干氣密封在液環(huán)真空泵上的應用

寧召寬，高天吉

(中國石油化工股份有限公司濟南分公司，山東 濟南 250101)

液環(huán)真空泵是潤滑油生產(chǎn)中酮苯脫蠟裝置的關鍵設備，為酮苯脫蠟工藝提供密閉和真空環(huán)境，隨著酮苯脫蠟技術的發(fā)展、原料多樣性的變化和產(chǎn)品質(zhì)量要求的嚴格化，為滿足當前的安全環(huán)保形勢，對液環(huán)真空泵的使用操作提出了更高的要求。液環(huán)真空泵一般采用單端面或雙端面的機械密封作為軸封。在長期連續(xù)運轉(zhuǎn)過程中，特別是工藝條件出現(xiàn)較大變動的情況下，軸封使用效果往往不佳，時常出現(xiàn)密封磨損嚴重、檢修頻繁、泄漏等狀況，加重了生產(chǎn)安全隱患，影響了正常生產(chǎn)。

隨著更可靠密封技術的不斷提出和發(fā)展，干氣密封技術已經(jīng)逐漸被部分煉化企業(yè)應用到關鍵設備的密封方式中。干氣密封是一種非接觸式的機械密封，結構與普通機械密封相似，不同點是在密封端面上加工出微米量級淺槽，通過氣體作用在密封端面形成氣膜，達到端面的非接觸狀態(tài)【1】。干氣密封通過“以氣封氣”或“以氣封液”的方式實現(xiàn)工藝介質(zhì)的零泄漏和零污染，具有運行穩(wěn)定可靠、維護成本低、使用壽命長等優(yōu)點，因此將液環(huán)真空泵的傳統(tǒng)機械密封改造為干氣密封，可以克服傳統(tǒng)機械密封的不足，保證設備安全平穩(wěn)運行。

1 干氣密封基本結構和工作原理

1.1 干氣密封基本結構

干氣密封基本結構如圖1所示。與機械密封結構相似，主要由彈簧、密封圈、靜環(huán)以及動環(huán)組成【2】。靜環(huán)和彈簧被安裝在靜環(huán)座內(nèi)，依靠密封圈進行二次密封。干氣密封環(huán)既可以是動環(huán)，也可以是靜環(huán)，密封環(huán)面通過加工淺槽，通入氣體，形成干氣密封。

圖1 干氣密封基本結構

1.2 工作原理

干氣密封環(huán)的密封面如圖2所示。泵軸旋轉(zhuǎn)帶動靜環(huán)、動環(huán)進行相對旋轉(zhuǎn)運動時，密封面動壓槽內(nèi)會吸入密封氣體，通過密封堰的節(jié)流作用，密封面內(nèi)的氣體會被壓縮，使得氣體壓力升高，密封面在氣體壓力作用下被推開，達到非接觸狀態(tài)。此時密封面內(nèi)氣體壓力與工作介質(zhì)作用力、彈簧力形成的閉合力達到平衡，因此，密封氣體在兩個密封面間形成一層穩(wěn)定的薄氣膜。通過理論研究與實踐證明，此氣膜厚度一般在3 μm左右，變化微小，具有良好的氣膜剛度，能夠保證干氣密封運轉(zhuǎn)可靠穩(wěn)定【3】。

圖2 密封面形式

2 原密封存在的問題

液環(huán)真空泵是單級液環(huán)設備，以脫蠟油為工作液，輸送介質(zhì)為氮氣，泵軸的兩端(驅(qū)動端和非驅(qū)動端)均采用單端面機械密封。通過對發(fā)生泄漏部位的觀察和機械密封拆裝分析，主要的泄漏點為：動、靜環(huán)摩擦損壞。

