王玉鵬 楊正寬

摘 要：狹窄密封腔內(nèi)，機(jī)械密封需要滿足較高壓力的液態(tài)丙烯，在冬季氣溫較低，飽和蒸汽壓也隨之降低，密封腔壓力也較低，在此情況下機(jī)械密封可以滿足現(xiàn)場使用要求。在夏季溫度較高，飽和蒸汽壓也隨之升高，密封腔壓力變大，原機(jī)封不能滿足工況，密封環(huán)破壞而產(chǎn)生泄露。在此背景下對原有機(jī)械密封進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：液態(tài)丙烯；飽和蒸汽壓；汽化；沖洗系統(tǒng)。

A transformation and design for Mechanical Seal of liquid propylone Pump

Wang Yupeng1 Yang Zhengkuan2

（1、Dalian JiuTech Seals Co.，Ltd. ， Dalian Liaoning 116039， China；

2、Dalian Tiansheng General Machinery Co.，Ltd. Dalian Liaoning 116025， China）

Abstract： The mechanical seal discussed in this thesis has to perform in a very small seal chamber and the sealed medium is high-pressure liquid propylene which has been a major challenge for mechanical seal. In winter， the vapor pressure for propylene is low due to the low temperature and the former mechanical seal performed well， but in summer， the vapor pressure for propylene is high due to the high temperature， the former mechanical seal services poor under this situation and finally been broken which leads to a leakage. Under this background， we reformed the design of the seal.

Keywords： liquid propylone； Staturated Vapor pressure； Vaporization； flush plan。

丙烯是三大合成材料的基本原料，主要用于生產(chǎn)丙烯腈、異丙烯、丙酮和環(huán)氧丙烷等，用以生產(chǎn)多種重要有機(jī)化工原料、生成合成樹脂、合成橡膠及多種精細(xì)化學(xué)品等。

在石油裂解制丙烯的過程中，丙烯在常溫常壓下為無色氣體，在高壓和低溫下能液化。在介質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)或者由氣態(tài)變成液態(tài)相變的壓力點(diǎn)，我們稱之為飽和蒸汽壓，在不同的溫度下，飽和蒸汽壓的值不同，溫度越高，飽和蒸汽壓的值就越大。丙烯泵輸送丙烯時(shí)，丙烯必須呈液態(tài)形式，因此丙烯泵的入口壓力和密封腔壓力必須要高于工況溫度下的飽和蒸汽壓，丙烯泵輸送的丙烯才能為液態(tài)丙烯。

中國石油天然氣股份有限公司在高危泵改造過程中，大連分公司的有機(jī)合成分廠液態(tài)丙烯泵用機(jī)械密封由華陽改造，此臺(tái)丙烯泵軸徑為Φ44，密封腔原為填料密封使用的密封腔，徑向空間狹小，改造前使用的是單端面，我公司采用了H110型機(jī)械密封面對面布置雙封結(jié)構(gòu)，采用的系統(tǒng)方案是PLAN11+52，見圖1系統(tǒng)簡圖。

1 初始設(shè)計(jì)方案

丙烯泵工況參數(shù)見表1。

該密封為2016年11月份安裝，安裝初期密封使用狀態(tài)良好。運(yùn)行到2017年7月，密封出現(xiàn)泄露。

2 故障分析

問題發(fā)生后，經(jīng)與設(shè)備人員和機(jī)修人員進(jìn)行了現(xiàn)場討論。介質(zhì)為液態(tài)輕烴丙烯，在冬季氣溫較低，飽和蒸汽壓也隨之降低，入口壓力在初始設(shè)計(jì)的0.6MPa。在夏季溫度較高，飽和蒸汽壓也隨之升高，入口壓力提高到了1.6MPa。所以H110機(jī)封在冬季更換時(shí)并沒有什么異常，隨著氣溫升高，問題逐漸體現(xiàn)。

問題一：經(jīng)拆解機(jī)封，由于沖洗方案為PLAN11+52，且密封腔壓力較高，這使得介質(zhì)側(cè)密封芯的擋環(huán)在受壓后變形，最終導(dǎo)致密封泄露。圖3為擋環(huán)受力變形過程示意圖。

