金屬波紋管機械密封在特殊工況下的應(yīng)用實例

2013-04-25 操松林合肥通用機械研究院

　　介紹了金屬波紋管機械密封在VCM 單體輸送、DMF 結(jié)晶與蒸發(fā)等場合的應(yīng)用，詳細分析了波紋管機械密封在此類工況中成功應(yīng)用的原因。

1、前言

　　機械密封在泵和攪拌釜等旋轉(zhuǎn)類動設(shè)備中應(yīng)用廣泛。常規(guī)的彈簧式機械密封由于結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、使用方便，基本包攬了-15 ～150℃條件下的使用工況; 如果物料允許被冷卻，在150～200℃之間，也可以使用彈簧式機械密封; 而波紋管機械密封則在200℃以上或- 50℃以下的領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。之所以如此，是因為在高( 低) 溫條件下，彈簧式機械密封的輔助密封圈會出現(xiàn)失效，如橡膠材質(zhì)輔助密封圈在高溫下會發(fā)生老化、在低溫下會出現(xiàn)脆裂現(xiàn)象; 四氟乙烯輔助密封圈在高溫下發(fā)生熱變形、在低溫下出現(xiàn)冷流，因此在極端溫度下金屬波紋管機械密封不得不被使用。實際上，金屬波紋管機械密封沒有輔助的動密封圈，相對于彈簧式機械密封減少了泄漏點，可靠性顯著提高，用作軸封優(yōu)勢明顯。但波紋管機械密封制造成本相對較高，受經(jīng)濟因素影響，金屬波紋管機械密封的應(yīng)用局限于高溫或低溫的工作條件，沒有完全發(fā)揮出可靠性高的優(yōu)勢。近些年，金屬波紋管制造技術(shù)發(fā)展較快，國內(nèi)有不少廠家都能夠生產(chǎn)制造，因此，金屬波紋管機械密封的價格有所下降，這也推動了金屬波紋管機械密封在一般溫度條件下的應(yīng)用。作者在不同的常溫場合應(yīng)用金屬波紋管機械密封取得較好的使用效果，認為金屬波紋管機械密封在某些特殊工況下應(yīng)用是值得推廣的。本文介紹幾個金屬波紋管機械密封在常溫下使用效果優(yōu)于彈簧機械密封的事例。

2、金屬波紋管機械密封的應(yīng)用實例

2.1、在VCM 單體輸送泵中的應(yīng)用

　　VCM 單體是乳液聚合法生產(chǎn)聚氯乙烯PVC糊樹脂的重要原料。

　　某廠糊樹脂裝置VCM 連續(xù)加料泵，其作用是從罐區(qū)直接向反應(yīng)釜加料。進入反應(yīng)釜內(nèi)的加料壓力不低于0.8MPa。物料VCM 保存在常溫臥式儲罐中，溫度隨季節(jié)變化，通常在0 ～ 35℃; 罐內(nèi)壓力即為物料的飽和蒸汽壓，通常為0.2 ～0.55MPa; 粘度0.22 左右。罐區(qū)到泵入口距離大約20m，泵出口到反應(yīng)釜的距離大約500m，儲罐液位到泵入口中心線的高差正常2 ～3m，最低1.5m。泵在常溫下工作，間歇運行( 每天約啟動8次) ，要求其流量3 ～8m³ /h、揚程200m。該工位泵原使用法國Ensival 公司生產(chǎn)的多級自吸離心旋渦泵，配背靠背雙端面平衡型彈簧機械密封，如圖1，2所示。

法國Ensival 自吸離心旋渦泵

圖1 法國Ensival 自吸離心旋渦泵

自吸離心旋渦泵配用雙端面機械密封

圖2 自吸離心旋渦泵配用雙端面機械密封

　　在實際使用過程中，我們發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度對泵工作狀態(tài)影響較大，泵經(jīng)常出現(xiàn)抽空現(xiàn)象，機械密封壽命通常只有2 個月左右。軸封失效情況為摩

