液力透平机械密封国产化改造

安 冬，李宝强

（陕西延长石油（集团）延安石油化工厂，陕西延安 727406）

0 引言

240 万吨/年柴油加氢精制装置反应进料泵（P-102A）采用电机和液力透平共同驱动的方式，该液力透平泵组从德国苏尔寿公司进口。利用液力透平驱动主要是为了回收反应生成油从热高分至热低分的压力能和热能，降低装置能耗。相比电机单独驱动反应进料泵，液力透平和电机共同驱动时，每小时可节约电能约385 度。

1 原装密封介绍

液力透平原装密封采用进口某厂家的双端面机械密封（图1），多弹簧式，背靠背布置，冲洗方案为API682-PLAN53B，即带有囊式蓄冷器和冷却器的外部增压流体冲洗系统，流体通过双密封总成中的泵送环进行循环，冲洗系统压力要求比密封腔最高压力高0.2 MPa。

2 改造

自2015 年7 月投用液力透平以来，因机械密封泄漏问题，连续运行时间从未超过半年，由于该进口机械密封采购、生产周期长，且价格高昂，严重制约着该节能设备的长周期运行。因此，经与国内多家密封厂家探讨，车间提出相关改造建议，完成了对其机械密封的国产化改造。

2.1 介质侧密封圈的改造

原装机械密封的内部密封静环与内压盖采用材质为全氟橡胶的O 形圈进行密封，该材质耐化学腐蚀性能优异，且最高能耐近300高温。正常运行时，液力透平密封介质侧温度为200，理论上该O 形圈足以满足其温度要求。但实际运转过程中，操作介质温度时有偏高，且摩擦端面产生的部分摩擦热不能被有效带走，导致O 形圈实际工作温度接近其上限温度，使用性能大幅下降，极容易出现高温老化等不可恢复性塑性变形[1]。内部密封失效，高温介质进入隔离液密封腔，形成恶性循环，最终将导致外部密封失效。

柔性石墨既有优良热稳定性、化学稳定性和高导热性，耐高温可达800，同时又具有独特的可压缩性和回弹性。因此，国产化机封将该部位的O 形圈由原来的全氟橡胶O 形圈改为模压成型的柔性石墨矩形圈。

2.2 补偿元件（弹簧）的改造

图1 原机械密封

原机械密封采用多个小弹簧形式的密封元件，一方面是对密封端面产生一定的预紧力，使密封端面在启动、停车或介质压力波动时能够保持良好的结合；另一方面来克服辅助密封圈与轴之间的摩擦力，使补偿环轴向移动，以补偿密封端面磨损后形成的间隙，即保持动环的追随性[2]。原装机械密封内部密封动环与外部密封动环共用一组弹簧系统（图2）。当一侧密封面承载能力过大被打开时，在同一组弹簧预紧力的作用下，另一侧密封端面间隙减小；严重时，液膜闪蒸，出现干摩擦，造成密封失效；亦或者一侧密封因故障出现倾斜时，必然会影响另一端摩擦副间隙及稳定性。

根据共用一组弹簧系统的缺陷性，国产化改造中，将内部密封动环与外部密封动环设置独立的弹簧系统（图3），端面偏斜时缓冲性能好，即使一端密封故障导致泄漏，也不会直接影响另一端密封，能够将双端面机械密封的优势最大化。

2.3 密封环结构的改造

原装外部密封静环采用轴向定位方式（图4），该静环支撑方式结构简单，传热好，但不能吸收腔体的轴向振动[3]，当有微小轴向移动或振动时，会加大摩擦端面的磨损。

国产化改造中，改变静环及外压盖形状（图5），静环背端面有一弹性橡胶O 形圈，压力作用在横截面形心处，产生的力矩之和为0，具有较好的补偿、吸振效果，更适用于高压及变压工况。

液力透平机械密封内部密封压差约为0.2 MPa，而外部密封压差约为2.7 MPa，属于高压密封。高压密封动环要求有最佳的几何形状，强化转矩的传递机构，降低摩擦热变形。但原装机械密封内、外部密封动环结构相同。国产化改造中，外部密封采用了与内部密封结构形式不同的高压密封，该密封动环采用了锥旋结构，该类型的动环结构形式更利于导热、减小温升、平衡作用力、抑制端面变形。

图2 共用弹簧系统

图3 独立弹簧系统

图4 原静环定位方式

图5 改造后静环定位方式

3 效益分析

国产化改造后的机械密封使用1 年多以来，驱动端、非驱动端机械密封运行状况良好，未出现泄漏情况。

原装进口机械密封价格为27 万元/套，国产化后价格为5万元/套，国产化改造前平均半年更换2 套（驱动端、非驱动端各1 套），改造后按平均1 年更换2 套计算，每年可节约材料费约98 万元。

根据API 682 要求，囊式蓄能器和储罐的流体加注（充压）周期都应该大于28 d。而改造前，冲洗系统失压快，严重时平均每天要充压1 次，职工劳动强度大，工业白油消耗量大。国产化改造后，冲洗系统充压频率远大于28 d，降低了职工的劳动强度，减少了工业白油的消耗量。

4 结语

液力透平机械密封国产化的改造，完全满足原工况的使用要求，延长了机械密封的运行周期，保证了液力透平的安全、经济、平稳、长周期运行。同时对同类机械密封的国产化具有一定的参考作用。