流體阻塞密封在氣分裝置的應用
摘 要：機械密封端面間存在著端面膜，保證機械密封端面膜的穩定，是維持其密封效果的關鍵，要確保端面膜為穩定膜，只需確保端面膜不發生相變或雖發生相變但不破壞端面的貼合即可。引入流體阻塞機械密封的原理，使用美國FLOWSERVE公司生產的QBBW/QBQW型流體阻塞機械密封，使長期影響生產的密封泄漏問題得到解決。
關鍵詞：機械密封 端面膜 流體阻塞密封
岳陽興長石化股份有限公司氣體分離廠于1996年進行了擴能改造，在投產后的幾年里，該裝置的精丙烯塔中間泵P-4105與回流泵P4107頻繁發生密封泄漏故障，嚴重時丙烯介質從密封端面處漏出，彌漫四周，造成氣分裝置停工，嚴重影響生產裝置的安全正常運行。2000年引入美國PIT公司的3620型丙烯泵替換上述國產泵，配置美國FLOWSERVE公司生產的QB-BW/QBQW型流體阻塞機械密封，通過4年多的觀察運行，使用效果良好。
一、原因分析
機械密封之所以能夠起密封作用是由于機械密封端面間存在著端面膜，而端面膜的形態又決定了密封的效果。由于工況的不同，機械密封端面間存在著液相、氣液混相與氣相等三種型式的端面膜。端面膜存在著不同形態的原因是被密封液體接近飽和狀態時，出現沸騰或閃蒸，即發生相變。而端面膜一旦發生相變，膜的反壓力就會發生較大變化，從而導致端面貼合不穩定。所以解決問題的關鍵是如何保證機械密封的端面膜為穩定膜。很顯然，要確保端面膜為穩定膜，只需確保端面膜不發生相變或雖發生相變但不破壞端面的貼合。
由文獻查得丙烯在不同溫度下的飽和蒸氣壓見表1。
已知該泵機械密封小彈簧的彈簧剛度（P′= 2.85N/nmm)，彈簧預壓縮量x1= 3mm，裝配時的壓縮量x2=5mm，共有小彈簧12個，故可求得密封在工作狀態下所受到的彈簧力：FS=12P′(x1+x2)=12×2.85(3+5)=273.6N則彈簧比壓PSP為：
(1) 使機械密封端面貼合的壓力（以下簡稱正壓力）Pb1 (MPa)包括彈簧比壓與介質壓力。端面受到的正壓力可按（2）式計算：
Pbl＝PSP+BPS (2)
式中 B=（D22一DO2）/（D22一D12）
PS—介質壓力，MPa
圖1為密封結構示意圖，測得靜環端面內徑D1=93mm，外徑D2=102mm，動環0型圈處軸套外徑Do = 95mm，介質壓力PS=2.2MPa，則B=0.786，由此可求得施加給端面的正壓力Pb1=1.93MPa。
圖1
結合以上的計算，從表1可見，當丙烯的溫度在45-53℃之間波動時，非常容易遇到施加給端面膜的正壓力（使端面貼合的壓力）與丙烯飽和蒸氣壓相等的情況，一旦遇到這種情況，端面液膜就會在端面間劇烈沸騰，從而沖開端面，使丙烯從端面處量泄漏出來。如果能夠使介則可以獲得穩定的端面膜。
二、流體阻塞機械密封原理
假設需要密封的流體為A（圖2)，機械密封的作用是防止流體從其一端流向另一端，而產生流動的原因是機械密封的兩側存在壓差。現在流體A(丙烯）流向大氣，原因是流體A的力大于大氣壓，此時端面間流體膜的成分為流體A。由以上分析可知，在現有的工況下，流體A作為端面膜時，端面很容易被沖開。如果在流體A的另一端施加比流體A壓力更大的流體B，且流體B在現有的工況下較易被密封，這樣就實現了密封介質的轉化，使泄漏問題得到解決。事實上，進口泵所配置的機械密封就是這一原理。即動態平衡帶壓密封系統，所謂動態平衡就是機械密封端面所受到的正壓力始終保持在一定范圍內，不隨流體A壓力的變化而變化。調壓缸的活塞上部為流體B，選擇合適的上下承壓面積以及合適剛度的彈簧可保證流體B比流體A高出0.1-0.2MPa的壓力，這樣可保證內外密封端面間的端面膜為B。流體B為合成白油（具有較好綜合性能的一種潤滑油），這樣端面間流體膜的成分為合成白油，在上述工況下，白油的飽和蒸氣壓遠小于端面正壓，可獲得穩定的端面膜。
圖2
調壓缸活塞下部為引壓側：流體A的動態壓力直接引至活塞下部，活塞隨壓力的變化而上下運動，使上部流體B的壓力隨流體A的壓力變化而同向變化，形成動態密封。借助驅液環（泵送環）的強制循環和熱虹吸的重力循環，造成對密封摩擦副的有效沖洗與散熱。同時裝有密封液換熱器，可以對密封液進行不間斷地冷卻。通過觀察活塞位置指示板的位置，可以判斷密封是否處于正常狀態。由于白油的潤滑性能非常優良，因而機械密封的使用壽命得到了很大提高。
三、流體阻塞機械密封的使用效果
引入QBBW/QBQW型進口流體阻塞機械密封后，在長達4年的使用期間，出了兩次故障，一次是由于裝置突然波動，造成泵P-4105前端的動環密封圈失效，一次是泵P-4107后端密封油罐的活塞位置指示板急劇上升，前者屬于非正常失效，后者屬于正常磨損，在及時處理后恢復正常。
目前密封使用效果良好，基本達到了預期使用效果。統計表明，一臺進口泵（含密封）的購入費用為90萬元，4臺泵共需資金360萬元，平均每年密封維護費用在8萬元以下，泵體6年內無需解體檢查，即6年內共需設備投入408萬元。
以前平均每年用于密封維護的費用達30萬元，每次泄漏丙烯價值在0.3-5萬元之間，每年泄漏次數在20次以上，裝置停工一次所造成經濟損失在50-80萬元，平均每年停工（含局部停工）2次，這樣平均每年的損失在210萬元，6年的損失在1260萬元。新設備6年內可為企業節省800萬元的費用。