進(jìn)口輻射進(jìn)料泵機(jī)械密封改造

劉 震

（中國(guó)石油大港石化公司 天津）

一、前言

延遲焦化裝置輻射進(jìn)料泵是加熱爐進(jìn)料泵，是裝置的核心設(shè)備之一，主要任務(wù)是輸送分餾塔底焦化油至加熱爐內(nèi)快速升溫至生焦溫度，然后進(jìn)入焦炭塔內(nèi)反映生焦，所以他輸送的介質(zhì)具有“兩高、兩大和一多”的特點(diǎn)，即溫度高（350～385℃）、壓力高（4 MPa）、黏度大、密度大和焦粉多。所以對(duì)其的設(shè)計(jì)、制造的要求高，其中的機(jī)械密封更是直接影響著該泵的安全長(zhǎng)期運(yùn)行。同時(shí)由于近年來(lái)，國(guó)內(nèi)煉油企業(yè)發(fā)生了多起高溫油泵密封泄漏著火事故，給裝置安全運(yùn)行及生產(chǎn)任務(wù)的完成帶來(lái)嚴(yán)重影響，僅2010年就發(fā)生5起因機(jī)泵密封而引發(fā)的火災(zāi)。設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)：高溫油泵介質(zhì)溫度在290～358℃；密封結(jié)構(gòu)為單端面金屬波紋管機(jī)械密封，沖洗方案是API plan 22或32+62。

發(fā)生事故的機(jī)泵密封均為單端面金屬波紋管機(jī)械密封，一旦該密封失效而大量泄漏，現(xiàn)場(chǎng)則來(lái)不及或根本無(wú)法采取控制措施，而機(jī)泵的機(jī)械密封在運(yùn)行中出現(xiàn)故障泄漏是難免的，正好與目前我公司輻射進(jìn)料泵的工藝特點(diǎn)和機(jī)封形式基本一致，所以對(duì)其進(jìn)行改造勢(shì)在必行。

二、改造方案

1.密封布置方式

吸取其他企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，決定密封布置方式選擇必須堅(jiān)持兩個(gè)重要原則。第一個(gè)原則是高溫介質(zhì)絕不能外漏，否則就會(huì)引起火災(zāi)；第二個(gè)原則是取消PLAN62蒸汽背冷，因?yàn)檎羝籽剌S向竄入軸承箱，破壞軸承潤(rùn)滑，污染潤(rùn)滑油，嚴(yán)重時(shí)抱軸，也會(huì)導(dǎo)致機(jī)封泄漏著火。

依據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 610-1995第八版中規(guī)定“如果必須控制泵送液體通過(guò)密封端面泄漏入大氣的泄漏量，可以采用下列措施之一：（1）輔助密封裝置，如裝一個(gè)細(xì)小間隙的浮動(dòng)節(jié)流襯套；（2）采用緩沖液體壓力維持在比被密封的壓力低的雙重式密封；（3）采用隔離液體壓力維持在比被密封的壓力高的雙重式密封?！?/p>

布置方式1即為單端面密封，布置方式2為無(wú)壓雙重式密封，布置方式3為有壓雙重式密封；考慮到第一個(gè)原則，所以布置方式1就不適合了，應(yīng)采用布置方式2或3。又考慮到該泵輸送的介質(zhì)為含有固體顆粒物的高溫渣油，既不能排入火炬管網(wǎng)，又不能就地排放，而且如果介質(zhì)漏入密封輔助系統(tǒng)中也會(huì)對(duì)隔離液進(jìn)行污染，所以放棄了無(wú)壓雙密封的選擇，決定采用布置方式2有壓串聯(lián)式密封，且密封輔助系統(tǒng)的壓力要高于密封腔壓力，只有這樣才能保證一旦與介質(zhì)接觸側(cè)的密封（內(nèi)密封）發(fā)生泄漏時(shí)，是隔離液往泵腔里泄漏，而不是渣油介質(zhì)外漏。

