氨泵机械密封方案的选型及应用

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

在合成氨项目中，氨泵是不可缺少的机泵设备之一，随着无密封泵的应用与发展，屏蔽泵和磁力泵的技术已经非常成熟，它们在结构上避免了传统的轴端密封，可以做到绝对无泄漏，输送易于气化的氨介质，屏蔽泵是一个不错的选择，但是无密封泵的适用范围还是有局限性的，根据以往的工程经验，采用屏蔽泵或者磁力泵，在功率大于75 kW以上且NPSHa不是足够大(NPSHa≤50 m)的工况下，无密封泵轴承处产生的热量导致介质气化引起轴承损坏的概率大幅度增加。当配套电机功率在75 kW以下时，氨泵的使用效果较好。因此，在氨泵采用机械密封泵时，鉴于液氨易挥发性及极强的渗透性，合适的机械密封方案是保障氨泵稳定运行的关键要素。

1 影响机械密封方案的因素

本文中涉及到的泵均为符合API610 (ISO 13709)要求的泵，配套机械密封是符合API682的集装式机械密封。影响机械密封方案的因素有很多，归纳起来主要有以下因素：①使用工况，如介质压力、温度、轴径和转速；②介质特性，如浓度、黏度、饱和蒸汽压、腐蚀性、有无固体颗粒及纤维杂质，是否易气化，结晶或聚合等；③主机工作特点与环境条件；④主机对密封的允许泄漏量、泄汛方向要求；⑤操作及生产工艺的稳定性。

2 氨泵的特点

某热氨泵的操作工况见表1。

表1 某热氨泵的操作工况

热氨泵工艺工况运行稳定、操作工况常规，此泵原设计采用屏蔽泵(多级和单级的方案均有)，但是使用情况均不理想，泵在投用后短时间内均发生轴承损坏，原以为是泵入口配管不当导致汽蚀造成的，但是经过多次对入口的配管进行整改，同时将卧式泵更换为立式泵来改善入口可能产生的汽蚀，但损坏情况一直得不到改善。根据运行情况及现场的损坏情况分析，导致损坏的原因主要是因为轴承处的温升导致液氨汽化造成轴承处干磨引起的，最终更换为机械密封的离心泵。机械密封腔的压力约为1.81 MPa(a)，温度为40 ℃，该工况下的压力、温度均不特殊。对热氨泵机械密封方案起决定作用的是氨介质的特性：黏度低、润滑性能不佳，同时氨的饱和蒸汽压对温度极其敏感，再加上氨极强的渗透性。其中液氨极易气化是影响机械密封选型的主要因素，液氨在40 ℃时的饱和蒸汽压约为1.54 MPa(a)，在64 ℃时的饱和蒸汽压约为2.84 MPa(a)，即热氨泵压力上升1.3 MPa，温升只要24 ℃就会导致汽化(同样的压升下，水汽化的温升为155 ℃)，如果压力上升0.5 MPa，温升只要10.5 ℃就会导致汽化(同样的压升下，水汽化的温升为115 ℃)。如果在泵的密封端面摩擦产生热量不能迅速传导到流动的介质中去，密封端面处的介质温度上升过高，极易引起氨汽化，导致密封面干磨损害。针对氨的这种特性，选用了双端面加压机械密封，冲洗方式为PLAN11+13+53B。

3 氨泵密封的使用情况及注意事项

从目前氨泵的使用情况来看，无论是国产泵头还是进口泵头均没有任何问题，问题均出在密封或屏蔽泵的轴承上(均与泵的介质氨易于汽化有关，汽化或夹带气体导致干磨)。更换后的离心泵，采用双端面加压机械密封，冲洗方式为PLAN11+13+53B，目前使用情况良好。此方案为带压串联式机械密封，适用于易燃、易爆、有毒的易气化的流体，PLAN53B罐的压力要维持在比泵的密封腔高出0.2～0.3 MPa。第一级密封内环采用泵输送介质冷却，第一级和第二级密封面均由加压密封冲洗罐内的缓冲液润滑，以避免液氨在密封面处气化。在第一级密封介质侧，设置PLAN14(PLAN11+13)冲洗方案，冲洗介质从泵出口至密封腔(节流衬套和动环O形圈之间的腔体)，通过节流孔板(φ3 mm)返回至入口，目的是控制密封腔压力和保证冷却流量，同时避免密封腔存气。PLAN14和PLAN53B密封示意见图1、图2和图3。

图1 PLAN14管路和仪表安装示意

图2 PLAN53B管路和仪表安装示意注：1—补液口；2—气囊式缓冲罐；3—气囊充气口；4—冷却器

图3 PLAN14+53B密封腔

为了保证第一级密封的压差，开车期间需要对实际运行工况下泵密封腔压力进行检测并调整密封冲洗罐的压力，以确保密封冲洗的压差在合理的范围内。以往项目中双端面加压机械密封损坏原因有如下几个方面：①有些机械密封采用了非集装式，导致密封安装不好；②密封的选型，密封材料的选择不合理；③隔离液压力报警值是泵制造厂根据理论计算值设定的，实际的密封腔压力往往和理论计算值差距较大。隔离液的压力无法保证高于介质端压力，极易造成液氨在密封面处气化，导致密封失效；④PLAN53B第一级密封介质侧，密封腔节流衬套和静环处的气体无法排除极易造成密封表面气化损坏；⑤目前密封的O形圈为橡胶材质(材质为乙丙橡胶)，微量杂质极易导致O形圈失效，使用效果不理想。

