甲醇泵機(jī)械密封的國產(chǎn)化改造

陳可為

(云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司，云南 開遠(yuǎn) 661699)

各類低溫甲醇洗裝置中，熱再生塔貧液泵是核心的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，同時(shí)也是裝置故障率較高的設(shè)備。機(jī)械密封是否可靠是影響熱再生塔貧液泵乃至低溫甲醇洗裝置能否連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵。所以在國產(chǎn)化的過程中需要對機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)選型、材料選擇及沖洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行充分的核算。本文分享了我公司二甲醚生產(chǎn)裝置熱再生塔貧液泵機(jī)械密封的國產(chǎn)化改造經(jīng)驗(yàn)。

1 機(jī)械密封使用情況及泄漏原因分析

1.1 使用情況

我公司甲醇洗裝置的兩臺熱再生塔貧液泵為原裝進(jìn)口設(shè)備，輸送介質(zhì)為溫度90～100 ℃ 的甲醇(常壓下沸點(diǎn) 64.7 ℃)，進(jìn)、出口壓力為0.18 MPa、4.2 MPa，轉(zhuǎn)速 2 950 r/min，結(jié)構(gòu)為多級自吸雙支承式離心泵，機(jī)械密封。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)形式為二級串聯(lián)式機(jī)械密封，一、二級密封結(jié)構(gòu)尺寸相同。一級密封承受的密封腔壓力為 2.5 MPa，密封沖洗系統(tǒng)為API682-23方案，經(jīng)過沖洗后可使介質(zhì)溫度降至50～55 ℃；二級密封沖洗保護(hù)系統(tǒng)為API682-54方案+62方案，正常情況下承受壓力較低。機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)材料為石墨，采用整體石墨環(huán)結(jié)構(gòu)，靜環(huán)材料為整體碳化硅。密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.軸套；2.動(dòng)環(huán)；3.境環(huán)；4.O姓圈；5.節(jié)流環(huán)。圖1 原裝進(jìn)口機(jī)械密封結(jié)構(gòu)圖

2008年10月，裝置投用。從設(shè)備使用開始，每半年左右，機(jī)封均出現(xiàn)內(nèi)泄漏情況，表現(xiàn)為：儲液罐液位升高，但泵性能基本上能滿足使用要求。密封情況并不理想，但進(jìn)口機(jī)械密封價(jià)格昂貴、采購周期長，因此迫切需要進(jìn)行國產(chǎn)化技術(shù)改造。

1.2 泄漏原因分析

在實(shí)際工作過程中，機(jī)械密封有很多因素會(huì)直接影響到密封。其中的一個(gè)因素是保持密封端面幾何形狀平行或近似平行的能力。也就是說,密封端面縫隙的幾何形狀在任何情況下都要保持平行或近似平行，才能充分保證密封性能。但是，密封環(huán)在介質(zhì)壓力、機(jī)械力和溫度場的共同作用下，密封端面一般會(huì)產(chǎn)生向內(nèi)徑的偏轉(zhuǎn)，形成發(fā)散型(負(fù)錐角)間隙[1]，從而造成泄漏且磨損加劇，壽命縮短。因此，對密封環(huán)變形的分析和控制很有必要。一般來說，當(dāng)壓力較高時(shí)(2 MPa 以上),就需要考慮壓力變形的影響[2]。由于石墨材料的彈性模量較小(20 GMPa 左右)，密封環(huán)的壓力變形更為明顯，而碳化硅環(huán)由于彈性模量較大(彈性模量 380 GMPa)，偏轉(zhuǎn)并不明顯，可以忽略。整體石墨環(huán)偏轉(zhuǎn)變形后，環(huán)的外徑棱邊與碳化硅靜環(huán)接觸(如圖2a所示)，運(yùn)行時(shí)會(huì)被迅速磨損，直到端面重新磨平為止(圖2b)。若操作過程中遇到停車，壓力變形將消失，形成收斂性間隙(圖2c)。重新加壓啟動(dòng)時(shí)，由于收斂性間隙改變了密封端面的壓力分布情況，使得端面壓力極大地增加，形成的端面開啟力大于閉合力，封端面被打開，使得泄漏量急劇增加。生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行時(shí)尚可的機(jī)械密封，停車時(shí)泄漏嚴(yán)重，有時(shí)甚至不能重新啟動(dòng)。

