无水机械密封在磷化工生产中的应用

Application of Waterless Mechanical Seal in Phosphorus Chemical Production

白保生 Baosheng BAI , 陈虹 CHEN CHEN

威海恒邦化工有限公司山东烟台 264109 Amoriphous Phosphorus Branch Co. , Yunnan Yuntianhua Co. , Ltd. , Kaiyuan 661699,

摘要：

磷化工生产过程中涉及磷酸、硫酸、氟等强腐蚀性介质，耐磨蚀离心泵的轴密封是整个泄漏控制工作的重点及难点。介绍了离心泵机械密封的原理，针对普通机械密封在实际生产应用中存在的问题，对HTM集装式机械密封进行了局部改造。改造后得到的WHS系列无水集装式机械密封投入运行后，改善了现场操作环境，降低了水资源消耗，延长了设备使用寿命，从而降低了生产成本。

关键词：

无水机械密封; 磷化工; 生产; 应用;

Abstract：

The phosphorous chemical production process involves strong corrosive media such as phosphoric acid, sulfuric acid and fluorine, etc. The shaft seal of the wear-resistant centrifugal pump is the key and difficult point of the whole leakage control work. The principle of mechanical seal of centrifugal pump is introduced. In connection with the problems existing in the actual production and application of ordinary mechanical seal, the HTM assembled mechanical seal has been partially modified. After putting the modified WHS series waterless assembled mechanical seal into operation, the on-site operating environment is improved, the water consumption is reduced, the service life of the equipment is prolonged, and the production cost is reduced.

Keyword：

waterless mechanical seal; phosphorus chemical industry; production; application;

云南云天化股份有限公司红磷分公司(以下简称红磷分公司)的主要产品为磷酸一铵、磷酸二铵、复合肥料等系列磷化工产品，生产原料涉及磷酸、硫酸、氟等强腐蚀性介质，因此，生产过程中的泄漏控制始终是核心工作，而耐磨蚀离心泵的轴密封是泄漏控制工作的重点及难点。红磷分公司在泵密封件的选择上先后使用过内置单(双)面、外置单(双)面、HTM集装式等机械密封，在泄漏点的控制上取得了显著的成效，但仍然存在一定的问题。此外，机械密封都需用冷却水，不但造成了一次水资源的消耗，而且现场冷却水排放会影响周围环境。为逐步推进节能降耗目标，红磷分公司不断寻求新技术，通过对目前较为先进的HTM集装式机械密封进行局部改进，取消了机械密封冷却水，为实现节能降耗、绿色文明生产创造了有利条件。

1 机械密封概述

机械密封是由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力及补偿机构弹力的作用及辅助密封的配合下，保持贴合并且相对滑动，构成防止流体泄漏的一种装置，通常采用端面密封形式，一般用作泵类设备的旋转轴密封，由主要部件(动环、静环)、辅助密封件(密封圈)、弹力补偿机构(弹簧、推环)和传动件(弹簧座或固定螺钉)四大部件组成。机械密封的旋转端在高速运转时，处于介质中的弹簧本身受到离心力影响而很容易发生变形，而强腐蚀性的介质在强烈搅动下对弹簧更加不利；静止端主要承受摩擦、温度及腐蚀的影响。无论是旋转端还是静止端都是机械密封中最为主要的零配件，其性能直接关系到密封的效果及使用寿命，因此，对密封环的材料、结构、形状、尺寸、表面加工质量等都有较高的要求。

2 普通机械密封应用情况

2.1 单端面内置机械密封的应用

单端面只有1个密封面，其冷却液为泵体内介质，无冷却水，其主要结构如图 1所示。

图 1

单端面内置机械密封主要结构

单端面内置机械密封在红磷分公司主要用于输送浓硫酸、硫酸铵等与水能产生强烈反应且本身比较洁净、无悬浮颗粒的化工原料的离心泵，机械密封的弹簧、支座、密封件等直接与酸接触，长期承受腐蚀及离心力的影响，使用工况条件恶劣，容易产生密封失效，给生产的持续稳定运行及环境保护带来很大的影响。

