机械密封在热水工况中的应用

[b]1．概述[/b]　　水是各种工艺流程中应用最为广泛的介质。冷水的密封选型通常没有困难，而热水却是一种很难密封的介质，如何为热水提供价廉物美又性能可靠的密封长期以来困扰着密封行业。热水的汽化压力较高，造成它在流经密封面时容易发生闪蒸或汽化，同时热水的润滑性能很差，这些特性使得标准的密封设计很难满足热水工况的要求。[b]2 . 热水工况用传统的机械密封方案[/b]　　热水工况采用的传统的机械密封绝对不能用热水直接冲洗密封面，热水必须首先经过冷却，将冲洗液温度降低至65～820C以下。　　最常用的热水工况的密封冲洗方案有API plan 23和API Plan 21。其中API plan 23方案是将热水从密封腔 （ stuffing box ） 引出，经过一个换热器后再冲洗密封面。换热器使热水的温度在重新注入密封腔并冲洗密封面之前降低了。冲洗液循环的动力通常由一个内置的泵送环，也称泵效环（pump ring）来提供。　　API plan 21 是将泵送热水从泵出口引出，经过换热器降低温度，然后注入密封腔并冲洗密封面。API plan 21总的来说不如API Plan 23效率高，因为它需要冷却的是来自工艺管线的较高温度的热水，在同等工况下通常需要更大的换热器，其优点是冲洗液不需要泵送环提供动力。　　此外可以用于热水工况密封的冲洗方案还有API plan 32。这个方案API plan 32是采用一路外来的温度较低的清洁软水注入密封腔并冲洗密封面，它的冲洗管路简单可靠，但缺点是冲洗水消耗量很大且会稀释或冷却工艺管线的热水，许多用户难以接受。当然还可以采用在密封腔外增加冷却水夹套的方法来降低密封腔的热水温度。　　以上冲洗方案，均要求将密封腔中热水的温度降低到标准密封设计所能接受的水平，以使密封达到一个可以让人接受的使用寿命；并要求另外提供一路冷却水，这不但带来大量的冷水消耗，而且一旦在操作过程中冷水中断就会迅速导致密封失效。同时，在这些冲洗方案的使用过程中还要面对换热器、夹套腔等处的结垢问题，这就降低了密封系统在实际操作过程中的可靠性。　　以下介绍两种适用于热水工况而又无需冷却水的密封方式 － “润滑槽”（Lube Groove）和“液体缓冲垫”（Hydropad）机械密封。[b]3．“润滑槽”（LUBE GROOVE）密封[/b]　　在一个标准的机械密封中，两个密封端面之间存在一个很薄的液膜，在产生和形成稳定的液膜过程中，流体的物理特性处于临界状态。在流体流经密封面时，压力降低、温度升高。压力降低是由于密封面内外缘的压力差造成的，温度的升高是由于液膜中流体受到剪力以及密封面之间的机械接触产生的摩擦热引起的。液膜防止了密封端面之间过大的机械接触，从而减少密封端面在运行过程中的摩擦热和端面磨损。如果液膜在接近密封面的边缘处发生汽化，那么该密封副的大部分密封面都会失去密封液膜的支撑，造成密封迅速失效。　　“润滑槽”就是在密封面上沿切线方向刻出窄槽，该槽不能贯通密封面的内外侧边缘。当流体流经密封面时，这些槽能改善流体在密封面上的压力分布。这有助于保持密封面间的液膜稳定并防止流体在液膜处汽化。　　由于热水的汽化压力很高，容易在流经密封端面时引起快速汽化，因此控制密封接触面的压力是解决问题的关键。当密封面相互平行时，液膜中的压力降基本上呈线性分布，由密封端面外侧的密封腔压力逐步降至其内缘的大气压力。当液膜中的流体压力逐步降低至等于液体的汽化压力时，液膜就会发生汽化。通过在密封面上开润滑槽，密封端面上就会形成一个相对的高压区域。该液膜的压力分布是从密封端面外缘 （OD）呈线性递减直到进入润滑槽。在经过润滑槽时流体压力保持不变，然后再从润滑槽处呈线性递减直到密封面内缘面（ID）。压力分布形式的改变，限制了液膜在“润滑槽”所覆盖的环形区域内的汽化。　　目前“润滑槽”型式密封是由Flowserve公司生产的。该公司的集装式密封U,QB及BX都可采用“润滑槽”型式密封面。以下为“润滑槽”密封在热水工况中的应用：　　最大密封尺寸： 5 英寸 （127毫米）　　最大外缘线速度： 66英尺 / 秒 （20米 / 秒）　　最高转速： 3000rpm　　最低转速： 750rpm　　最高密封腔压力＊： 15 Bar 表压　　最高密封腔温度： 175 0C　　密封副材质： 石墨，碳化硅，硬质合金　　推荐的管线方案： API Plan11或API Plan02　　注＊：最低密封腔压力应保持在高于热水的汽化压力2Bar以上。　　