浅谈泵用双重机械密封与泵用干气密封的选型对比

ivaxajabe

【摘 要】 通过对神华某煤化工项目净化装置主洗泵密封的选型方案的对比，分析泵用双重机械密封与泵用干气密封的特点，比较两种密封形式的优缺点，通过分析比较发现：两者密封形式均没有绝对的优势。干气密封在公用工程条件稳定，装置运行稳定的场合具有一定优势；双重机械密封在新建、改建项目具有一定优势。
【关键词】 泵 双重机械密封 干气密封 对比
在煤制油化工装置中，存在许多有毒、有害、易燃、易爆介质，如甲醇、乙烯、硫化氢一氧化碳、轻烃等。机泵输送此类介质对密封要求较高，按照现代的管理要求，不允许泄露。目前，使用技术一般有三类，采用无泄漏泵如屏蔽泵、磁力泵、隔膜泵等，对于必须使用离心泵时，采用双重机械密封或干气密封。基本上大部分适用双封的场合都可以使用干气密封，在技术上来讲都是可行的。那么双重密封与干气密封，哪个更好，常常困扰许多使用者。本文以神华某煤化工项目净化装置煤化工净化装置主洗泵为例，对双重密封和干气密封进行一下简单的对比，希望能为更多在此领域的用户提供选择的参考。
1 机械密封
1.1 机械密封原理
机械密封的基本概念。
机械密封是指由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用下以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。
机械密封主要有以下四类部件组成。主要密封件：1静环、2动环；辅助密封件：6旋转辅助密封圈、8静止辅助密封圈；压紧件：3弹簧；传动件：4弹箕座及5键或固定螺钉，7防转销、9压盖。
机械密封中流体可能泄漏的途径有如图1中的A、B、C、D四个通道。C、D泄漏通道分别是静止环与压盖、压盖与壳体之间的密封，二者均属静密封。B通道是旋转环与轴之间的密封，当端面摩擦磨损后，它仅仅能追随补偿环沿轴向作微量的移动，实际上仍然是一个相对静密封。因此，这些泄漏通道相对来说比较容易封堵。静密封元件最常用的有橡胶O形圈或聚四氟乙烯V形圈，而作为补偿环的旋转环或静止环辅助密封，有时采用兼备弹性元件功能的橡胶、聚四氟乙烯或金属波纹管的结构.A通道则是旋转环与静止环的端面彼此贴合作相对滑动的动密封，它是机械密封装置中的主密封，也是决定机械密封性能和寿命的关键。
如图2所示机械密封工作时，由密封流体的压力和弹性元件的弹力等引起的轴向力使动环和静环互相贴合并相对运动，由于两个密封端面的紧密配合，使密封端面之间的交界（密封界面）形成一微小间隙，当有压介质通过此间隙时，形成极薄的液膜，产生阻力，阻止介质泄漏，同时液膜又使得端面得以润滑，获得长期密封效果。
1.2 双重机械密封
有毒有害介质时为了取得更好的密封效果，采用双重密封，根据密封液系统压力可分为有压双封（双端面机械密封）和无压双封（串联式机械密封）。
有压双封密封液系统的压力一般要比一级密封前的压力高0.01-0.03MPa。这样一级密封泄漏时，密封液会进入泵内，确保了泵内介质不会泄漏到外界。由于密封液进入泵内，密封液系统压力、液位降低，可以实现密封的泄漏监测和报警。
无压双封密封系统内的压力一般为常压或微压，低于一级密封前的密封腔压力。当一级密封泄漏时，泵内介质会进入密封液系统，导致密封液系统的压力和液位升高，可以通过压力开关或液位开关实现泄露监测和报警。通过密封液系统来监测双端面机械密封失效与否，也是其区别于单端面机械密封最主要的形式之一。
有压双封（双端面机械密封）原理与单端面机械密封基本相同，都是靠垂直于旋转轴线的端面（摩擦副）在流体压力和补偿机构弹力的作用以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。双端面机械密封结构如图3所示。
双端面机械密封不仅仅是单端面机械密封的重复，在化工一些重点场合，可有效地防止危险、有毒、易燃、易爆物质的泄漏，具有高性能保险作用。在密封高压介质时，可以合理的分配每个密封的两端压差，提高密封的工作压力范围。对一些自润滑性差、易凝结、汽化介质，通过在密封腔体注入密封液改善密封的工况，大大提高密封的效率和使用寿命。工作时，由流体压力（介质压力）和弹性元件的弹力等引起的合力作用下，在密封环的端面上产生一个适当的比压（压紧力），使两个接触端面（动环、静环端面）相互紧密贴合，并在两端面间极小的间隙中维持一层极薄的液膜，从而达到密封的目的。双端面机械密封有两道端面密封，若一级密封失效，二级密封仍然可密封，防止泄露。一般双端面密封都需要外供密封液系统，向密封腔内引入封液进行堵封、润滑和冷却，且多为循环冷却使用。密封液不仅可以冲洗摩擦副改善机械密封工作环境，还可以作为一级密封面是否失效的重要检测手段。
