摘要：从理论上对干气密封的作用机理及影响干气密封性能的主要参数进行了研究。针对丙烷泵的工艺特点，设计制造出了适合轻烃类介质的串联式干气密封及控制系统，工业运行获得成功，极大地提高了丙烷泵的的性能。
一 、 概 述
在现代石油化工工业中，常用离心泵来输送各种饱和液化石油气体，如甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丙烷、液氨等。这些液化气绝大多数属于易燃、易爆的危险介质，一旦大量泄漏到环境中，将带来极大的安全隐患，对生产装置的安全造成严重的威胁。因此，这类液态烃泵轴封的可靠性和密封性在很大程度上决定了泵是否能可靠、稳定、安全地运行。
长期以来，在炼油行业中，丙烷泵的轴封问题一直是难以解决的课题。目前，该类离心泵一般采用单端面机械密封。在使用过程中，机械密封经常出现磨损严重、寿命短、突然的喷漏等状况，使用效果很不理想。由于密封频繁的产生故障，对装置的连续、稳定运行造成了较大的影响，甚至出现装置着火的安全事故。可以说，包括丙烷泵密封在内的各类轻烃机械密封几乎是各石化行业普遍存在的老、大、难问题。因此，解决此类机械密封的问题成为现场设备管理人员及密封工作者所面临的一个课题。
由于丙烷介质具有一些较独特的物理性能，采用传统的机械密封结构很难彻底解决丙烷泵的轴封问题。丙烷在泵内输送过程中，呈低沸点液体，该液体极其容易汽化，而且还具有低引火点、低粘度、高蒸汽压等特征。因为丙烷的这些特性，其机械密封的摩擦副端面难以形成和维持连续、稳定的流体膜，从而导致因流体膜汽化引起干摩擦，造成端面早期磨损。现场设备管理人员在长期的使用及维修过程中，可以发现发生泄漏的密封拆下后密封面通常有两种形态：一是端面几乎没有接触的痕迹，即丙烷介质在端面间形成了过大的液膜反力，将密封面推开，造成泄漏；另一种情况是载荷系数、弹簧比压过大，密封仅运行了很短时间即发生严重磨损，这些现象都是由丙烷介质本身特性造成的。
因此，如何改善丙烷泵机械密封端面润滑条件，防止密封端面液膜汽化即是解决丙烷泵密封的关键。本文将干气密封与机械密封的优势集中在一起，设计出的组合密封彻底解决了丙烷泵密封的难题，为解决丙烷等轻烃介质的轴封问题指明了方向。
二、干气密封的基本原理
（一）、干气密封基本原理
干气密封从外形结构上与机械密封相同，同样由动环 、静环 、弹簧 、密封圈以及弹簧座等组成。图 1 所示为干气密封环（可以是动环，也可以是静环）示意图，环密封面经过研磨、抛光，并在其上面加工有流体动压槽。
动、静环作相对旋转运动时，密封气体被吸入动压槽内，由于密封堰的节流作用，进入密封面的气体被压缩，压力升高。在该气体膜压作用下，密封面被推开，与气体静压力、弹簧力形成的闭合力达到平衡。此时，流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜，（通过大量的理论研究与实践证明，此气膜厚度一般在3微米左右），气膜厚度十分稳定，并具有良好的气膜刚度，保证密封运转稳定可靠。
图1干气密封端面动压槽简图
在稳定状态下，作用在密封面上的闭合力（弹簧力和介质力）等于开启力（气膜反力），气膜处于设计工作间隙。
当发生工艺条件波动或机械干扰，使得密封面贴近，有接触的趋势，此时气膜厚度减小，刚度增大，气膜反力增加，迫使密封工作间隙增大，恢复到正常值。
相反，若密封气膜厚度增大，则气膜反力减小，闭合力大于开启力，密封面贴近恢复到正常值。
衡量干气密封稳定性的主要指标就是气膜刚度的大小，气膜刚度越大，表明密封的抗干扰能力越强，运行越稳定。
图2 表示了干气密封在运行状态下密封面上的轴向力平衡图。
图2 干气密封受力图
（二）、影响干气密封性能的主要参数
影响干气密封性能的参数分为结构参数和操作参数。端面结构参数对密封的稳定性影响较大，操作参数对密封的泄漏量影响较大。
一）、密封端面结构参数对气膜刚度的影响
1、 动压槽形状的影响