针对以上可能存在的密封失效损坏的情况，在选用以上推荐的密封方案时，仍需要做好如下措施，确保机械密封安全有效：①采用有成功氨泵密封业绩的制造厂；②采用集装式机械密封，出厂时已调整好，现场无需调整；③采用在泵密封腔上设置就地压力表，以现场实测密封腔压力，然后设置密封缓冲液压力高于介质侧压力0.2～0.3 MPa，保证第一级机械密封面由缓冲液润滑，而不是液氨，以避免液氨在密封面处气化；④在第一级密封介质侧从泵出口至密封腔(节流衬套和动环O形圈之间的腔体)，设置PLAN14(PLAN11+13的组合)冲洗介质通过节流孔板(φ3 mm)返回至入口，目的是控制密封腔压力，提高密封腔气化温度；⑤第一级密封O形圈推荐选用全氟醚橡胶(FFKM)材质，以提高耐液氨中含微量杂质的可靠性。

4 其他常用的氨泵密封方案及特点

除了上述的密封方案外，目前热氨泵常用的机械密封方案还有PLAN11+52、PLAN54和PLAN11+72(机械密封+干气密封)。其使用效果与密封的选型、密封材料的选择(包括O形圈材料)、冲洗方式及其带压系统的选型有关，使用情况有好有坏。

4.1 PLAN11+52

此方案为无压串联式机械密封，适用于易燃、易爆、有毒的易汽化的清洁流体，密封腔的压力仅比进口压力高约0.2 MPa，第一级密封采用泵输送介质润滑和冷却密封面，第二级密封采用常压密封冲洗罐内的缓冲液润滑和冷却密封面，PLAN52典型示意见图4、图5。

图4 PLAN52管路和仪表安装示意注：1—放空口；2—缓冲罐；3—补液口

图5 PLAN52密封腔

中国五环工程有限公司在某项目中的热氨泵，密封冲洗方案为(PLAN11+52)，原配套为小弹簧、平衡型机械密封。开车期间一级密封面多次损坏，厂家多次维修机封，并且更换密封面及密封圈的材质均没有解决这个问题。通过对运行过程及密封端面损坏的情况进行分析，认为损坏的原因可能有两方面：一方面是一级密封面产生的热量极易使液氨达到气化压力，在机械密封端面气化，破环密封端面的平衡力；另外一方面是小弹簧平衡型结构在非正常工况下的追随性也大大降低，使动环和静环的密封面直接撞击和干磨。后来更换为金属波纹管型机械密封，将密封环和波纹管制成一个整体，中间没有辅助密封圈，此方案减少了一个泄漏点，同时减少了补偿机构的摩擦力，改善了补偿机构的追随型，降低了机械密封端面对介质的敏感性。更换后的使用效果还是不错的，但是一级密封端面容易气化的隐患并没有消除。

图6 PLAN54管路和仪表安装示意

4.2 PLAN54

此方案为带压双端面(背靠背结构)机械密封，适用于易燃、易爆、有毒的易汽化的介质，外供密封冲洗液的压力高于密封腔的压力，在密封端面处是由外供密封冲洗液进行润滑和冷却，杜绝了液氨到达密度断面发生气化的可能性。PLAN54典型示意见图6、图7。

图7 PLAN54密封腔

在尿素装置中进口EBARA的高压液氨泵通常采用PLAN54的机械密封方案，机械密封是由荏原和日本皮拉公司联合针对此泵设计开发的，为了确保密封冲洗的安全可靠性，设置有完整的密封冲洗系统，密封冲洗管线上设有压力、压差及自动调节阀等相关的监控、调节及报警装置，如果外供水源不能满足密封冲洗压力的要求，还需要设置独立的密封冲洗水箱及系统。机械密封的使用效果总体上是不错的，但是运行成本和一次投资的成本都较高，对于较小的氨泵来说，性价比不高。

4.3 PLAN11+72(机械密封+干气密封)

此方案为带压串联式机械密封，适用于易燃、易爆、有毒的易汽化的流体，此方案目前在很多工厂都是属于改造方案，比如海南东方和川化都有相应的改造成功的使用业绩，改造后的使用情况也不错。此方案需使用N2来隔离，通常第一级密封也有泄漏，但被外面的干气密封氮气吹到火炬管中，其寿命与氮气的稳定性和密封设计有关。采用此种方案，设备采购成本和后期的维护成本都是比较高的。对于较小的氨泵来说，性价比不高。PLAN72典型示意见图8、图9。

图8 PLAN72管路和仪表安装示意

图9 PLAN72密封腔

但是针对这种方案，笔者认为还有两个需要注意的地方：一方面是第一级的密封方案采用PLAN14的冲洗方案增加了密封腔压力，同时避免密封腔存气，在介质为氨的工况下，比采用PLAN11的使用效果更好；另外一方面需考虑到地域环境的差别，当设备是用于严寒的北方，考虑到在PLAN72的放空侧，为了避免泄漏排放的气氨在放空的过程中出现冷凝引起液封，此时增加PLAN75，从机械密封的低点进行积液导淋后排放，PLAN75典型示意见图10、图11。

图10 PLAN75管路和仪表安装示意

图11 PLAN75密封腔

以上几种密封方案也是在氨泵上比较常见的密封型式，每种密封型式都有其适用的场合和工况。

5 结语

本文根据工程经验结合使用业绩，主要针对氨泵常用的密封方案进行了介绍，并对每种方案的适用场合进行了对比说明，以及采用推荐的机械密封方案时应注意采取的措施。在工程设计过程中，针对不同的工况，用户和工程技术人员可以根据设备的使用工况选择合适的密封方案，以确保氨泵安全、可靠、长周期运行。