美國(guó)一家NGL天然氣凝液生產(chǎn)廠特殊分餾設(shè)備生產(chǎn)情況展示：怎樣才能分析出液態(tài)碳?xì)浠衔镙斔捅迷谔厥鈮毫l件下密封件即將發(fā)生的故障，如何利用密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)徹底地解決問(wèn)題。德克薩斯州休斯頓的這套流程設(shè)備把NGL液化混合天然氣分餾成純的液化氣體，例如分餾成純乙烷，丙烷，丁烷，異丁烷和汽油。
這一設(shè)備的核心部件是它的乙烷噴射泵，這臺(tái)乙烷噴射泵的工作壓力范圍在28~76 bar之間。噴射泵入口處的乙烷溫度不得超過(guò)16℃，只有這樣乙烷噴射泵軸密封的蒸汽壓力才不會(huì)過(guò)低。但在氣候條件的影響下此處的溫度常常會(huì)明顯地升高，乙烷受熱蒸發(fā)，密封件失效，產(chǎn)品損失等等都是它帶來(lái)的惡果。
美國(guó)德克薩斯州休斯敦NGL液化天然氣廠中使用的Sulzer公司研發(fā)生產(chǎn)的乙烷泵，從2011年起改用Eagle Burgmann公司研發(fā)生產(chǎn)的創(chuàng)新性密封解決方案DF-DGS6之后無(wú)故障地運(yùn)行至今
原來(lái)的液態(tài)乙烷輸送泵難題的解決方案是使用有著Diamond-Face涂層的滑動(dòng)密封件，但這種密封件是針對(duì)純氣體介質(zhì)研發(fā)設(shè)計(jì)的Eagle Burgmann公司的DF-DGS6型滑動(dòng)密封件。這種創(chuàng)新性的密封解決方案自上市以來(lái)就被視為一種非常可靠的、長(zhǎng)壽命的低壓蒸汽介質(zhì)密封解決方案，并迅速在世界各地得到推廣、應(yīng)用。它替代了液態(tài)潤(rùn)滑的密封件，因?yàn)橐簯B(tài)潤(rùn)滑密封件在惡劣的工作條件下和在含有相變的介質(zhì)密封中是不適用的。
為什么液態(tài)潤(rùn)滑的密封件會(huì)被淘汰?原因是“旋轉(zhuǎn)設(shè)備”在工作時(shí)常常沒(méi)有考慮被泵送介質(zhì)可能發(fā)生的相變過(guò)程。并且重要的是在設(shè)備啟動(dòng)、緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)或在備用狀態(tài)下，密封系統(tǒng)的工作條件都是無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的，都無(wú)法保證軸密封的滑動(dòng)表面有著足夠的液態(tài)潤(rùn)滑介質(zhì)。不同相工況的評(píng)估會(huì)告訴我們，這些情況給滑動(dòng)密封系統(tǒng)的可靠性帶來(lái)什么樣的影響。
•啟動(dòng)階段：輸送泵開(kāi)始吸入液體介質(zhì)。液體乙烷在吸力作用下進(jìn)入密封的滑動(dòng)表面，并因壓力下降而在滑環(huán)和靜環(huán)之間的縫隙中氣化。有時(shí)候這一過(guò)程會(huì)持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，直到密封空間里重新獲得正常的、超過(guò)了介質(zhì)蒸發(fā)的壓力為止。而此時(shí)，密封面間的熱量，即便是非常低的一點(diǎn)熱量也可以將液體介質(zhì)的壓力提高，提高到足以使密封面間隙中的液體蒸發(fā)。滑動(dòng)表面的破壞就是它們帶來(lái)的惡果，表面損毀的圖片就是最清楚的表述。
•緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)：低速旋轉(zhuǎn)時(shí)的問(wèn)題與啟動(dòng)時(shí)的問(wèn)題相同，但后果更加嚴(yán)重。因?yàn)闆](méi)有足夠高的轉(zhuǎn)速就不會(huì)得到最終所需的高壓力。而密封空間中的壓力不能快速升到理想高度來(lái)保證乙烷蒸發(fā)壓力之間有著足夠的壓力差。這樣，滑動(dòng)表面間的溫度會(huì)升高，潤(rùn)滑不良的概率會(huì)增加，同時(shí)密封失效的概率也提高了。
•備用狀態(tài)：此時(shí)的工作條件是相似的,除非密封件靜置幾個(gè)月沒(méi)有清洗。當(dāng)密封件處于庫(kù)存?zhèn)溆脿顟B(tài)時(shí),滑動(dòng)表面會(huì)積累一些污垢，并且會(huì)在密封件周?chē)椒e越多,從而給密封空間帶來(lái)一些不利影響。
•高效工作運(yùn)行時(shí)：當(dāng)輸送泵在最佳工作點(diǎn)之外的條件下以及在錯(cuò)誤的工作參數(shù)條件下，運(yùn)行時(shí)都要消耗更多的驅(qū)動(dòng)能源并損失一些輸送功率。這兩種情況都在保持與蒸發(fā)壓力的壓力差方面有不利影響——會(huì)在滑動(dòng)表面出現(xiàn)失油干運(yùn)行情況。
其他的工作狀態(tài)，即那些對(duì)評(píng)估密封性能如何有意義的工作情況為：介質(zhì)的溫度波動(dòng)，經(jīng)常的啟動(dòng)-停止，操縱錯(cuò)誤。
在我們介紹的實(shí)例中，德克薩斯生產(chǎn)廠乙烷泵的平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF大約是3周多一點(diǎn)。
毫無(wú)疑問(wèn)，必須采取措施避免密封件的失效及因其失效而帶來(lái)的產(chǎn)品損失和設(shè)備利用率下降。Eagle Burgmann公司在與用戶(hù)的合作中，對(duì)密封件失效的原因進(jìn)行了分析，由其應(yīng)用技術(shù)工程師和設(shè)計(jì)工程師組成的專(zhuān)家組努力開(kāi)發(fā)性能可靠的、永久性的密封解決方案。
迎接新的挑戰(zhàn)
在與介質(zhì)蒸發(fā)壓力曲線(xiàn)，例如本例所述乙烷蒸發(fā)壓力曲線(xiàn)有較小的安全間距情況下使用密封件時(shí)，有一點(diǎn)是共同的，液態(tài)會(huì)經(jīng)過(guò)渡階段而轉(zhuǎn)化為氣體。因此，理想的密封解決方案應(yīng)是“液態(tài)潤(rùn)滑的氣體密封”。為實(shí)現(xiàn)這一理想，人們對(duì)多種密封方案進(jìn)行了嘗試。
Eagle Burgmann公司的產(chǎn)品系列中已經(jīng)有氣體潤(rùn)滑的泵用密封產(chǎn)品了。在生產(chǎn)使用過(guò)程中，這種密封件的滑動(dòng)表面是非接觸式的，有一層穩(wěn)定的氣膜。密封件可以是充滿(mǎn)壓力的惰性氣體氣膜的復(fù)式密封件，也可以是與產(chǎn)品接觸側(cè)受到液態(tài)介質(zhì)壓力作用、在大氣側(cè)受到無(wú)壓力氣體密封的復(fù)式密封件。這種氣體潤(rùn)滑的復(fù)式密封件是這種使用情況下理想的密封件，但在實(shí)踐中常常會(huì)有不可預(yù)測(cè)的介質(zhì)氣相過(guò)渡帶來(lái)的特殊工況和其他惡劣工況。
有些密封件生產(chǎn)廠家，其中就包括Eagle Burgmann公司在內(nèi)已經(jīng)在很長(zhǎng)時(shí)間前就成功提供這種氣體潤(rùn)滑的泵用密封件了。但在惡劣的工作條件下它們也常常失效，因?yàn)闅怏w潤(rùn)滑密封件需要連續(xù)性向滑動(dòng)表面的間隙處提供干凈、純潔的潤(rùn)滑氣體。若遇到前面提到的可能原因時(shí)，這樣的氣體潤(rùn)滑解決方案就具有很大的失效風(fēng)險(xiǎn)。