問題二：機(jī)械密封在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中石墨密封環(huán)的變形是由于溫度與壓力共同作用引起的，重新對動(dòng)環(huán)（石墨環(huán)）承壓能力進(jìn)行分析和計(jì)算，在入口壓力達(dá)到1.6MPa后，補(bǔ)償環(huán)已不能滿足壓力條件。圖4為H110密封芯補(bǔ)償環(huán)承壓曲線。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

由于此臺(tái)丙烯泵的泵腔為填料密封設(shè)計(jì)，泵腔徑向尺寸小，選擇華陽H197密封。圖5為重新設(shè)計(jì)的機(jī)械密封裝配圖，為靜止式背靠背雙封。

在給定初始設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行校核計(jì)算，本文作者運(yùn)用有限元（FEA與FVM）的方法，計(jì)算密封環(huán)在極端工況壓力與低溫作用下密封環(huán)的變形情況，以及端面的壓力分布和泄漏量。

3.1 密封性能有限元分析

3.1.1 有限元模型

根據(jù)密封的工況參數(shù)，假設(shè)壓力為2MPa，溫度為30℃。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)以及密封尺寸建立模型并劃分網(wǎng)格，并加載邊界條件進(jìn)行模擬計(jì)算分析。

圖6為建立模型并且劃分網(wǎng)格的摩擦副，圖7為加載邊界條件的情況，針對摩擦副需要加載流體邊界條件和摩擦副的材料屬性。

3.1.2 密封的接觸壓力及變形量

圖8示出了計(jì)算得到的主密封摩擦副在壓力作用下產(chǎn)生的變形，圖9示出了計(jì)算得到的主密封的摩擦副在溫度作用下產(chǎn)生的變形，圖10示出了計(jì)算得到的密封環(huán)在壓力與溫度共同作用下的變形情況。圖11示出了計(jì)算得到的密封端面間的流體壓力分布與接觸壓力分布情況，可見，密封面間的流體壓力梯度由密封外徑向密封內(nèi)徑側(cè)遞減，在封面接觸壓力平直。

密封面的變形僅為100μrad （約7.4個(gè)氦光帶），此變形量是微小的，說明密封環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在一定程度上抵消了流體壓力的變形，并且當(dāng)溫度與壓力共同耦合時(shí)，密封變形量協(xié)調(diào)到比較好的程度，達(dá)到了密封端面變形僅為7.4條氦光帶（1條氦光帶=1/2波長=0.29μm）。

3.1.3密封的泄漏量

機(jī)械密封的泄漏量是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，在控制變形的同時(shí)，密封的泄漏量也需要分析，通過專業(yè)機(jī)械密封計(jì)算軟件得出泄漏量為7.6g/h（74.3ml/min），泄漏量滿足設(shè)計(jì)要求的。

由于壓力在端面間呈下降趨勢，當(dāng)端面壓力低于介質(zhì)的飽和蒸汽壓時(shí)，介質(zhì)便會(huì)在端面汽化，因此從密封面間泄漏的為丙烯氣體。丙烯氣體易燃易爆且有毒，需要對泄漏的氣體進(jìn)行處理以保護(hù)環(huán)境，通過PLAN52系統(tǒng)接火炬燒掉。

4 結(jié)束語

液態(tài)丙烯輸送泵的機(jī)械密封改進(jìn)設(shè)計(jì)通過計(jì)算滿足使用要求，符合API682標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)參數(shù)。經(jīng)過實(shí)踐證明，改后的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)經(jīng)受住現(xiàn)場壓力變化的考驗(yàn)，保證了密封能夠長周期穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。改造后的機(jī)械密封現(xiàn)在仍然在現(xiàn)場運(yùn)轉(zhuǎn)。

作者簡介：

王玉鵬（1981—），本科，工程師，從事流體機(jī)械密封研究、設(shè)計(jì)。

楊正寬（1982—），本科，工程師，從事合成橡膠后處理干燥設(shè)備研發(fā)、設(shè)計(jì)。