IGCC高压机械密封改造探讨
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摘要：本文通过对IGCC损坏高压机械密封进行解体分析，找到机械密封失效的原因，即密封结构无法有效阻止介质中的碳黑进入密封腔。根据分析结果，对原有密封进行了改造，解决了机械密封泄漏问题。
关键词：IGCC高压机械密封改造
前言
IGCC是一种有效解决环境污染问题的环保发电联合装置，作为公用工程岛在国内石化行业还是首次应用，相关的配套设计、设备选型等都还处于摸索阶段。福建联合石化IGCC装置的六台碳黑洗涤塔底泵在开车试运期间，都发生了严重的泄漏，无法满足长周期运行。本文通过解体碳黑洗涤塔底泵机械密封，从设计参数、密封结构等方面对机封失效原因进行分析，找到了机封失效的原因，即机封选型时未充分考虑到介质含有的碳黑成分，密封结构无法完全阻止碳黑进入密封腔，进入密封腔的碳黑导致了机械密封的失效。根据分析结果对原机封进行相应的改造，解决了密封寿命短的问题。本文涉及了IGCC装置高压、含颗粒介质工况下机泵密封改造的技术问题，以供参考。
机械密封技术分析
设备现状
IGCC气化炉产生的合成气先经过水洗脱除碳黑，然后进入下游净化装置进一步净化提纯。合成气洗涤除碳黑流程示意图见图1，合成气在碳黑急冷罐进行一级水洗除碳黑，在碳黑洗涤塔进行二级水洗除碳黑。碳黑洗涤塔底泵输送的介质为洗涤水，含有碳黑颗粒、溶解有H2S、CO、NH3等气体，且入口压力达到6.45MPa，工作条件非常苛刻，能否安全平稳运行对整个IGCC装置平稳运行至关重要。
该泵原配机械密封为进口机械密封，自IGCC装置投用以来，该机械密封一直存在泄漏问题，新机械密封安装投用不久出现滴漏现象，随着运行时间的延长，机械密封泄漏量逐渐增大，直至完全失效。由于该泵输送介质特殊，泄漏后的碳黑水污染地面，挥发的有毒有害气体严重污染环境，该泵的泄漏已严重影响了装置的安全长周期运行。
进口机械密封失效原因分析
失效机械密封解体
原机械密封示意图见图2，拆检多套失效机械密封，故障现象主要有：
密封副中动环（图2部件4）密封面磨损严重；
弹簧座、轴套滑移部位碳黑沉积很多；
动环支持环的密封圈卡死（图2部件3），按压动环，完全卡死，动环已无补偿性；
机械密封失效原因分析
机械密封参数核算
机械密封设计选型时考虑的关键参数有载荷系数K、反压系数λ、弹簧比压Ps、端面比压Pc，根据解体的机械密封的测量数据，我们对进口机械密封的设计参数进行了核算，核算数据见表2。核算数据表明机械密封设计参数载荷系数K、反压系数λ、弹簧比压Ps、以及密封副材质的选择均符合机械设计手册[1]的要求，而端面比压PC则符合参考资料[2]的建议。
关于高压机械密封端面比压Pc取值问题，参考资料[2]的建议值0.7-0.85应该是可信的，IGCC其余使用良好的高压机械密封端面比压的核算值均在0.8-0.85之间，间接证明了这一点。本次核算的机封的端面比压为0.816MPa，符合设计要求。
表2 原机械密封设计参数核算
机械密封结构分析
见图2，原设计中，密封动环是通过与推环机械配合定心，推环由密封圈支持定心，实际动环与推环的机械配合长度较短，这要求密封的弹簧补偿力足够克服密封圈在轴套上的摩擦阻力，才可保证推环的可靠追随。
在机械密封实际运行中，由于工艺操作波动、冲洗水量波动等各种原因，介质不可避免的会进入密封腔，介质中的碳黑会密封腔内沉积，当碳黑在动环密封圈滑移部位沉积后，增大了动环密封圈的滑移阻力，当密封圈滑移受阻，容易使动环与推环之间的支撑出现问题，影响动环的定位及补偿，同时使密封圈与动环脱离，导致出现密封泄漏增大。密封泄漏增大后，流过密封腔的介质大量增加，碳黑迅速大量沉积，导致密封在短时间内失效。因此，对于存在颗粒的介质，动环选用的密封结构不合理是密封失效的主要原因。