根據(jù)公式 P腔=P入口+（P出口-P入口）×0.15，得出密封腔壓力P腔=0.12+（3.6-0.12）×0.15=0.642 MPa，隔離液系統(tǒng)的壓力P隔離液=P腔+（0.14～0.41）=0.782～1.52 MPa。氮?dú)庀到y(tǒng)最高壓力為0.6 MPa，所以不能選擇系統(tǒng)氮?dú)庾鳛閴毫υ?，最后選擇了PLAN53B系統(tǒng)（圖1），即通過(guò)氣囊式蓄能器給隔離液加壓，并通過(guò)泵效環(huán)使隔離液在兩密封間循環(huán)。

密封形式，API 682標(biāo)準(zhǔn)型機(jī)械密封型式（Types of seal）分為 3 類：TypeA，滑動(dòng)式多彈簧密封；TypeB，低溫旋轉(zhuǎn)型波紋管密封；TypeC，高溫靜止型波紋管密封。

選擇typeC，因?yàn)镃型密封的最高工作溫度為400℃，而且與TypeB旋轉(zhuǎn)波紋管密封相比，可以最大限度的克服由于泵軸與端蓋傾斜所帶來(lái)的波紋管在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)；同時(shí)解決了密封壓蓋與靜環(huán)之間的輔助密封可采用耐高溫的柔性石墨問(wèn)題，而卻對(duì)機(jī)封壓蓋與軸的垂直度要求不高，這樣就減輕了安裝難度。

圖1 PLAN53B系統(tǒng)圖

2.設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）端面比壓。作用于密封端面單位面積的力稱為端面比壓，為保證機(jī)械密封具有長(zhǎng)久的使用壽命與良好的密封性能，必須選擇合理的端面比壓，原則是必須高于波紋管比壓；必須大于介質(zhì)在端面溫度升高時(shí)的飽和蒸汽壓。在保證以上條件下，盡量取小值，以防端面發(fā)熱，破壞液膜，加劇磨損，功率消耗增大，密封使用壽命減短。同時(shí)考慮對(duì)自潤(rùn)滑性好的組對(duì)（M106K/SiC、YG6/SiC、M106K/YG6）可以取稍大值，因液膜不易被破壞，摩擦因數(shù)不易增加。對(duì)于高黏度介質(zhì)，取稍大值（以保持端面貼合）。參照現(xiàn)用的單密封值，端面比壓取0.43。

（2）PV值。在機(jī)械密封制造行業(yè)中，用PV值來(lái)表示機(jī)械密封的工作能力（同時(shí)也可用它表示機(jī)封的工況負(fù)荷）。P是密封流體壓力（MPa）；V是密封端面的平均滑移速度（m/s）。PV值的單位為MPa·m/s。機(jī)械密封的PV值越高，表示機(jī)械密封的工作能力越強(qiáng)；工況PV值越高，表示機(jī)械密封要承載的負(fù)荷越高（密封腔的流體壓力、轉(zhuǎn)動(dòng)線速度）。PV值取2.1。

3.輔助密封沖洗方案

由于輻射進(jìn)料泵輸送的介質(zhì)，溫度高，黏度大，固體顆粒含量多，建議設(shè)置沖洗系統(tǒng)，一方面可以帶走熱量，降低密封腔溫度，防止液膜由于氣化或未排氣而引起的干膜，改善密封的潤(rùn)滑條件；另一方面可以防止雜質(zhì)的集積，延長(zhǎng)機(jī)械密封的使用壽命。建議采用PLAN32方案（圖2），它是指外來(lái)的沖洗液注入到密封腔內(nèi)進(jìn)行沖洗，又稱為外沖洗。