(a)變形后棱邊接觸 (b)密封面磨平 (c)產(chǎn)生收斂性間隙圖2 整體石墨環(huán)變形情況

2 原裝進(jìn)口機(jī)械密封受力變形分析

2.1 密封環(huán)受力情況

原裝機(jī)械密封動(dòng)環(huán)為整體石墨環(huán)，幾何尺寸和受力情況如圖3所示。圖3中，虛線表示密封環(huán)受力變形后的位置。密封環(huán)的受力及變形情況比較復(fù)雜，涉及流體、固體和傳熱三個(gè)方面。這里暫不考慮溫度的影響。密封動(dòng)、靜環(huán)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，會(huì)受到介質(zhì)壓力、彈簧力、液膜反力、端面接觸壓力、重力、離心力、O型圈支承反力、O型圈摩擦力和密封環(huán)慣性力等的作用。為了簡化問題，根據(jù)機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)及主要受力情況 ，把密封環(huán)處理成二維軸對稱問題，并忽略慣性力、重力 、離心力 、O型圈支承反力和摩擦力等次要因素的影響3]。

圖3 原裝進(jìn)口密封動(dòng)環(huán)尺寸受力變形圖

2.2 密封環(huán)變形

密封環(huán)的變形情況可用轉(zhuǎn)角θ和內(nèi)外徑高度差Δ來表達(dá)。如圖4所示，轉(zhuǎn)角逆時(shí)針方向?yàn)?,順時(shí)針方向?yàn)?；密封環(huán)內(nèi)外徑處的高度差Δ為密封環(huán)內(nèi)徑邊緣與密封環(huán)外徑邊緣處高度差。轉(zhuǎn)角θ采用皮采諾環(huán)形零件軸對稱變形理論計(jì)算4]。

圖4 典型機(jī)械密封環(huán)截面幾何形狀及受力變形示意圖

(1)

(2)

式中：Jx為截面慣性矩，E為密封環(huán)彈性模量，對于整體環(huán)，則為密封環(huán)材料的彈性模量；對于鑲裝環(huán)，則為當(dāng)量彈性模量；∑Mt為外力對截面形心的矩值 ；Rc為截面形心半徑。內(nèi)外徑的高度差公式為：

Δ=b·θ

(3)

式中 ：Δ為內(nèi)外徑的高度差。

進(jìn)口機(jī)械密封的端面比壓為Pb=0.913 MPa，石墨環(huán)和碳化硅環(huán)材料性能如表1(取國內(nèi)相近材料的典型值)。

利用圖3結(jié)構(gòu)尺寸和表1的數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)和式(2)可得到石墨環(huán)的轉(zhuǎn)角θ1=2.44×10-3弧度,內(nèi)外徑的高度差 Δ1=12.355 μm。碳環(huán)硅環(huán)的轉(zhuǎn)角θ2=1.22×10-4弧度。內(nèi)外徑的高度差Δ2=0.61 μm(未給出結(jié)構(gòu)尺寸)。由此可見，進(jìn)口機(jī)械密封由于壓力的作用，形成了較大的發(fā)散型(負(fù)錐角)間隙，其主要貢獻(xiàn)來源于石墨環(huán)，碳化硅環(huán)的貢獻(xiàn)較少。

表1 密封環(huán)材料特性表

可以預(yù)測，當(dāng)甲醇泵操作過程中遇到停車減壓，密封環(huán)的壓力變形消失，磨損后的密封環(huán)將形成較大的收斂性間隙(如圖2c)，當(dāng)壓力恢復(fù)時(shí)，將產(chǎn)生較大的泄漏。

