约翰克兰机械密封
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2023年3月19日发(作者：第一生产力)２００７年５月
第３２卷第５期
润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｍａｖ ２００７
Ｖｏ１．３２ Ｎｏ．５
甲烷泵机械密封的改造
朱正写郝文旭赵淑霞李复员
（中国石油兰州石化公司石油化工厂烯烃车间甘肃兰州７３００６０）
妊 摘要：为解决甲烷泵机械密封的泄漏，对旧机械密封与封液系统不匹配，引起密封失效的原因进行分析，设计了一
种楔形环作为辅助密封圈的整体式补偿环，取得了良好的效果。
关键词：封液系统；楔形环；失效分析；端面比压
中图分类号：ＴＨ１３６文献标识码：Ｂ文章编号：０２５４—０１５０（２００７）５—１８７—３
兰州石化公司石油化工厂烯烃车间在２４万ｔ乙
烯改造中，新添加了甲烷吸收塔（３０３塔）回流泵，
该泵是美国高质泵业（Ｇｏｕｌｄｓ Ｐｕｍｐｓ）制造的，其密
封系统采用约翰克兰（Ｊｏｈｎ Ｃｒａｎｅ）双端面平衡式机
械密封。甲烷泵ＧＡ－３５２Ａ／Ｂ，泵内输送的介质为
一１３０℃的液态甲烷，工作压力为３．４ ＭＰａ，转速为
２ ９１０ ｒ／ｍｉｎ，扬程为２０ ｍ。由于工作介质的特殊性，
机械密封泄漏严重，泵无法正常使用，造成３０３塔塔
顶甲烷、氢中所含的乙烯不能冷凝回收，使高、低压
乙烯损失过高，严重影响了乙烯的收率，给厂和车间
造成了巨大的损失。过去我们和原生产厂家对该密封
系统进行了多次改造，但都没成功，泵的入口阀一打
开该密封就失效。
１ 甲烷失效原因分析
甲烷是一种特殊的介质，其临界温度为一８２．６
℃，临界压力为４．６４ ＭＰａ，作为液体输送的温度要比
临界温度低。过去封液系统采用的是串级机械密封的
封液系统，这与背靠背的双端面机械密封不相匹配，
造成机械密封经常出现泄漏失效现象。对被破坏的机
械密封进行观察分析有如下现象：介质侧的静环Ｏ
形圈经常变脆脱落；石墨环表面有规则的细小环状沟
槽；硬质合金环表面有被擦亮灼烧的痕迹和被摩擦的
圆环；机械杂质进入密封腔，致使补偿环不能有效工
作；出现内漏介质通过密封腔进入甲醇罐中；第二道
机封也不能发挥预期的密封作用。由以上现象可初步
判断介质侧的静环密封圈被介质推开，大气侧的第二
道密封端面汽化较严重。
甲烷泵采用的是背靠背的双端面机械密封，由２
组摩擦副组成，２个动环共用一组弹簧，因此２个密
封端面上受到的弹簧力是均匀相等的。在双端面之间
的密封腔引入甲醇封液进行润滑、冷却和堵封。以前
密封腔中引入的是０．１～０．３ ＭＰａ的低压甲醇作为隔
收稿日期－２００６—１１—１３
作者简介：朱正写，助理工程师，从事设备管理和检维修工作
Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｚｘｉｅ＠ｔｏｍ．ｃｏｍ．
离液，进行冷却、润滑和循环。预期的效果是当介质
侧的一组密封端面失效时，密封腔内压力升高介质进
入甲醇灌，由大气侧的第二道密封承受压力起到密封
作用。实际情况并非如此，由于甲烷泵的入口压力较
高为３．１ ＭＰａ，而密封腔中的甲醇的压力只有０．１～
０．３ ＭＰａ，弹簧比压为０．３ ＭＰａ。（３．１ ＭＰａ×０．８５）》
（０．３ ＭＰａ＋０．３ ＭＰａ），所以只要泵的入口阀一打开介