　　擦副表面燒灼發(fā)黑、暴露在介質(zhì)中的軸套外表面附著一層白色自聚物，機械密封O 形圈被自聚物包裹卡死，軸套上的自聚物妨礙了O 形圈在軸套上滑動，每次軸封失效檢修都必須整體更換機械密封。裝置開車后，雖多次檢修但還是沒能很好地解決問題。經(jīng)分析認為主要原因有:

　　(1) 泵汽蝕使機械密封失效。原泵的汽蝕余量NPSHr 偏高，泵運行通常是處于接近臨界狀態(tài)，當上游儲罐液位偏低或夏天環(huán)境溫度偏高時，進液壓力降低或汽化壓提高，泵都會出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。雖然所選泵為離心旋渦泵，有自吸功能，能夠抽送少量氣體，但自吸不能解決汽蝕問題。長時間泵汽蝕抽空，導致泵腔內(nèi)產(chǎn)生的熱量無法被輸送的物料帶走，密封腔內(nèi)溫度上升，物料汽化，最終軸封摩擦副干燒、機械密封失效。

　　(2) 物料不純、易自聚導致機械密封失效。物料在泵軸封的細小縫隙內(nèi)自聚，自聚物粘附于軸套并充塞O 形圈周圍的細小縫隙，使機械密封動環(huán)失去軸向運動機能，不能自動補償位移或角度偏差，導致密封面泄漏。

　　針對此情況，將該位號泵改為四級對稱布置的離心泵，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。泵的4 級葉輪兩左兩右背靠背對稱布置，采用懸臂支撐，軸承部件與軸封布置在吸入側(cè)，以降低密封壓力; 高壓側(cè)軸端封死不設(shè)軸伸。軸封采用波紋管機械密封與彈簧機械密封的組合的雙端面密封型式，沖洗方式Plan53，用水阻封。內(nèi)側(cè)波紋管機械密封防抽空性能好，對聚合物敏感性較低。

對稱式多級離心泵結(jié)構(gòu)示意

圖3 對稱式多級離心泵結(jié)構(gòu)示意

　　通過改進，密封腔壓力大大降低，密封變得容易多了; 同時，改用波紋管機械密封后，內(nèi)側(cè)機械密封不受物料中自聚物的影響�？紤]到從儲罐到泵的進液管路，如果在陽光下直曬，管路中液體的溫度會大幅上升，物料更容易汽化。

　　我們對用戶也提出一些要求，如在泵入口管路增加保溫包覆，保證管路溫度與儲罐一致。盡可能使泵與進液管路處于陰暗潮濕的環(huán)境里，避免管路和泵暴露在陽光下直曬。

　　改進后的泵，在工藝要求的流量范圍內(nèi)汽蝕性能NPSHr 達到1 ～1.5m，在正常生產(chǎn)情況下，軸封的使用壽命在半年以上。隨后，我們又對一次性VCM 加料泵及其它單體輸送泵進行軸封改造: 采用類似的軸封技術(shù)———波紋管機械密封與彈簧機械密封串聯(lián)( 見圖4) ，配Plan52 沖洗方式，也取得成功，使用效果比原彈簧式雙機械密封好很多。7 年多的生產(chǎn)實踐表明: 新型機械密封壽命普遍都在半年以上; 生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，少數(shù)泵機械密封壽命能達到1 年以上。單體泵軸封改進取得了成功，解決了軸封頻繁更換的問題。

波紋管機封與彈簧機封的串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意

圖4 波紋管機封與彈簧機封的串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意

2.2、金屬波紋管機械密封在DMF 生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　安徽某廠3 萬噸/年CO 一歩法二甲基甲酰胺( DMF) 生產(chǎn)裝置，需要用到6 臺DMF 反應(yīng)循環(huán)泵和2 臺DMF 蒸發(fā)循環(huán)泵。這2 種循環(huán)泵原采用進口日機裝屏蔽泵，實際使用效果不好，壽命通常只有2 ～ 3 個月。使用一段時間就出現(xiàn)滑動軸承破裂，屏蔽套磨穿。泵失效后，工廠不能修理，必須送專業(yè)廠返修，每年的檢修花費在200 萬元左右。同樣采用CO 一歩法工藝的河南某廠6萬噸DMF 裝置，采用國內(nèi)某廠生產(chǎn)的磁力離心泵，實際使用效果也較差�；诖藢ρb置上的兩個位號循環(huán)泵做了改造，直接使用機械密封離心泵。