2.2 双端面内置机械密封的应用

双端面内置机械密封有2个密封面，靠近泵叶轮端的密封面用于防止输送介质从轴端泄漏，另一端用于防止机械密封冷却水泄漏。该机械密封需用冷却水降温，冷却水在机封室内形成一定压力(0.3～0.5 MPa)以平衡泵内介质压力。双端面内置机械密封主要结构如图 2所示。

图 2

双端面内置机械密封主要结构

双端面内置机械密封在红磷分公司主要用作输送含有悬浮颗粒的浓磷酸、洗涤液等耐磨蚀泵的轴端密封，在使用过程中通常存在以下问题。

(1) 机械密封需要冷却水冷却摩擦面，若发生水管堵塞、水管接头脱落等故障时，短时间内就会发生机械密封烧损现象，导致输送介质从轴端向外喷洒。

(2)密封件经长期磨损、腐蚀而失效后，冷却水就会进入泵内与浓磷酸、洗涤液等介质混合，即出现内漏现象。内漏现象不易发现，虽然不会产生环境污染，但会使磷酸、洗涤液浓度降低，影响生产控制指标，严重时甚至引发产品质量事故。

(3) 存在水资源消耗，冷却水外排影响周围环境。

3 无水机械密封的应用

3.1 应用概况

针对普通机械密封在实际生产应用中存在的问题，红磷分公司成立专门的技术攻关小组，通过与机械密封生产企业的合作并结合实际工况条件，对HTM集装式机械密封的动、静密封环进行了改进，得到WHS系列无水集装式机械密封，其外形及结构如图 3所示。

WHS系列无水集装式机械密封自2017年11月投用以来，设备运行正常，各项技术指标达到改造要求，解决了红磷分公司长期存的离心泵轴密封难题，不仅节省了一次水，而且为绿色文明、低碳环保生产奠定了基础。

3.2 无水机械密封的设计

机械密封冷却水主要用于移除动、静密封环在相对高速滑动过程中所产生的热量，所以无水机械密封首先要解决移除动、静密封环摩擦而产生的热量问题。通过不断研究和试验，从2个方面可以完全解决摩擦发热问题。

图 3

WHS系列无水集装式机械密封外形及结构

(1) 结构上采用单端面集装形式，充分利用输送介质(浓磷酸、洗涤液)来吸收热量。

(2) 对动、静环的材质进行改进。普通机械密封动、静环的材质为碳化硅－碳化硅、碳化钨－碳石墨、三氧化二铬Cr₂O₃-碳石墨等，具有耐磨、坚硬等优点，但在相对摩擦运动中必然会产生较大的热量。而碳化硅＋碳合金材质不但继承了碳化硅耐磨、坚硬的特性，而且在密封面间会形成很薄的碳粉末以达到润滑密封面的效果，从而极大地减少了动、静环摩擦产生的热量。

3.3 无水机械密封与普通机械密封的对比

以LC50/350型耐磨蚀离心泵为例，无水机械密封与普通机械密封使用情况对比如表 1所示。

表 1

无水机械密封与普通机械密封使用情况对比

密封形式	适用介质	存在问题	密封失效因素	使用周期/月	年运行费用/(元·台^-1)
单端面机械密封	浓硫酸、硫酸铵等无悬浮颗粒液体	密封件长期承受腐蚀影响，使用寿命短	长期磨损、过热损坏、化学腐蚀	4	9 000
双端面机械密封	含有悬浮颗粒的浓磷酸、洗涤液等	水资源消耗高，容易出现内漏现象，易引发产品质量事故	长期磨损、过热损坏、化学腐蚀	4	9 000
无水机械密封	可适用于各种液体	操作控制严格，不允许“打空泵”运行	长期磨损、化学腐蚀	5	7 200

由表 1可知，新型的WHS系列无水集装式机械密封应用于磷化工生产具有显著的优点，不但能延长设备使用周期、降低生产成本，而且能节约水资源，避免出现内漏现象，防止由此导致的产品质量事故发生。

红磷分公司使用无水机械密封以来，极大地改善了现场操作环境，降低了水资源消耗，延长了设备使用寿命，为保护生态环境、实现绿色文明生产提供了有力保障。