新型非接触式气膜密封在溶剂泵上的开发应用

1前言

某石化装置用于输送精溶剂（DMF）的泵为从英国英格索尔德来塞公司引进的溶剂泵，该溶剂泵原轴封为单端面波纹管接触式机械密封，在长期使用过程中频繁失效，经常发生泵送介质突然外泄，使用寿命最长不足1个月。泵送介质DMF（即二甲基二酰胺，为有毒高危险性气体）大量泄漏不仅造成巨大经济损失并且严重污染环境。因此，必须开发采用新型密封替代现有密封，才能从根本上解决现有轴封存在问题，从而保证装置稳定可靠运转

本文在分析现有溶剂泵用密封存在问题基础上，介绍了一种新型非接触式气膜密封的成功应用，实现了泵送介质的零泄漏甚至零溢出^[1-2]，为企业节约了备件及维护费用，实现了装置长周期稳定运转。

2溶剂泵原波纹管密封失效分析

该溶剂泵主要作用是把DA-108塔中除去水和二聚物等杂质的精溶剂（DMF）输送到再生罐里储存起来。泵输送介质为二甲基甲酰胺（代号为DMF），由于DMF具有很强的渗透性和腐蚀性，毒性大等特点，对人身健康极为有害，因此，生产安全规程上要求此系列泵要实现零泄漏，应尽可能避免其泄漏以危及人身健康和污染环境^[3]。

溶剂泵原轴封为随泵附带的接触式单端面波纹管机械密封（如图1所示），但其使用寿命短，有时仅运行不到3个月即出现大量泄漏，造成环境污染及经济损失。经过仔细研究分析，发现造成密封失效的原因主要有以下几点：

①弹性元件（即波纹管）作用压力过大致使端面接触压力很大（端面比压0.563MPa），密封端面之间不可避免的产生剧烈的摩擦磨损，最终导致密封泄漏失效；

②冲洗冷却措施不当，该密封采用外部冲洗冷却措施，单点式注入。单点注入方式，不能使密封摩擦副得到均匀的冲洗冷却，端面受热不均匀，易使密封出现不均匀热变形，难以保证摩擦副端面平行接触，局部区域摩擦磨损严重；

③防固体颗粒能力差。采用单点冲洗方式不能保证密封周围是洁净的冲洗液，则不可避免地易使介质中的固体颗粒进入端面之间，产生磨粒磨损是在所难免的。

图1 单端面波纹管接触式机械密封

3新型非接触式气膜密封结构及性能特点

3.1结构特征

图2为新型非接触式气膜密封结构示意图。通常在两密封之间注入压力0.3～0.5MPa以上的中性气体如洁净的氮气、仪表风或水蒸汽等。虽然缓冲气体的压力小于密封介质的压力，但可以达到密封介质向大气的气相零逸出，彻底消除对环境的污染。其结构特征为：

①介质侧密封采用普通接触式机械密封。通过性能分析，设计出合理的弹簧比压，一方面可以有效防止密封在介质压力作用下端面打开泄漏，另一方面可以防止端面比压过大，造成端面摩擦加剧，温度升高，端面变形而泄漏失效；

②大气侧密封采用外径开螺旋槽端面结构。高速运转时螺旋槽是把少量缓冲气体泵入密封端面之间，从而实现端面非接触状态，并允许少量缓冲气体向大气侧排放，且能阻止外界固体杂质进入密封端面，具有良好的防固体颗粒能力；

③在介质侧密封和大气侧密封之间采用流体动压弹性体密封。其独特功能使新型密封在正常和非常工况下均能实现输送介质的零逸出。

3.2新型气膜密封工作原理

正常运行条件下，大气侧气膜密封把少量缓冲气体泵送到密封端面之间，使其处于非接触状态，并把少量缓冲气体排放至外界；经介质侧密封泄漏的微量气体被限制在流体动压弹性体密封的左侧；由于弹性体密封右侧缓冲气体的压力大于左侧轻烃逸出物的压力，在压力差的作用下，使弹性体密封处于非接触状态，只有少量缓冲气体经弹性体密封向左侧泄漏，与泄漏气体混合后一起引至放空火炬。

非正常条件下，若缓冲气体不能正常供给，大气侧密封亦可大致处于非接触状态，而此时中间流体动压弹性体密封与轴保持微接触状态，在缓冲气体未恢复正常压力前，可以有效防止经介质侧密封泄漏物向大气侧排放，而是经排出管线引至放空火炬，避免对环境的污染。