2.2.1、DMF 反應(yīng)循環(huán)泵

　　DMF 反應(yīng)循環(huán)泵，也稱為合成循環(huán)泵，用于反應(yīng)釜內(nèi)物料的循環(huán)，加速DMF 的生成。泵入口壓力1.5 ～ 2MPa，要求循環(huán)量150m3 /h、泵揚程大約25m。物料基本組成為DMF 60% ～ 90%、二甲胺、甲醇、甲醇鈉( 物料中含細小的甲醇鈉固體顆粒) 。物料的溫度115 ～ 125℃，粘度0.4，密度953kg /m3�？紤]到物料的特殊性，按轉(zhuǎn)速1475r /min 設(shè)計流程泵TEK150 -315。對于軸封，鑒于泵工作溫度小于150℃，常規(guī)思路是采用背靠背雙端面彈簧式機械密封，有壓甲醇沖洗Plan53，沖洗壓力比泵密封腔壓力高0.05MPa，則比泵進口壓力高0.2MPa�；诖瞬捎酶比~輪雙端面密封( 內(nèi)側(cè)機械密封采用金屬波紋管機械密封，外側(cè)采用平衡型彈簧機械密封)作為軸封，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。其基本思路是: 利用副葉輪的離心作用使固體甲醇鈉顆粒離開密封腔，以凈化密封腔; 同時副葉輪還能降低密封腔壓力0.15MPa，為機械密封創(chuàng)造好的工作環(huán)境。這樣，沖洗壓力則只比泵進口壓力高0.05MPa。

副葉輪雙端面機械密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 副葉輪雙端面機械密封結(jié)構(gòu)示意圖

　　考慮到系統(tǒng)壓力較高，要求操作工謹慎操作，注意冷卻與沖洗的操作流程。開車前，泵蓋冷卻腔和緩沖罐內(nèi)盤管應(yīng)接通冷卻水，壓力不低于0.3MPa，流量不少于0.5m3 /h; 打開氮氣源對軸封緩沖罐加壓，檢查管路各接頭處不滲漏。罐內(nèi)未加壓時，泵進出口閥不能打開( 泵軸封不能承受系統(tǒng)的2MPa 的高壓作用，否則物料端機械密封靜環(huán)推開不能復位，還有可能破壞波紋管) ，或者整個循環(huán)系統(tǒng)不能加壓。停車時，只有泄掉泵腔壓力后，才能停軸封緩沖罐氮氣，停冷卻水。

2.2.2、DMF 蒸發(fā)循環(huán)泵

　　DMF 蒸發(fā)循環(huán)泵是DMF 提純的關(guān)鍵步驟。泵入口壓力0.15MPa，要求循環(huán)量60m3 /h、泵揚程大約40m。物料基本組成為DMF90%、二甲胺、甲醇、甲醇鈉( 物料中含細小的甲醇鈉固體顆粒) 。物料的溫度160 ～180℃。與反應(yīng)循環(huán)泵比，工作溫度有所提高，工作壓力則大大降低。同樣采用副葉輪雙端面密封( 內(nèi)側(cè)機械密封采用金屬波紋管機械密封，外側(cè)采用平衡型彈簧機械密封) 的軸封方案。

　　經(jīng)2 年多的使用表明，所采用的軸封方案是合適的。在嚴格按操作規(guī)程的前提下，軸封更換周期在半年以上。與原屏蔽泵或磁力泵方案比大大降低了檢修成本，降低了維修工人的勞動強度。