与单端面机械密封相比，双端面机械密封多一个摩擦副。可分为面对面、背对背两种形式。
面对面双端面机械密封有静环面对面和动环面对面两种形式。静环面对面是一整体动环，动环面对面一整体静环。但是由于加工精度、机械密封失效后更换成本等问题面对面式双封在流体泵用机械密封中使用较少，一般应用于密封腔尺寸较小的场合。背靠背或串联机械密封已经完全可以覆盖面对面机械密封的适用工况。轻烃、黏性、聚合流体、有害气体采用干气密封、非接触设计可以采用面对面机械密封。面对面机械密封要求封液压力大于介质压力，属于有压双封，不然内侧机械密封动静环受力不合理。面对面结构多用于集装式结构，既可以做单端面，又可加封液做成双端面。
背对背式双端面机械密封亦可做成集装性，拆装方便，检修容易，因此使用较多。背对背式双封分别有两动环和两静环，一级密封为外流式。因其适用工况宽，应用广泛，狭义上的双端面机械密封专指背对背式双端面机械密封。背对背式双封属于有压双封，当一级密封失效后密封液系统的压力和液位都会降低。密封液循环的动力由内置泵效环提供。
图6所示为无压双封（串联机械密封）是两组单端面机械密封组成串联双端面机械密封两套密封延同一方向布置，密封腔压力逐级降低，介质不至外漏。串联双端面密封由于其结构紧凑，可适用于轴径尺寸不大，轴向尺寸小，且转速较大的中等载荷的场合。内端为平衡型机械密封，外端为非平衡型带泵效环机械密封。封液提供密封面的冷却润滑，靠内置泵效环循环。
2 干气密封
2.1 干气密封原理简述
一般来讲，典型的干气密封包含了静环、动环组件（旋转环）、副密封O形圈、静密封、弹簧和弹簧座（腔体）等。静环位于不锈钢弹簧座内，用副密封O形圈密封。弹簧在密封无负荷状态下使静环与固定在轴上的旋转环——动环组件配合，如图7所示。
在动环组件和静环配合表面处的气体径向密封有其先进独特的方法。配合表面平面度和光洁度很高，动环组件配合表面上有一系列的螺旋槽，如图8所示。随着转动，气体被向内泵送到螺旋槽的根部，根部以外的一段无槽区称为密封坝。密封坝对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。配合表面间的压力使静环表面与动环组件脱离，保持一个很小的间隙，一般为3微米左右。当由气体压力和弹簧力产生的闭合压力与气体膜的开启压力相等时，便建立了稳定的平衡间隙。
在动力平衡条件下，作用在密封上的力如图9所示。
闭合力Fc，是气体压力和弹簧力的总和。开启力Fo是由端面间的压力分布对端面面积积分而形成的。在平衡条件下Fc=Fo，运行间隙大约为3微米。
如果由于某种干扰使密封间隙减小，则端面间的压力就会升高，这时，开启力Fo大于闭合力Fc，端面间隙自动加大，直至平衡为止。如图10所示。
类似的，如果扰动使密封间隙增大，端面间的压力就会降低，闭合力Fc大于开启力Fo，端面间隙自动减小，密封会很快达到新的平衡状态，见图11。
这种机制将在静环和动环组件之间产生一层稳定性相当高的气体薄膜，使得在一般的动力运行条件下端面能保持分离、不接触、不易磨损，延长了使用寿命。
离心泵输送的介质为液体。根据不同工况条件，可采用双端面干气密封和串联干气密封。
2.2 双端面干气密封
双端面干气密封可以用在绝大多数离心泵的轴封上，它具有以下特点：用“气体阻塞”替代传统的“液体阻塞”原理，即用带压密封气替代带压密封液，保证工艺介质实现“零逸出”；整套密封非接触运行，其功率消耗仅为传统双端面密封的5%，使用寿命比传统密封长5倍以上；结构简单的辅助系统，保证工艺介质不受污染及工艺介质不向大气泄漏，彻底摆脱了传统双端面机械密封对油系统的依赖。密封气采用工业氮气或工业仪表风，其压力高于介质0.15—0.2MPa。
泵用双端面干气密封的不足之处是：需要一定压力的气源，气源压力至少高于介质压力0.2MPa；有微量气体进入工艺流程。
2.3 串联式干气密封
泵用串联式干气密封具有如下特点：干气密封与接触式机械密封串联使用，机械密封为主密封，干气密封为次密封；干气密封与主密封间通入氮气，保证主密封具有一定背压，极大地延长主密封的使用寿命；主密封泄漏的工艺介质随密封气排入火炬，保证工艺介质不向大气泄漏，是一种环保型密封；主密封失效后，干气密封短时间内起到主密封作用，防止工艺介质向大气大量泄漏。该类密封使用寿命取决于机械密封的使用寿命，一般在2—3年左右。该密封主要用于易挥发介质的场合，如液态烃类介质；对密封气压力要求不高。