（1）沖洗液的選取。為防止沖洗液進(jìn)入到高溫密封腔內(nèi)氣化，所以采用80～120℃的蠟油作為沖洗液。

（2）沖洗液注入壓力的選取。外沖洗液壓力應(yīng)比密封腔壓力要大，其差值一般為0.05～0.1 MPa，所以選取0.7 MPa。

（3）方案布置。從封油總管來(lái)，順序配置隔斷閥、單向閥、過(guò)濾器、壓力表、切斷閥、最后通過(guò)球面密封的活接頭進(jìn)入密封壓蓋。

圖2 PLAN32系統(tǒng)圖

4.密封材料

（1）高溫油泵石墨環(huán)材料的選擇。根據(jù)API 682-2004要求：對(duì)于溫度為260℃（500℉）～400℃（750℉）、壓力低于2.1 MPa（300 psi）機(jī)泵，摩擦副材料選用高級(jí)抗起泡石墨VS反應(yīng)燒結(jié)碳化硅，所以采用浸銻石墨，浸銻石墨是一種優(yōu)良的自潤(rùn)滑抗磨材料，可運(yùn)行在高溫500℃、深冷-253℃、高速20 000 r/min，高壓10 MPa或高黏度等介質(zhì)中。

（2）硬質(zhì)合金環(huán)的選擇。API 682-2004標(biāo)準(zhǔn)中推薦使用反應(yīng)燒結(jié)碳化硅（RBSiC）和無(wú)壓燒結(jié)碳化硅（SSSiC）。SIC與WC相比，SIC具有摩擦因數(shù)小、導(dǎo)熱性好、硬度高耐磨的優(yōu)點(diǎn)，所以選擇SIC。

（3）輔助密封的材料。對(duì)于高溫油泵，當(dāng)介質(zhì)溫度＜290℃時(shí)，可選用全氟橡膠，當(dāng)介質(zhì)溫度＞290℃時(shí)應(yīng)選用柔性石墨，所以該泵選擇柔性石墨。

（4）金屬波紋管的選擇。對(duì)于金屬波紋管，API 682-2004規(guī)定，除非另有規(guī)定，否則，B型密封（B型密封的最高工作溫度為176℃）的金屬波紋管材料采用合金C-276；C型密封（C型密封的最高工作溫度為400℃）采用合金718（鎳基高溫合金）。所以該泵選擇合金718（鎳基高溫合金）。

（5）其他金屬件的選擇?；诔杀究紤]，軸套、內(nèi)法蘭等直接與介質(zhì)接觸的金屬件采用316L；外法蘭，固定環(huán)、傳動(dòng)環(huán)、螺栓等采用304。

5.最終方案

（1）機(jī)械密封及系統(tǒng)方案（圖3）。

圖3 輻射進(jìn)料泵機(jī)封結(jié)構(gòu)圖

（2）機(jī)械密封及系統(tǒng)改造方案技術(shù)說(shuō)明。改造后的密封沖洗方案采用API PLAN 32+53B+62。PLAN 32沖洗流體介質(zhì)參數(shù)：介質(zhì)名稱，蠟油；介質(zhì)溫度＜105 ℃；沖洗量≥8～12 L/min；沖洗壓力高于密封室壓力0.1～0.2 MPa。

PLAN53B：53B用于密封布置3不允許泵送流體向大氣側(cè)泄漏的雙端面機(jī)封中，系統(tǒng)主要由蓄能器和換熱器組成。蓄能器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加壓，由機(jī)封泵送環(huán)對(duì)儲(chǔ)液進(jìn)行循環(huán)，通過(guò)換熱器中盤管冷卻，以達(dá)到降低密封溫度的目的。系統(tǒng)內(nèi)加壓至少高于密封腔0.15 MPa，乙方提供報(bào)警單元，以檢測(cè)機(jī)封運(yùn)轉(zhuǎn)情況。并及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)液，管道連接用高壓球面接頭。

密封阻封液：清潔的32號(hào)白油或相當(dāng)于32號(hào)白油粘度的清潔潤(rùn)滑油；高于密封腔壓力0.2 MPa；循環(huán)水：入口壓力＞0.35 MPa，回水壓力＜0.27 MPa；氯離子含量＜700 mg/L，污垢系數(shù)0.00045 mzk/w

6.安裝注意事項(xiàng)