理论研究表明，对数螺旋槽产生的流体动压效应最强，气膜刚度最大，稳定性最好，因此，绝大多数干气密封都以对数螺旋槽作为密封动压槽。
2、 动压槽深度的影响
理论研究表明，流体动压槽深度与气膜厚度为同一量级时密封的气膜刚度最大。所以，实际应用中，干气密封的动压槽深度一般在3—10微米。
3、动压槽数量、宽度及长度的影影响
干气密封动压槽数量越多，动压效应最强，但当动压槽达到一定数量后，再增加槽数时，对干气密封性能影响已经很小。此外，动压槽的宽度、长度对密封性能都有一定的影响。
二）、操作参数对密封泄漏量的影响
1、密封直径、转速对泄漏量的影响
密封直径越大，转速越高，密封环线速度越大，干气密封的泄漏量越大。
2、介质压力对泄漏量的影响
在密封工作间隙一定的情况下，密封气压力越高，气体泄漏量越大。
3、介质温度、粘度对泄漏量的影响
介质温度对密封泄漏量的影响是通过温度对介质粘度影响而形成的。介质粘度增加，动压效应增强，气膜厚度增加，但同时流经密封端面间隙的阻力增加。因此，其对密封泄漏量的影响不大。
三、丙烷泵工艺参数及其密封的特点
B-512丙烷泵是北京燕山分公司炼油厂丙烷车间的关键动设备，该泵轴封采用的是单端面机械密封。长期来，丙烷泵密封一直存在不同程度的泄漏，密封使用寿命短，检修频率高，给生产带来一定的影响，同时，由于丙烷泄漏给生产装置的安全运行带来极大危害。为此，我厂曾经专门组织过丙烷泵密封攻关队伍，但效果不是十分理想。B-512丙烷泵是沈阳水泵厂制造的150YⅡ67x8型多级泵，密封采用的是单端面机械密封。泵的工艺条件如下：
介 质: 丙烯、丙烷、丁烷等
旋 向： 逆时针 （从电机方向看）
密封轴径： Φ65mm
正常转速： 2950r/min
介质温度： 25~40℃
吸入压力： 1.3~1.6 MPa 吸入温度： 25℃
出口压力： 4.2~5.0 MPa 出口温度： 40℃
丙烷在25℃时的饱和蒸汽压约1.2MPa，在40℃时约为1.5MPa，可见丙烷介质的饱和蒸汽压对温度特别敏感。当机械密封磨损产生热量时，会增加密封端面的温度，造成部分液膜气化，而端面液膜汽化反过来会影响密封端面的润滑性能，是密封面温度更高，如此形成恶性循环，最后造成密封端面无法形成液膜，密封端面处于干摩擦状态，最后密封端面因烧毁而失效。这也就是丙烷泵机械密封特别容易出现剧烈磨损的原因。
四、丙烷泵用串联式干气密封的特点：
根据丙烷的特点，结合现场实际情况，我们决定采用机械密封与干气密封组合的串联式结构，来解决丙烷泵的密封问题。该串联式干气密封具有以下特点：
①. 干气密封与接触式机械密封串联使用，第一级机械密封为主密封，密封介质为丙烷；第二级干气密封为辅助密封，密封介质主要为氮气及少量从机械密封泄漏出已汽化的丙烷气体；
②. 干气密封与主密封间通入氮气，压力一般为0.6~0.8MPa，这样可以大大提高了主密封的背压，减小了丙烷在端面间由于摩擦热而汽化的程度（见图3），避免机械密封出现剧烈磨损现象，从而极大地延长主密封的使用寿命，提高主密封的性能；
③.主密封泄漏的丙烷介质进入一、二级密封之间的密封腔，密封腔压力为0.6~0.8MPa，在此压力下，丙烷已经为气相。（在单端面机械密封结构中，该泄漏气体直接向环境泄漏，造成很大的危害；在串联式机械密封结构中，该泄漏气体与缓冲液混合，形成气、液混相，造成第二级机械密封很快损坏，丙烷气进一步向环境泄漏。）该气相丙烷随氮气一起排向火炬（或废气回收系统），从而保证工艺介质几乎不向大气泄漏，是一种环保型、安全型密封结构；
④.当主密封失效后，干气密封在短时间内起到主密封作用，防止工艺介质突然向大气大量泄漏；
⑤.由于干气密封的保护作用，即使因工艺波动出现抽空现象，组合密封也不易受损。
图3 串联式泵用干气密封主密封端面液膜压力分布
五、丙烷泵用串联式干气密封设计和应用
根据我厂B-512丙烷泵的特点，我们和成都一通科技有限公司合作，在不改变原泵体结构的基础上，设计出了适合该泵应用的串联式干气密封，其结构如图4所示。该密封设计参数如下：