密封失效如圖3和圖4所示。

圖3 密封失效滲漏

圖4 密封失效拆卸后

3 改造方案

3.1 密封結構

采用雙端面干氣密封進行改造，氣源為氮氣。由于液環(huán)真空泵本身的輸送介質(zhì)為氮氣，因此允許干氣密封氣源氮氣在發(fā)生輕微泄漏情況下進入液環(huán)真空泵。干氣密封本體采用集裝式結構，可看作由兩套單端面密封背靠背布置，為節(jié)省軸向空間，內(nèi)側密封與外側密封共用一個動環(huán)兼彈簧座；靜環(huán)采用進口碳石墨，與彈簧相連作為軸向補償環(huán)；動環(huán)為硬質(zhì)合金，螺旋槽刻于動環(huán)上。整套干氣密封的旋轉(zhuǎn)組件與靜止組件集成一體，保證現(xiàn)場安裝方便，定位準確。氣源氮氣在動靜環(huán)側密封之間通入，一旦密封發(fā)生泄漏，泄漏介質(zhì)會被氮氣趕至液環(huán)真空泵中，這樣可保證輸送介質(zhì)和工作液環(huán)的零泄漏和零逸出。

雙端面干氣密封簡易結構如圖5所示。干氣密封始終將氣源氮氣壓力控制在比液環(huán)真空泵泵腔壓力稍高的水平。由于氮氣泄漏的方向總是朝著壓力低的泵腔和大氣側，固而可保證泵腔內(nèi)氣體不會向大氣側泄漏，安全無污染。

圖5 雙端面干氣密封

3.2 密封輔助控制系統(tǒng)

雙端面干氣密封輔助控制系統(tǒng)如圖6所示。密封氣源由氮氣主線分支引出管道，可保證氣源的連續(xù)供應穩(wěn)定性。來自管網(wǎng)的氮氣分兩路經(jīng)過減壓閥后合并，再分別經(jīng)過流量計和過濾器分兩路去往驅(qū)動端和非驅(qū)動端干氣密封，其中每路配備壓力表顯示壓力。

1—氮氣管線；2—減壓閥1；3—減壓閥2；4—流量計2；5—過濾器2；6—驅(qū)動端密封；7—壓力表2；8—壓力表1；9—非驅(qū)動端密封；10—過濾器1；11—流量計1圖6 輔助控制系統(tǒng)

輔助控制系統(tǒng)能夠提供較潔凈穩(wěn)定的氣源，通過流量計監(jiān)控密封運行狀態(tài)，同時，通過壓力表監(jiān)控壓力密封情況， 大大提高了密封的可靠性和安全性。本輔助控制系統(tǒng)尚有以下待改進之處：將過濾器改動至減壓閥前，使用時僅投用一路，當投用的一路出現(xiàn)問題時可及時切換至備用的一路，對切出的過濾器或減壓閥進行清理；由于所需氮氣壓力不高，可增加小型氮氣瓶，在管網(wǎng)氮氣出現(xiàn)緊急情況時，使用氮氣瓶維持供氣一段時間。改進后的輔助控制系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 輔助控制系統(tǒng)改進示意

4 注意事項

改造后，密封一次運行成功，經(jīng)過長時間運行檢驗，沒有出現(xiàn)密封損壞、介質(zhì)泄漏、氮氣波動等問題。使用過程中應注意以下問題：

1) 首次使用或更換干氣密封后，應將氮氣管道吹掃干凈，保持氮氣的潔凈。

2) 按照操作規(guī)程投、停用干氣密封。

3) 干氣密封壓力稍高于真空泵泵腔壓力。

4) 注意觀察密封氮氣流量是否穩(wěn)定性。流量穩(wěn)定說明密封運行情況良好，若氮氣流量逐漸增大或波動頻繁，說明干氣密封出現(xiàn)問題，應及時排查原因。

5 結語

改造后液環(huán)真空泵的干氣密封運行穩(wěn)定，動、靜環(huán)非接觸運行，無損耗，無介質(zhì)泄漏，與原來的機械密封相比，檢修次數(shù)大大減少，延長了密封使用壽命，且維護簡單，可防止污染環(huán)境。干氣密封在液環(huán)真空泵裝置的成功應用，極大地提高了酮苯脫蠟裝置核心設備的安全性和可靠性，為進一步完善干氣密封輔助系統(tǒng)提供了實際依據(jù)，為不斷改造酮苯脫蠟裝置其他重要設備的機械密封提供了可行性方案。