川崎前锋vs鹿岛:金屬波紋管機械密封在特殊工況下的應用實例

機械密封 操松林 合肥通用機械研究院

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

1、前言

  機械密封在泵和攪拌釜等旋轉類動設備中應用廣泛。常規的彈簧式機械密封由于結構簡單、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℃以下的領域被廣泛應用。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失效,如橡膠材質輔助密封圈在高溫下會發生老化、在低溫下會出現脆裂現象; 四氟乙烯輔助密封圈在高溫下發生熱變形、在低溫下出現冷流,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,用作軸封優勢明顯。但波紋管機械密封制造成本相對較高,受經濟因素影響,金屬波紋管機械密封的應用局限于高溫或低溫的工作條件,沒有完全發揮出可靠性高的優勢。近些年,金屬波紋管制造技術發展較快,國內有不少廠家都能夠生產制造,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用。作者在不同的常溫場合應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于彈簧機械密封的事例。

2、金屬波紋管機械密封的應用實例

2.1、在VCM 單體輸送泵中的應用

  VCM 單體是乳液聚合法生產聚氯乙烯PVC糊樹脂的重要原料。

  某廠糊樹脂裝置VCM 連續加料泵,其作用是從罐區直接向反應釜加料。進入反應釜內的加料壓力不低于0.8MPa。物料VCM 保存在常溫臥式儲罐中,溫度隨季節變化,通常在0 ~ 35℃; 罐內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。罐區到泵入口距離大約20m,泵出口到反應釜的距離大約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,我們發現環境溫度對泵工作狀態影響較大,泵經常出現抽空現象,機械密封壽命通常只有2 個月左右。軸封失效情況為摩

  擦副表面燒灼發黑、暴露在介質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,當上游儲罐液位偏低或夏天環境溫度偏高時,進液壓力降低或汽化壓提高,泵都會出現汽蝕現象。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,導致泵腔內產生的熱量無法被輸送的物料帶走,密封腔內溫度上升,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,結構如圖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,以降低密封壓力; 高壓側軸端封死不設軸伸。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。內側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構示意

圖3 對稱式多級離心泵結構示意

  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,內側機械密封不受物料中自聚物的影響??悸塹醬喲⒐薜獎玫慕汗藶?,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汽蝕性能NPSHr 達到1 ~1.5m,在正常生產情況下,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———波紋管機械密封與彈簧機械密封串聯( 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 年多的生產實踐表明: 新型機械密封壽命普遍都在半年以上; 生產系統穩定的情況下,少數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結構示意

圖4 波紋管機封與彈簧機封的串聯結構示意

2.2、金屬波紋管機械密封在DMF 生產中的應用

  安徽某廠3 萬噸/年CO 一歩法二甲基甲酰胺( DMF) 生產裝置,需要用到6 臺DMF 反應循環泵和2 臺DMF 蒸發循環泵。這2 種循環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,采用國內某廠生產的磁力離心泵,實際使用效果也較差?;詿碩宰爸蒙系牧礁鑫緩叛繁米雋爍腦?,直接使用機械密封離心泵。

2.2.1、DMF 反應循環泵

  DMF 反應循環泵,也稱為合成循環泵,用于反應釜內物料的循環,加速DMF 的生成。泵入口壓力1.5 ~ 2MPa,要求循環量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??悸塹轎锪系奶厥廡?,按轉速1475r /min 設計流程泵TEK150 -315。對于軸封,鑒于泵工作溫度小于150℃,常規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?;詿瞬捎酶幣堵炙嗣婷芊? 內側機械密封采用金屬波紋管機械密封,外側采用平衡型彈簧機械密封)作為軸封,結構如圖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,為機械密封創造好的工作環境。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構示意圖

圖5 副葉輪雙端面機械密封結構示意圖

  考慮到系統壓力較高,要求操作工謹慎操作,注意冷卻與沖洗的操作流程??登?,泵蓋冷卻腔和緩沖罐內盤管應接通冷卻水,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。罐內未加壓時,泵進出口閥不能打開( 泵軸封不能承受系統的2MPa 的高壓作用,否則物料端機械密封靜環推開不能復位,還有可能破壞波紋管) ,或者整個循環系統不能加壓。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 蒸發循環泵

  DMF 蒸發循環泵是DMF 提純的關鍵步驟。泵入口壓力0.15MPa,要求循環量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℃。與反應循環泵比,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( 內側機械密封采用金屬波紋管機械密封,外側采用平衡型彈簧機械密封) 的軸封方案。

  經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。

3、結語

  金屬波紋管機械密封由于沒有輔助的動密封圈,減少了泄漏點,可靠性相對提高。改變傳統觀念,在某些特定的常溫介質中使用金屬波紋管機械密封,可以取得令人滿意的密封效果。在性價比優于彈簧機械密封時,推廣使用金屬波紋管機械密封是值得的。