休斯敦生產(chǎn)廠可以應(yīng)用的另一個(gè)解決方案就是，由泵的壓力側(cè)直接向密封空間提供有壓力的液態(tài)潤(rùn)滑密封件。這就保證了可以提供很高的密封壓力。
但這樣的密封系統(tǒng)也會(huì)不斷的失效，尤其是在炎熱的夏天、當(dāng)溫度升高的時(shí)候。原因何在?就像前面介紹過(guò)的那樣，當(dāng)溫度升高時(shí)液態(tài)乙烷揮發(fā)成了氣體。為了保證液體介質(zhì)始終保持其液體狀態(tài)，就必須保持特定的溫度和特定的壓力(16℃時(shí)大約21~28 bar)。當(dāng)輸送泵在最佳工況下運(yùn)行時(shí)，溫度和壓力都會(huì)保持在理想工作點(diǎn)處：乙烷以液體形式流經(jīng)輸送泵，在軸密封處保持其液體形態(tài)。當(dāng)外部的環(huán)境溫度因季節(jié)變換而提高時(shí)，輸送泵內(nèi)部的溫度也會(huì)相應(yīng)提高，乙烷就會(huì)揮發(fā)成氣體、進(jìn)入滑動(dòng)密封面的縫隙之中。
無(wú)法估算的氣相過(guò)渡
液體潤(rùn)滑的滑動(dòng)密封件是針對(duì)泵送液體介質(zhì)而設(shè)計(jì)的。使用時(shí)，液體介質(zhì)會(huì)進(jìn)入到滑動(dòng)密封的縫隙中去并對(duì)滑動(dòng)表面進(jìn)行潤(rùn)滑。若這層潤(rùn)滑膜被液體介質(zhì)中的氣體撕破，則滑動(dòng)表面就會(huì)處于失油干摩擦的狀態(tài)中了，并因此而受損。但在實(shí)踐中，很多液體乙烷應(yīng)用中的液體潤(rùn)滑密封件都沒(méi)有問(wèn)題。之所以這樣是因?yàn)樗鼈冇兄�(wěn)定的工作條件。當(dāng)工作條件變化很大時(shí)，這樣的液體潤(rùn)滑密封件就不能保證完全正常的發(fā)揮作用了。
氣體潤(rùn)滑的大型密封件能夠很好地完成乙烷液體的密封，然后就只需在密封件中輸入氣態(tài)密封介質(zhì)。為了能使液體乙烷轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的形式，不是降低壓力就是使蒸汽壓力明顯的高于密封壓力。通過(guò)加熱可以快速的實(shí)現(xiàn)這樣的效果，但當(dāng)采用外部熱源加熱時(shí)，會(huì)使整個(gè)密封系統(tǒng)變得結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，密封系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用也很高，這都不符合使用者的初衷。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的性能匹配，例如很小的密封間隙和密封件產(chǎn)品側(cè)的迷宮結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生紊流。紊流的液體摩擦?xí)a(chǎn)生一定的熱量 ， 也會(huì)附帶的在滑動(dòng)表面產(chǎn)生熱量：密封縫隙越小，泄漏也就越小，發(fā)熱也就越大。長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量已足夠多了，在啟動(dòng)階段、緩慢旋轉(zhuǎn)階段或者備用時(shí)(即沒(méi)有摩擦熱時(shí))仍然是有一定風(fēng)險(xiǎn)的。
非同尋常的干氣密封
Eagle Burgmann公司的專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種非同尋常的解決方案：為什么不把壓縮機(jī)的密封結(jié)構(gòu)特性用到液體密封中來(lái)呢——即把氣體密封件的密封特性移植到液體密封中呢?