泵用串联干气密封的不足之处是：该密封还不是完全意义上的干气密封，其总体性能介于机械密封和干气密封之间。该密封适用于易挥发介质的场合，使用范围较窄。
3 神华煤化工项目净化装置煤化工净化装置主洗泵密封选型比较
3.1 主洗泵工艺参数
介质：甲醇
入口压力：0.447MPa（a）
出口压力：7.05MPa（a）
流量：322m3/h
扬程：691.1m
入口温度：-64℃
3.2 双重机械密封选型
（1）甲醇为有毒有害介质，不允许泄露到大气中。
（2）此工况情况下，由于介质温度较低，密封在运转中，会吸收大量热量，导致密封面外侧极易结冰，致使密封面磨损；
（3）工艺要求介质不允许受到污染。
基于此以上原因，推荐选用APIPLAN冲洗方案为PLAN11+52+62
PLAN11：介质从泵的吐出口经过流量控制孔板（如果必要的话）到密封，液体进入邻近机械密封端面的密封室冲洗端面，液体经过密封返回泵中，保持密封端面产生的摩擦热及时带走，从而改善密封工作环境。
PLAN52：利用压力小于工艺流体压力但不低于大气压力的缓冲液，注入密封室中。由于缓冲液压力小于工艺流体压力，少量工艺流体泄漏至缓冲液中，即在外侧密封室中，循环至密封系统或放空系统中进行处理，从而避免工艺流体的直接排放大气和环境的污染。本泵使用工业白油作为缓冲液。如图13。
PLAN62：采用外供急冷液冲洗密封面大气侧。急冷液可使用蒸汽、氮气或清洁水，本泵考虑介质的低温性，使用0.2～0.7Bar低压氮气进行吹扫，防止外侧密封运转时吸收周围热量结冰，导致密封面破损。如图14。
如图15该泵密封系统需配置两个缓冲罐，其上设有温度、压力、液位开关，并且外侧密封需要配置低压氮气吹扫。一旦主密封泄露时，外侧密封液位上升，压力增高，使得压力或者液位进行报警，从而判断密封泄露进行检修。
3.3 干气密封选型
甲醇为碳氢化合物，在低温下极易气化，并且如采用接触式密封产生的摩擦热会加剧密封面间液膜不稳定状态，因此推荐采用双端面干气密封。
本泵选用双端面干气密封。冲洗方案PLAN74
PLAN74：由外部提供隔离气-氮气，通常氮气压力应高于主密封腔介质压力，标准规定隔离气应高1.75-2bara（25psi-30psi），隔离气由有过滤器，调压筏，流量计，单向伐，压力表和压力开关组成的控制板提供，隔离气的泄露方向一是通过主密封面向主密封腔泄露，另一是通过外侧非接触干气密封向大气侧正常泄露，同样实现介质的零泄露。
需配过滤器、调压阀、流量指示剂、压力表、压力开关等，还需配给0.8MPa（a）的稳定洁净氮气。
4 主洗泵选用串联机械密封与干气密封的比较
（1）密封效果：串联机械机械密封与干气密封均可做到介质绝不泄露；
（2）使用寿命：串联机械密封使用寿命为1年；干气密封使用寿命为3年；
（3）操作简便性：串联机械密封需加缓冲液及配置氮气吹扫；干气密封需采用氮气加压系统，两者基本相当；
（4）一次投入价格：串联机械密封价格相当于干气密封价格的60%；辅助系统价格相当；
（5）外部条件依赖性：串联密封对公用工程条件要求不高，干气密封需要压力稳定、洁净的氮气源；
（6）易损坏度：串联式机械密封为接触式密封，由于介质温度较低，密封产生的摩擦热会加剧密封面间液膜不稳定状态，长期运转能力明显弱于干气密封；干气密封必须达到一定转速才能形成气膜，开启密封面，在泵启动停车时密封面容易磨损，如频繁启停泵则极易损坏；
（7）检修复杂性：串联式机械密封与干气密封均为集装式密封，整体更换，对用户来讲区别不大；
（8）维护成本：串联式机械密封价格低但寿命短，如以三年为计算期，理想状态下干气密封更换费用为串联密封的55%。
5 结语
通过净化装置主洗泵干气密封与串联式机械密封选型的综合比较，两者均没有绝对的优势。干气密封在公用工程条件稳定，装置运行稳定的场合，具有维护成本低、使用寿命长、稳定可靠地优势，因此，在能够稳定运行的装置，可优先考虑使用干气密封。在新建、改建项目，由于装置在开工初期工艺操作稳定性较差，公用工程条件的稳定性也不好保证，双重机械密封则具有投资低、对公用工程依赖性低、更换成本较低等优势，因此在新建、改建项目建议优先考虑串联式机械密封。
在目前技术条件下，泵用双重机械密封与干气密封各有优势，进行选型时还需从投资能力、外部条件、装置稳定性、工艺要求等方面综合考虑。
参考文献：
[1]李继和.机械密封技术.化学工业出版社，1988.
[2]顾永泉.流体动密封.山东石油大学出版社，1990.
[3]陈伟.API682密封标准浅析.化工设备设计，1999（6）.
[4]美国JohnCrane、美国Flowserve等密封公司的最新资料.