。

圖8 PLAN72管路和儀表安裝示意

圖9 PLAN72密封腔

但是針對這種方案，筆者認為還有兩個需要注意的地方：一方面是第一級的密封方案采用PLAN14的沖洗方案增加了密封腔壓力，同時避免密封腔存氣，在介質為氨的工況下，比采用PLAN11的使用效果更好；另外一方面需考慮到地域環境的差別，當設備是用于嚴寒的北方，考慮到在PLAN72的放空側，為了避免泄漏排放的氣氨在放空的過程中出現冷凝引起液封，此時增加PLAN75，從機械密封的低點進行積液導淋后排放，PLAN75典型示意見圖10、圖11。

圖10 PLAN75管路和儀表安裝示意

圖11 PLAN75密封腔

以上幾種密封方案也是在氨泵上比較常見的密封型式，每種密封型式都有其適用的場合和工況。

5 結語

本文根據工程經驗結合使用業績，主要針對氨泵常用的密封方案進行了介紹，并對每種方案的適用場合進行了對比說明，以及采用推薦的機械密封方案時應注意采取的措施。在工程設計過程中，針對不同的工況，用戶和工程技術人員可以根據設備的使用工況選擇合適的密封方案，以確保氨泵安全、可靠、長周期運行。