Dry Gas Seals(干氣密封)，簡(jiǎn)稱(chēng)為DGS的密封方案是在空氣壓縮機(jī)中已經(jīng)被證實(shí)了的可靠軸密封解決方案。它有著較寬的密封面，其結(jié)構(gòu)中有(直接的或者間接的)氣體密封槽。這些槽使得密封系統(tǒng)工作時(shí)能夠產(chǎn)生“懸浮”，使滑動(dòng)表面不相互接觸。像液體潤(rùn)滑的密封系統(tǒng)，在失油干運(yùn)行時(shí)會(huì)帶來(lái)滑動(dòng)表面的磨損損傷一樣，Dry Gas Seals密封系統(tǒng)在滑動(dòng)表面相互接觸時(shí)也會(huì)帶來(lái)磨損，最終會(huì)導(dǎo)致密封失效。由于壓縮機(jī)工作時(shí)也有一些不利于密封系統(tǒng)的惡劣工作條件和工作環(huán)境：在減速運(yùn)行(緩慢的、壓縮機(jī)受調(diào)節(jié)控制的停機(jī)過(guò)程)時(shí)，在低速運(yùn)行和周期性旋轉(zhuǎn)(在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)軸旋轉(zhuǎn)90˚)時(shí)，正常工況下相互不接觸的滑動(dòng)表面也會(huì)相互接觸，因而也會(huì)因相互接觸而出現(xiàn)磨損。
為了解決這種不利的情況帶來(lái)的損害，Eagle Burgmann公司為DGS密封系統(tǒng)研發(fā)了滑動(dòng)表面專(zhuān)用的、創(chuàng)新性的微晶金剛砂涂層，并成功地使用了這種涂層DiamondFace。這種涂層材料有著很高的硬度和耐磨性、出色的導(dǎo)熱性、最高的耐化學(xué)腐蝕性和很低的摩擦系數(shù)。而且它的附著力也超過(guò)了所有已知的實(shí)用要求。已經(jīng)證實(shí)它使滑動(dòng)密封有著幾倍長(zhǎng)的使用壽命，密封系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)周期也相應(yīng)地延長(zhǎng)了，密封系統(tǒng)總壽命周期的成本也明顯降低了。
適合于易揮發(fā)介質(zhì)的解決方案
休斯敦生產(chǎn)廠改用了DF-DGS6型的乙烷泵，并于2011年7月正式投產(chǎn)使用。這種型號(hào)輸送泵的密封解決方案是能夠在液態(tài)或者氣態(tài)密封狀態(tài)下都安全、可靠地密封被輸送的液態(tài)乙烷。在液相和氣相的相變過(guò)程中，即可能導(dǎo)致失油干運(yùn)行和滑動(dòng)表面接觸的情況下，滑動(dòng)表面的DiamondFace涂層都能保證密封系統(tǒng)不受損害。而且在采用這種密封系統(tǒng)之后乙烷泵的工作方式也變得更加簡(jiǎn)單了，密封件可以在無(wú)需任何沖洗(API Plan 02)的情況下工作運(yùn)行。原來(lái)使用的過(guò)濾器以及過(guò)濾器的維護(hù)保養(yǎng)也都省略掉了。
據(jù)設(shè)備運(yùn)營(yíng)商介紹：使用幾個(gè)月之后輸送泵的氣體泄漏減少了83%，最好的時(shí)候減少了90%。
使用8個(gè)月之后，為保養(yǎng)輸送泵的葉輪而停止了輸送泵的工作。運(yùn)營(yíng)商也想借此機(jī)會(huì)對(duì)密封系統(tǒng)進(jìn)行一次動(dòng)態(tài)測(cè)試，以便能夠與原定的使用期限進(jìn)行對(duì)比。為此，他們拆下了密封件，交由美國(guó)休斯敦的Eagle Burgmann公司進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果是密封件的滑環(huán)沒(méi)有一點(diǎn)摩擦的痕跡，就像新的一樣。在清理了其他的密封元件之后，就在檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)重新組裝的DF-DGS6密封件進(jìn)行測(cè)試。由于密封系統(tǒng)處于完好無(wú)損的狀態(tài)，因此得出了非常出色的檢測(cè)結(jié)果(密封系統(tǒng)的泄漏量小于驗(yàn)收時(shí)的檢測(cè)值)。因此生產(chǎn)廠家沒(méi)有采取其他任何措施就把它們重新安裝到輸送泵中使用了。從那時(shí)起，密封系統(tǒng)就毫無(wú)問(wèn)題地運(yùn)行到現(xiàn)在。利用DF-(P)DGS6密封解決方案可以使密封系統(tǒng)的使用壽命長(zhǎng)達(dá)5年以上。
從那時(shí)起，Eagle Burgmann公司DF-(P)DGS6(其中的‘P’表示高壓力變型)已經(jīng)成功的在世界各地的150多個(gè)不同的NGL天然氣凝液生產(chǎn)設(shè)備中使用了，不久前也在二氧化碳領(lǐng)域中有應(yīng)用。