在通常情况下，为便于加工，“润滑槽”一般刻在较软的密封面上。“润滑槽”的确切数量以及它的长度，深度是由密封端面的尺寸决定的。[b]4．“液体缓冲垫”（HYDROPAD）密封[/b]　　“液体缓冲垫”是在动静环的任一密封面上从外缘沿径向朝里开出凹槽或企口。其深度可以从千分之几到0.125英寸（即3毫米）　　在普通密封中，密封面是均匀的圆环形。在密封面上开槽后，就会在圆周方向由机械和温度变化引起变形。在机械方面，由于开槽使密封端面的局部强度削弱了；在热力方面，凹槽使热量沿密封端面的圆周方向散失速率不同。这两个因素造成密封端面发生波状变形。由于液膜很薄，密封面上很小的变形都会对液膜的形成及稳定性产生极大的影响。　　波状变形有助于液膜在密封端面间的延展。液膜厚度沿圆周方向的收缩与扩展产生了一个使密封面分离的流体推开力。这个流体推力减小了密封面间的机械接触，热量产生及密封面磨损。流体推力的大小不仅与密封面的波状变形而且与密封的操作特性和流体的物理特性有关。密封面之间的相对速度也是产生流体推力的一个重要因素。速度越大，流体推力越大。流体的特性，如比重，粘度，蒸汽压，都会对液膜产生很大的影响。流体的比重和粘度越小，流体推力越小。由于以上特性，“液体缓冲垫”可以用于热水，轻烃和氢氟酸等介质。　　在确定是否需要“液体缓冲垫”时应考虑以下因素：　　1） 汽化压力： 密封腔的压力低于液体的汽化压力加上25 Psi （即1.7 Bar）时， 应同时综合考虑温度的因素。　　2） 压差： 密封面内外缘的压差非常低或非常高（大于250 Psi 即17 Bar时），应考虑采用“液体缓冲垫”型式。因为当流体的压力很低时，液体的压力无法克服作用在密封面上的弹簧力，难于在密封面上形成所需液膜。而当流体的压力很高时，密封面上的所受的液体闭合压力也很高，同样难于形成所需液膜。　　3） 液体比重： 液体比重小于0.52。　　目前，“液体缓冲垫”与“润滑槽”一样，均为集装式密封。Flowserve的 BAW 系列以及John Crane的 LASERFACE系列均为此密封型式。[b]5 . 热水工况用机械密封型式比较[/b]　　用于热水工况的机械密封型式比较见下表1。　　表1 用于热水工况的机械密封型式比较表　　密封面型式　　传统机械密封　　“润滑槽”机械密封　　“液体缓冲垫”机械密封　　密封面结构型式　　平面　　在较软的密封面上开闭合槽　　在任意的密封面上开出朝外缘面开口的凹槽或企口　　冲洗方案　　API Plan 21、23、 32　　API Plan 02、11　　API Plan 02、11　　冷却水　　需要　　不需要　　不需要　　密封腔压力Pc　　无限制　　Pc Pc17Bar　　注：Pc – 密封腔压力；Pv – 介质的汽化压力；△Pc – 密封面的内外缘压差。[b]6. 应用实例[/b]　　在上海漕泾SECCO公司苯乙烯项目中，有一冷凝水泵的温度是1170C，入口压力为1.6 Bar，出口压力为 7.2 Bar，密封腔压力经计算约为3.2 Bar，介质的蒸汽压为1.41 Bar，比重为0.951。　　在原设计中，采用的是API plan 23 方案。该设计需要一套辅助管路系统、换热器及其所需的0.7米3/小时的冷却水消耗。我方与业主经过认真的研究和综合比较后，决定采用“润滑槽”（ QB Lube ） 型机械密封，冲洗方案为API Plan 11。设备购置费可以节省约30％，运行费可以节省约6000元/年（仅冷却水消耗）。　　由于“润滑槽”型机械密封不需要冷却水，避免了由于误操作断水而造成密封失效，以及因换热器结垢而降低密封系统可靠性。此类密封型式已在欧洲和中东地区有了近40年的使用历史。　　除了在热水工况中有许多的成功运用外，“润滑槽”和“液体缓冲垫”密封已经大量成功地运用于一些特殊的工况，如：液化空气，低温液化气，轻烃，氢氟酸等介质。由于它在以上特殊的工况中部分替代了干气密封的使用，而购置成本与运行成本，操作难度都大大低于干气密封，相信将会有愈来愈广泛的应用。