3 泵機(jī)械密封國產(chǎn)化改造設(shè)計(jì)方案

3.1 總體方案

考慮到進(jìn)口機(jī)械密封的情況，總體結(jié)構(gòu)進(jìn)口密封相近，仍為串聯(lián)式二級機(jī)械密封。為了充分利用碳化硅環(huán)大彈性模量、小變形的優(yōu)點(diǎn)，并克服整體石墨環(huán)小彈性模量大變形的缺點(diǎn)，提出的技改設(shè)計(jì)方案是：動(dòng)環(huán)由整體石墨環(huán)更改為整體碳化硅環(huán)，靜環(huán)由整體碳化硅環(huán)更改為鑲裝石墨環(huán)5]。一級密封結(jié)構(gòu)示意如圖5所示：動(dòng)環(huán)1為整體碳化硅環(huán)，靜環(huán)2為鑲裝式石墨環(huán)，采用內(nèi)撐環(huán)3和外套環(huán)4同時(shí)鑲裝式結(jié)構(gòu)。二級密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示：主要由動(dòng)環(huán)1，靜環(huán)2 ，O形圈3組成。一、二級密封動(dòng)環(huán)——碳化硅環(huán)通用。由于正常情況下二級密封承擔(dān)的壓力較小，二級密封的靜環(huán)采用了整體石墨環(huán)結(jié)構(gòu)，并采用了與節(jié)流環(huán)融為一體的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在靜環(huán)2設(shè)有通氣孔4，提高了環(huán)的抗變形能力和降溫能力。密封沖洗系統(tǒng)方案采用原來的方案。

1.動(dòng)環(huán)；2.靜環(huán)；3.外套環(huán)；4.內(nèi)撐環(huán)。圖5 一級密封的結(jié)構(gòu)示意圖

1.動(dòng)環(huán)；2.靜環(huán)；3.O形圈；4.進(jìn)氣孔。圖6 二級密封的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 改造的技術(shù)依據(jù)

1)提高密封環(huán)的彈性模量和改善傳熱性能

材料的彈性模量與壓力變形成反比例關(guān)系。為減少密封環(huán)的壓力變形，要盡量提高材料的彈性模量。采用金屬鑲裝結(jié)構(gòu)，是提高石墨環(huán)復(fù)合(當(dāng)量)彈性模量的一個(gè)有效途徑，而熱變形與材料的熱膨脹系數(shù)和密封環(huán)溫差與成正比例關(guān)系。材料的熱膨脹系數(shù)是材料的熱物性參數(shù)，一般情況下難以改變，但可以通過改善傳熱性能來減小密封環(huán)的溫差，從而減少或控制熱變形。

密封沖洗系統(tǒng)中的甲醇液體因密封動(dòng)環(huán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而加速流動(dòng),以對流的方式把密封環(huán)面的摩擦熱量傳遞給了甲醇沖洗液體，通過沖洗液帶走熱量而實(shí)現(xiàn)降溫6]。因此采用導(dǎo)熱性能更好的碳化硅作為密封動(dòng)環(huán)的更有利于帶走熱量。密封動(dòng)環(huán)材料的導(dǎo)熱性能越好，環(huán)內(nèi)的溫度梯度越小，環(huán)的熱變形也就越小。另外，碳化硅環(huán)的彈性模量比石墨環(huán)的彈性模量比大了近20倍，所產(chǎn)生的變形也比較小。常壓下甲醇沸點(diǎn)僅為 64.7 ℃，在夏季工廠內(nèi)環(huán)境溫度能夠高達(dá)近 40 ℃。如果密封沖洗系統(tǒng)散熱能力下降，密封動(dòng)、靜環(huán)之間容易產(chǎn)生氣液兩相，使密封面摩擦磨損嚴(yán)重，容易造成密封失效。因此，密封系統(tǒng)的散熱能力非常重要。

2)碳化硅整體動(dòng)環(huán)的變形量計(jì)算

將動(dòng)環(huán)材料由石墨更換為彈性模量較大的碳化硅，要重新進(jìn)行計(jì)算。得到碳化硅動(dòng)環(huán)的內(nèi)外徑的高度差Δ為：0.6177 μm。計(jì)算表明，盡管碳化硅動(dòng)環(huán)也形成發(fā)散型(負(fù)錐角)間隙，但內(nèi)外徑的高度差非常微小。動(dòng)環(huán)的力變形能夠滿足較高壓力條件下使用要求。

3)鑲裝式石墨環(huán)的變形量計(jì)算

鑲裝式石墨靜環(huán)各參數(shù)、受力情況如圖7所示。

圖7 鑲裝式石墨環(huán)各參數(shù)、受力圖

將圖7和表1的數(shù)據(jù)通過皮采諾環(huán)形零件軸對稱變形理論的計(jì)算轉(zhuǎn)角的公式，計(jì)算得到內(nèi)外徑的高度差Δ為 0.62 μm。說明該鑲裝式石墨環(huán)形成發(fā)散型(負(fù)錐度)內(nèi)外徑的高度差較小。