质侧的静环就被介质压力推开，静环的辅助密封圈Ｏ
形环就被推出脱落下来，此时介质就在压力作用下沿
着缝隙进入密封腔，第一道密封失去作用。由于静环
的移动，造成静环的倾斜；此时动环的振动变大，动
环密封圈磨损严重使动、静环端面不能贴合，结果在
动、静环端面出现较大缝隙，泄漏增大，第一道密封
完全失效。由于采用的是载荷系数Ｋ＜１的平衡式结
构，介质变化引起的端面比压的增量要小于介质的增
量，当密封腔内的压力为介质压力时，第二道密封的
端面比压就大增。密封面的端面比压变大，汽化半径
变大，液膜压力系数Ａ就会变小，此时就会产生大
量的摩擦热，使动静摩擦副的温度加剧升高，当温度
高到静环Ｏ形环出现熔化时，此时出现泄漏现象，
机械密封被破坏。泄漏增大时，温度急剧下降使甲烷
冻结成冰霜，机械密封的力平衡和热平衡系统遭到破
坏。所以，第二道密封也在很短的时间内被破坏，整
个密封系统在很短的时间内被破坏了。
改造前的机械密封结构简图如图１所示。
０．２ＭＰａ甲醇
ｔ
１．静环２．动环３．动环座４，６．Ｏ形圈５．静环座
图１ 改造前机械密封示意图
２ 甲烷密封系统的改造
由于甲烷的特殊性介质密度小、润滑性差、极易
汽化，一旦发生泄漏就会出现霜冻，密封端面出现冰
霜加剧端面的摩擦，使泄漏量增大。因此改进后的甲
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１８８ 润滑与密封 第３２卷
烷泵采用双端面密封，在大气和介质之间设置一隔离
室，其问用甲醇密封以缓和温度较低的影响，从而实
现对介质的密封。
改进后的甲烷泵采用旋转型、多弹簧内流式、双
端面平衡式机械密封，２只动环共用一个动环座，这
样２只动环所承受的弹簧力能保持均匀相等。因温度
过低材料易变脆，因此材料的选用受到严格的限制。
改进后的动环采用碳一石墨，软质的高纯碳一石墨具
有很好的自润滑特性，能承受短暂的干摩擦运转；静
环采用碳化钨，其优点为热平衡性能好，具有很高的
弹性模量，线形膨胀系数小。动环处的辅助密封圈为
增强型聚四氟乙烯的楔形环，楔形环是改造时新增的
设计内容，为了有效地利用双端面密封，配备了一套
封与之相适应的封液系统。
封液系统的型号为：ＢＥ１６１８－５３－３－０４－００一Ｃ０１４６６，
设计压力为４ ＭＰａ。封液系统新增了一个氮气贮压
器，贮压器的压力能保证甲醇罐内的压力在３．４ ＭＰａ
左右，使密封腔内的压力保持稳定，保证大于介质密
封腔内的压力［Ｐ人 ＋（Ｐ 口一Ｐ人 ）／３＝３．２
ＭＰａ］，避免机械密封的内漏，即第一道密封腔中的
甲烷泄漏到第二道密封腔，甲醇罐中的压力始终要高
于被密封介质０．２ ＭＰａ，使介质无法进入到甲醇罐
中。泵的出口和甲醇罐相连，甲醇罐的底部和贮压器
相连接，确保甲醇的压力稳定。
采用楔形环作为辅助密封圈的整体式补偿环，楔
形环与补偿环配合处的角度为３０。，而补偿环与楔形
环的配合部位的角度为３２。，这样才能保证楔形环头
部与轴套的良好贴合，有效地防止泄漏。同时，锥形
配合的直线性也起到了至关重要的作用。楔形环的尾
部伸入补偿环１～２ ｍｉｌｌ，使其受到弹簧的压迫，从而
获得轴向的推力，建立良好的初始密封状态。楔形环
的强度高，承压能力较高。改造时楔形环采用的材料
为耐低温的增强聚四氟乙烯（ＣＰＴＦＥ Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏ．