密封外冲洗水分析
由于碳黑洗涤塔塔底泵的介质中含有颗粒，不能使用泵出口介质作为机械密封的冲洗液，所以机械密封采用冷却后的超高压锅炉给水作为外冲洗水，冷却密封端面，同时防止介质进入密封圈。机封冲洗水孔只有一个，直径为Φ4mm，沿着密封面切线方向冲洗。机封冲洗水压力选择一般要求高于密封腔压力0．107～0．11MPa[4]即可，根据现场的压力测量，密封腔压力6.45MPa，因此机封冲洗水压力为6.55Mpa就可以满足要求。由于该泵区域的锅炉给水不是独立供应机封冲洗用，该给水管网的压力按8MPa进行控制，实际冲洗水压力超出设计值较多，过高的冲洗压力直接冲击在密封侧端面上，使密封端面在这个位置受一个较大外力，密封端面在轴向的受力不再均匀，影响了密封面的贴合度，因此密封投用后就出现滴漏现象。此外，仅有Φ4mm的冲洗孔流过的冲洗水量不足，造成冲洗水不能完全阻止介质进入密封圈，这也加剧了机械密封的失效。
机械密封改造方案
由于现场冲洗水在装置其余部位也有使用，而且管网较长，在该密封位置的水压无法改变，因此，重点对机械密封原有结构进行了重新设计，见图3：
改变机械密封冲洗水直接单点冲洗在密封端面的冲洗方式，同时加大了密封冲洗水的水量。在密封侧端面对应的压盖上加工一个环行槽，然后加上一个开有4个均布冲洗孔的分瓣环，以降低冲洗水对密封端面高速冲击，同时使冲洗水对密封端面的冲击均匀。
在弹簧座外表面增加节流槽，避免了由于工艺操作波动、冲洗水量波动等情况发生时介质中的碳黑进入密封腔及弹簧座区域，从而使碳黑在该部位轴套表面沉积，影响动环密封圈的滑动。
改变动环密封圈的位置、材料和结构。
新密封结构中，动环密封圈直接支撑动环本体，保证了动环端面的定心和密封；更改动环密封圈的材料，采用摩擦系数更小的聚四氟乙烯材料，降低密封圈滑移的摩擦阻力，提高动环的追随可靠性；密封圈的形式由O型圈改为V型结构，在高压的工况下，高压会使V口张开，更有利于密封。
适当增加密封压缩量，提高动环的补偿力，将机械密封压缩量由6.3mm提高到7mm，从而使机械密封的端面比压提高到0.85。
改造机封使用情况
改造后的机械密封在现场投入使用后，连续运行三个月没有发现泄漏。为了检验机械密封的改造效果，拆检一台已连续运行三个月无泄漏的机封，发现密封腔内非常干净，基本没有发现碳黑沉积现象，按压动环，滑移自如。说明机械密封的改造取得了圆满成功。
结论
对于高压机械密封，端面比压的取值应该在0.7-0.85MPa。
机械密封设计选型时，除了要考虑介质的压力温度外，介质是否携带杂质也是要考虑的一个重点。介质存在颗粒，就必须要有防止颗粒进入密封腔的措施，同时保证采取的措施起作用。
通过对IGCC碳黑洗涤塔底泵机械密封的解体研究，找到了机封泄漏的原因，并进行了相应改造，取得了良好的效果。
参考文献：
[1] 成大先主编 《机械设计手册 单行本 润滑与密封》 化学工业出版社 10-202
[2] 张有华高压机械密封的设计与应用 《流体机械》 2005年第33卷第2期 5-8
[3] 王汝美主编．《实用机械密封技术问答》 中国石化出版社．第二版
[4] 何文静 徐广明 浅谈影响泵用机械密封的外因 《中国高新技术产业》2009年第6期
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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