皮采諾環(huán)形零件軸對稱變形理論的計(jì)算轉(zhuǎn)角的公式：

(4)

(5)

Δ=b·θ

(6)

式中 ：Δ為內(nèi)外徑的高度差；E為為鋼套環(huán)與石墨環(huán)的當(dāng)量彈性模量 (對于沒有鋼套環(huán)的石墨環(huán)就為石墨環(huán)的彈性模量 )；∑Mt為外力對形心的矩值 ；Rc為形心半徑；Jc為通過形心的慣性矩。該環(huán)端面比壓Pb=1.34 MPa 鑲裝環(huán)材料物理性能如表1。

4)鑲裝環(huán)實(shí)際變形量的確認(rèn)

在鑲裝結(jié)構(gòu)中，內(nèi)撐環(huán)和外套環(huán)材料均為316不銹鋼 。鑲裝結(jié)構(gòu)的外套環(huán)與石墨環(huán)之間采用過盈配合，配合尺寸為φ122H7/v6；內(nèi)撐環(huán)與石墨環(huán)之間采用過渡配合，配合尺寸為φ101H6/h6。在室溫為 27 ℃ 環(huán)境下熱鑲裝，待冷卻至常溫。用表面粗糙度輪廓形狀測量密封環(huán)的變形情況，石墨環(huán)密封端面產(chǎn)生向內(nèi)徑偏轉(zhuǎn)的負(fù)錐度變形，內(nèi)外徑的高度差為 20 μm(由內(nèi)撐環(huán)和外箍環(huán)共同產(chǎn)生的石墨環(huán)變形)。常溫下對鑲裝式石墨環(huán)重新研磨，可解決平面度小于 0.6 μm 要求。將重新研磨過的鑲裝石墨環(huán)放置于 55 ℃ 熱水中，模擬一級密封環(huán)工作溫度。然后測量到鑲裝式石墨環(huán)形成收斂性間隙(正錐度)，內(nèi)外徑的高度差為 1.2 μm。與環(huán)受到密封腔壓力變形相反。可以預(yù)計(jì)，密封環(huán)在實(shí)際工作環(huán)境中，將形成收斂性間隙(正錐度)，內(nèi)外徑的高度差大致為 0.58 μm(熱變形與力變形之差)。

4 效果

經(jīng)過國產(chǎn)化改造后，機(jī)械密封沒有發(fā)生停車性泄漏，解決了該泵的安全隱患，為生產(chǎn)裝置“長、穩(wěn)、優(yōu)”運(yùn)行提供保障，目前機(jī)械密封運(yùn)行良好。

2021年以前，該泵年檢修頻率為2次/臺,每年使用進(jìn)口甲醇泵機(jī)械密封2套，共50萬元；2021年以后，每年單臺泵國產(chǎn)密封使用費(fèi)3.17萬元，僅為進(jìn)口密封的12.34%；當(dāng)只更換國產(chǎn)維修包修復(fù)密封時(shí)，每年單臺泵國產(chǎn)密封使用費(fèi)2.32萬元，僅為進(jìn)口密封的9.28%，因此大幅度降低了最低檢修費(fèi)用。通過此次國產(chǎn)化改造的技術(shù)創(chuàng)新，不僅達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的，而且為今后進(jìn)口國產(chǎn)化改造提供寶貴經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。

5 結(jié)語

與整體結(jié)構(gòu)石墨環(huán)相比，鑲裝式結(jié)構(gòu)能顯著增加石墨環(huán)的整體剛度，減小石墨環(huán)密封端面的總變形，提高機(jī)械密封的工作壓力和可靠性，延長了密封的使用壽命。鑲裝石墨環(huán)可以依據(jù)密封腔和密封輔助系統(tǒng)的壓力和溫度，通過選用不同膨脹系數(shù)的金屬材料、采用不同的配合間隙進(jìn)行鑲裝，設(shè)計(jì)和制造出與密封端面的壓力變形相反的熱變形鑲裝結(jié)構(gòu)密封環(huán)，進(jìn)一步擴(kuò)展石墨材料在高參數(shù)機(jī)械密封中使用。