泵串联机械密封与系统改造方案

在石油化工中，对于易燃易爆的危险介质其流体容易汽化，而且有低引火点、低黏度等特征，在机械密封的滑动端面难以维持稳定的流体膜，因流体汽化引起干摩擦，在泵起动时端面易于冻结，发生端面早期磨损。气体分离装置机械密封容易出现问题，处理起来比较困难。目前，国产泵机械密封寿命较短，为此某厂对P4005型泵进行了改造。

1.串联机械密封的优点

由两对单端面密封同向排列在一起的密封是串联机械密封。在串联密封中，隔离流体在两对摩擦副之间，将介质端一对摩擦副与大气端摩擦副隔离，并起润滑、密封、冷却作用。P4005型泵机械密封改造即选择了这种形式。其主要优点如下；

1）抗工艺压力波动能力强。变压器油在密封腔中循环使用，比水的润滑性好，当工艺不稳，机械密封发生轴向窜动时，辅助O形密封圈、V形环可以补偿滑动，由于密封腔内有变压器油润滑，不易损坏，使用寿命长。

2）能防止结水垢。由于不用水作为隔离流体，密封腔中没有水垢卡在密封部位，所以不会引起密封失效。

3）经济效益好。一是串联密封使用寿命长，可以减少备件消耗；二是节能，可以减少水的浪费。泵运行时，使用变压器油进行内循环，浪费小，停泵时也不用排放，而用水则要对外排放，以防止机械密封因水冻结而被冻坏。

4）安全性高，利于环保。在机械密封介质一端发生微量泄漏时，泄漏介质进入串联密封系统油罐中，通过管道排入火炬燃烧，不对现场泄漏。但由于经验不足，串联机械密封第一次在装置中使用时，密封液油不循环，导致密封失效。根据经验，凡是隔离体能正常循环的机械密封，其寿命都很长，因此，如何解决封油的循环问题是整个项目的改造重点。

2.循环系统存在的问题及改造方法

1）机械密封内油压低，封油不能够循环流动，摩擦副的摩擦热量未能被带走，机械密封过热，引起密封失效。

2）循环管路与输送环效率不一致，致使流量不匹配，严重限制了封油的循环。

3）提高串联密封螺旋的输送压力，采用最佳尺寸，设计新的输送环。

螺旋槽内的液体是依靠黏性产生的剪切力（又称泵送流量）流动的，泵送流量为

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式中，Q是泵送流量（m³/s）；u是螺纹周速（m/s）；a是齿高（m）；b是槽宽（m）；i是螺纹头数；α是螺旋角（°）。

从上式可以看出，增大螺旋齿高、槽宽和螺纹头数有利于提高泵送流量。串联密封中隔离流体的合适压力为0.1～0.3MPa。目前气泵串联密封中隔离液的压力未达到该压力，为此，应提高密封中的液体压力。根据泵送流量与沿螺旋槽和跨越螺旋槽的泄漏流量之和相等可得，无泄漏条件螺旋密封的压力为

式中，Δp是压力（Pa）；η是密封液黏度（Pa·s）；ω是角速度（rad/s）；C_p是压力系数；D是螺旋直径（m）；h为螺旋齿顶间隙（m）；l为被密封液浸润了的螺旋段长度（m）。

式中，t是螺旋角正切函数，t=tanα，α是螺旋角（°）；u是螺旋相对槽宽，u=b/s；b是螺旋槽宽（m）；s是螺距（m）；H是螺旋相对槽深，H=（h+a）/h，h是齿顶间隙（m），a是槽深（m）。为优化螺旋密封几何参数，取a/b=0.8，h/a=0.32，s/b=1.635，a=14.5。

根据上式可知，增加螺旋长度和螺旋直径可提高螺旋的泵送压力。因此，根据实际情况，将螺旋长度、齿高、槽宽、螺旋直径分别增大，从而可保证有足够的泵送能力。

另外，将压盖上的封油出、入口管径适当增大，并将压盖封油入口与盖上封油入口对中，能够保证封油顺畅流回封油腔，同时根据泵的旋向，在封油出口处开切向孔，促使封油进行循环。最后，根据现场实际情况在贮罐上安装溢流阀、减压阀和压力开关，对密封泄漏实施控制。当密封发生微量泄漏时，从介质端密封微量泄漏汽化的气体，经密封油进入贮罐顶部溢流阀孔安全地排放到火炬，泵可继续正常运行。当密封发生过量泄漏时，大量泄漏汽化的气体使贮罐内的压力升高，这时管线上的压力开关发出警报使操作人员立即做好停泵工作，与此同时，溢流阀关闭，气体经旁路管线上的减压阀排放至火炬。压力开关的整定值设定为0.3MPa，另外，在虹吸罐上加单向阀、手动泵等，方便加油操作（见图3-7）。

图3-7 改进方案

在改造后的泵上，机械密封运转正常，封油循环平稳，运行四个月密封无泄漏，达到了预期的效果。