1、主密封机械密封结构参数：
密封面外径DO= Φ85.5 密封面内径Di=Φ76
平衡直径 DB=Φ78 载荷系数 K =0.80
弹簧比压 PS=0.25MPa 端面比压 Pb=0.51MPa
图4 B-512丙烷泵用串联式干气密封
（一）结构设计
主密封机械密封结构参数：
密封面外径DO= Φ85.5 密封面内径Di=Φ76
平衡直径 DB=Φ78 载荷系数 K =0.80
弹簧比压 PS=0.25MPa 端面比压 Pb=0.51MPa
干气密封结构参数：
理论研究表明，螺旋槽产生的流体动压效应最强，产生的气膜刚度最大。为此，我们采用螺旋槽干气密封结构。利用有限元计算程序，对干气密封端面螺旋槽结构参数进行优化：优化时，以干气密封具有最佳的气膜刚度为优化目标，同时将干气密封的最大刚漏比作为优化的参考目标。干气密封最大刚漏比的物理意义是在密封具有较大气膜刚度的情况下气体泄漏量较小。
优化时干气密封输入参数如下：
介质平均粘度: = 1.42 X10-5 Pa•S 密封转速∶N=2950转/分
工作气膜厚度∶Ho=3微米 工作压力∶P=0.7 MPa螺旋槽密封面结构的优化
（1） 螺旋角的影响
当螺旋角为16左右时，密封的气膜刚度、刚漏比和承载能力达到最大值。
（2） 槽深的影响
当螺旋槽的槽深为设计气膜厚度的3.5倍时，干气密封的气膜刚度、刚漏比以及承载能力最大。
（3） 螺旋槽槽长的影响
当槽长与坝长之比小于1.5时，干气密封的刚度、刚漏比、气膜承载能力变化较大。
（4） 螺旋槽槽宽的影响
槽宽坝宽比在0.4～1.2范围内，密封的性能变化不是很大。
（5） 螺旋槽槽数的影响
随着螺旋槽槽数的增加，干气密封的气膜刚度、刚漏比、气膜承载能力均有所提高。考虑加工工艺上的原因，干气密封螺旋槽数量选择在10—30为宜。
（二）、B-512丙烷泵干气密封系统流程说明：
见图二，外部氮气管网氮气进入控制系统，经过滤器，减压阀后，为干气密封提供稳定、干燥、清洁的密封气；当主密封泄漏过大或氮气压力过低，单向阀起到防止工艺介质反串入氮气管网的作用；进入密封腔的氮气与主密封泄漏的微量工艺介质通过节流孔板排向火炬；当主密封机械密封泄漏过大时，由于限流孔板的作用，密封腔压力上升，泄漏管线上的压力表指示上升（或压力开关发出报警信号），表明密封失效。
六、干气密封实验室台架试验
在完成了B-512丙烷泵干气密封的设计制造后，我们在成都一通科技有限公司的试验台上进行了干气密封的性能模拟试验。
参考API617离心压缩机干气密封的试验规程，并按此规程对B-512丙烷泵干气密封进行性能试验。试验结果表明，干气密封具备高度的稳定性、可靠性，漏量也非常稳定，与设计值非常吻合。
七、工业运行考核
成都一通科技有限公司设计制造的B-512丙烷泵干气密封于2005年2月在我北京燕山石化炼油厂第六作业部丙烷装置进行干气密封及控制系统的现场安装和工业运行，干气密封工业运行一次成功。
八、结论
1) 在理论上，采用有限元法对干气密封工作原理，端面槽型结构参数优化设计进行了研究，保证干气密封具有良好的密封性和稳定性。
2）试验表明，设计出的干气密封完全能够实现密封的非接触运行，密封性能稳定可靠。
3) 工业运行表明，设计制造出的B-512丙烷泵串联式干气密封性能稳定可靠，大大提高了该丙烯泵的运转性能。
4）经过大量的实践证明，在液态烃泵上采用串联式干气密封，可以彻底解决原机械密封带来的许多问题，为泵及装置长周期、安全、稳定的运行提供有力的保障。
参考文献：
[1] 顾永泉，流体动密封[M],山东；石油大学出版社，1990
[2] Godse A G.Hydrocarbon Proc.[J],2000,79（2）。
B-512丙烷泵干气密封控制系统图
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