ｅｔｈｙｌｅｎｅ），增强聚四氟乙烯与其它材料相摩擦时，它
的分子首先向对磨材料转移，在对磨材料表面形成一
层０．０２～０．０３ ｍｍ厚度的薄膜，因此它是一种能够
减磨且自润滑材料，有较低的摩擦因数。楔形环的结
构简图如图２所示。
图２楔形环结构图
３端面比压的计算
合适的端面比压是保证机械密封长周期运行的重
要因数，端面比压要大于密封端面间的液膜压力，才
能使端面良好地贴合。为了保证密封面贴合，避免密
封面失效开启，液体端面密封的工作比压必须大于最
小端面比压Ｐ …；为了保证机械密封的长周期运行，
避免早期磨损、热裂等，接触式液体端面机械密封的
工作比压必须小于最大Ｐ …。密封面接触比取决于密
封面的面积比、液膜压力系数、被封介质压力以及弹
簧比压等。其中密封接触面积比和液膜压力系数是随
工作介质性质、工作条件和具体使用环境而变化的。
因此，必须根据具体条件来确定，尽可能保证密封端
面比压在较小而稳定的工况下工作。
首先，对密封环进行受力分析，确定机械密封环
处于工作状态时所受力的种类、大小和方向，然后计
算密封端面比压。动环上受到介质压力Ｆ。和液膜压
力Ｆ 以及弹簧力Ｆ。，密封圈对其还作用摩擦力Ｒ。
在上述力中，弹簧力 和介质压力 的方向一致，
这两个力作用都是使密封面闭合，所以称它们为闭合
力。液膜压力作用是使密封端面开启，称它为开启
力，摩擦力通常很小可不计。为了克服辅助密封的摩
擦和动环的转动惯性，必须保持一定的密封面压力，
因此要选择最恰当的弹簧比压Ｐ．。
根据经验，弹簧比压的选择如表１所示。
表１各种机械弹簧比压的选择
根据表１，甲烷泵的弹簧比压选为０．３ ＭＰａ。
介质压力引起的闭合力为：
Ｆ
。
＝ｐ，１Ｔ（ｄ 一ｄ ）／４
液膜压力引起的开启力为：
Ｆ ＝ｐ １Ｔ（ｄ 一ｄ ）／４
则动环上所受到的合力为：
Ｆ＝Ｆ。＋Ｆ
。
一Ｆ ＝Ｆ ＋Ｐｌ １Ｔ（ｄ —ｄ ）／４一Ｐ １Ｔ
（ｄ：一ｄ ）／４
端面比压为
Ｐ ＝Ｆ／［１Ｔ（ｄ：一ｄ ）／４］＝Ｆ ／［１Ｔ（ｄ 一ｄ ）／４］＋
［Ｐｌ１Ｔ（ｄ ～ ）／４］／［１Ｔ（ｄ；～ｄ ）／４］一｛ｐ １Ｔ［（ｄ 一
ｄ ）］／４｝／［－ｒｒ／４（ｄ：一ｄ ）］
可设
Ｐ ＝Ｆ。／｛１Ｔ［（ｄ；一ｄ ）］／４｝
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２００７年第５期 朱正写等：甲烷泵机械密封的改造 １８９
端面比压可化为
Ｐｂ＝ｐ ＋Ｐ。（ｄｉ—ｄ ）／（ｄ —ｄ ）一Ｐ
设载荷系数
Ｋ＝（ｄ 一 ）／（ｄ —ｄ ）
通常密封流体的压力远大于弹簧的比压，载荷系
数的大小决定了端面比压的大小，必然反应为密封端
面的工作状态。所以，在设计机械密封时必须根据密
封介质的压力、饱和蒸汽压、粘度，以及摩擦副材料
和密封端面平均速度等因数来选定合适的载荷系数。
本文中ｄ。＝５０ ｍｍ，ｄ：＝６４ ｍｍ，ｄ。＝５４ ｍｍ，计算得
Ｋ＝０．７４。
因Ｐ ＝Ａｐ。（Ａ为液膜压力系数本文中Ａ ０．８），
则端面比压可化为：
Ｐｂ＝ｐ ＋（Ｋ—Ａ）Ｐｌ
对介质侧的端面比压计算：此处Ｐ．为介质压力
和密封腔压力之差Ｐ．＝３．４ ＭＰａ一３．２ ＭＰａ＝０．２ ＭＰａ，
则
Ｐｂ＝０．２８８ ＭＰａ
对大气侧的端面比压计算：此处Ｐ。＝一３．２ ＭＰａ
（密封腔内的压力与上面的受力方向相反），则
Ｐｂ＝０．４９２ ＭＰａ
计算表明两道密封的端面比压都合适。
密封端面的摩擦热同时取决于压力和速度，因此
用 值来衡量。如果机械密封的 值过大，密封端
面将产生大量的热，轻者使液膜汽化密封失效，严重
时将使密封端面磨损严重，产生沟槽或出现裂纹。所
以，ｐ 值不但是密封正常工作的重要参数，也是密
封材料的一种性能指标。一定的摩擦副材料，在特定
的工作介质环境下有特定的许用值，如果工作状态下
超过许用的 值，密封副将被破坏。
密封端面平均速度为：
＝１Ｔ（ｄｌ＋ｄ２）ｎ／１２０
代人ｎ＝２ ９１０ ｒ／ｍｉｎ，计算得
＝８．９ ｍ／ｓ
介质压力和密封端面平均速度的乘积，即许用
ｐｌ 值为：
Ｐｌ ＝３．４ ＭＰａ×８．９ ｍ／ｓ＝３０．２６ ＭＰａ。ｍ／ｓ
许用ｐ。 值远大于工作的ｐ 值（端面比压和密封
端面平均速度的乘积），因此计算所得的 值满足要
求。
４结束语
对甲烷吸收塔的回流泵ＧＡ一３５２Ａ／Ｂ的机械密封
和封液系统进行改造后，自２００５年４月投人运行以
来没有出现泄漏，实现了长周期的运转，改变了过去
乙烯损失高的状况，满足了工艺生产的需要。
尽管封液系统采用双端面机械密封密封效果较
好，但如果启动和操作程序不正确，仍会出现故障。
根据我车间的情况，封液系统的操作应注意以下几
点：（１）泵的各部件和密封系统应完全用干燥的甲
醇来冷却，在启动前应注意排气；（２）在启动前应
检查泵和密封件是否运转正常，如在密封件上存在冰
棱约束，密封在启动后会立即失效；（３）甲醇灌注
人甲醇时，当甲醇灌的压力达到３．４ ＭＰａ时，立即关
闭人口阀，然后再开泵，平时甲醇压力应保持在
３．１—３．４ ＭＰａ之间。
参考文献
【１】顾永泉．机械密封实用技术［Ｍ］．北京：机械工业出版
社，２００１．
【２】陈德才，崔德容．机械密封设计制造与使用［Ｍ］．北京：
机械工业出版社，１９９３．
【３】陈文梅．流体力学基础［Ｍ］．北京：化学工业出版社，
１９９８．
（上接第１８６页）机油添加０．３０ ｍＬ Ｔ１００１破乳化剂
工作液，破乳化效果最好。通过测算４ 机汽轮机油
箱及充油系统的容积为９．５ ｍ ，因此量取Ｔ１００１破乳
化剂２ ８５０ ｍＬ，用适量的汽轮机油稀释后加人４ 机汽
轮机油箱。４ ｈ后对运行汽轮机油进行油质采样分
析，实际测得的破乳化时间与实验值存在７．６ ｍｉｎ的
偏差，经现场分析和容积重新测算，这一偏差是容积
估算值与实际值偏差所致。
３结束语
针对扎兰屯热电厂汽轮机油高度乳化的原因，采
用添加破乳化剂的方法进行了破乳化试验研究，获得
了较为满意的效果。
为减少汽轮机油的乳化，保证汽轮机的正常生
产，必须采取以下措施：
（１）在机组安装过程中，要严格管理，防止油
系统中残留导致汽轮机油乳化的杂质。
（２）在检修期要对油系统按相关规定进行彻底
的清理和钝化。
（３）对已乳化的运行汽轮机油要及时进行再生
处理或更新。
（４）防止油系统进水，应严格按汽轮机安装质
量标准重新组装或调整汽封。
（５）在大型汽轮机油乳化的防治工作中，适当
降低破乳化剂补加浓度，增加补加次数，延长监测时
间，跟踪检验，还应兼顾防锈问题，做到预防为主、
全面治理。
参考文献
【１】何志．电力用油［Ｍ］．北京：水力电力出版社，１９９８：
２８—４６．
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