（1）儲(chǔ)液罐采用細(xì)長(zhǎng)型20 L，安裝在位于密封半徑0.91 m以內(nèi)，不可直接安裝在泵上方。儲(chǔ)液罐底部應(yīng)高于泵的水平中心線或垂直雙封入口30.5～76.2 cm。

（2）機(jī)械密封壓蓋和儲(chǔ)液罐之間的管線至少為通經(jīng)≥1/2英寸的奧氏體不銹鋼無(wú)縫鋼管；坡度至少為每英尺（30.48 cm）上升1/4英寸（0.64 cm）；不可在管線上安裝任何可能阻礙流動(dòng)的閥門，若使用球閥或閘閥必須保證該閥門鎖定在全開的位置，嚴(yán)禁使用截止閥、單向閥或旋塞閥；最小轉(zhuǎn)彎半徑為5倍的管徑且數(shù)量最多6個(gè)；輔助系統(tǒng)管線要有足夠的支撐和保護(hù)。

（3）輔助系統(tǒng)至少配有一個(gè)排液閥口和排氣閥口；排液閥口必須保證無(wú)需拆卸管路、密封或壓蓋零件的情況下將密封腔和管路中的液體排凈；排氣閥口必須在管線的最高點(diǎn)，并朝下煒彎防止雨水進(jìn)入。蓄能器安裝后啟用前必須檢查充氣壓力和有無(wú)泄漏；一般以系統(tǒng)工作壓力的85%作為充氣壓力。

7.密封使用維護(hù)情況

（1）首先對(duì)安裝好的系統(tǒng)管線進(jìn)行氣密試驗(yàn)。用壓力0.15 MPa（過(guò)高會(huì)損壞機(jī)封）的氣壓，做氣密試驗(yàn)。檢查每個(gè)焊點(diǎn)和接頭，有無(wú)漏氣情況，并把循環(huán)油管程內(nèi)的焊渣和雜物吹掃干凈；把水管回路閥打開（先關(guān)閉換熱器進(jìn)口閥門），向外排水五分鐘以上，并敲擊管壁，使里面的焊渣、雜物、盡快排放出來(lái)。

（2）把清潔的緩沖液注入輔助系統(tǒng)和密封回路中。密封循環(huán)液應(yīng)選用潤(rùn)滑性好、氣化點(diǎn)高、流動(dòng)性好的潤(rùn)滑油，且不應(yīng)對(duì)機(jī)械密封和膠圈產(chǎn)生腐蝕，不含雜質(zhì)和細(xì)小顆粒，不易污垢，結(jié)晶、結(jié)焦。對(duì)于石油烴類介質(zhì)，推薦使用白油20#輕質(zhì)油或46#汽輪機(jī)油。用戶也可參考同類裝置系統(tǒng)中密封件及管路預(yù)熱、保證密封循環(huán)液較好的流動(dòng)性。

（3）plan53B系統(tǒng)加油方法。在加油前先給蓄能器氣囊里充氮?dú)?，壓力?yīng)小于報(bào)警值。把B0出口或零管線最高點(diǎn)的放汽閥打開，等出油后關(guān)閉手閥。如果沒(méi)有放汽閥，就把B0出口管線最高點(diǎn)的接頭打開，堵住罐側(cè)的進(jìn)口、使所加的油單向流動(dòng)。等B0出口管線最高點(diǎn)出油后，再連接上所拆開的管線。繼續(xù)用手壓泵打油，到了需要的壓力后，關(guān)閉手壓泵下的手閥，并加滿油箱備用。

圖4 53B系統(tǒng)P&ID圖

（4）正常工作時(shí)，除補(bǔ)液閥和放液排汽閥外，各閥都必須常開。換熱器系統(tǒng)根據(jù)出口壓力的不同，孔板的孔徑也不同。現(xiàn)場(chǎng)可加壓力表和溫度表，這樣可直觀些。

（5）被密封介質(zhì)＞80℃時(shí)，一般選用強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，即與系統(tǒng)相連通的密封腔的密封旋轉(zhuǎn)部分，加裝泵送環(huán)來(lái)循環(huán)導(dǎo)熱油；被密封介質(zhì)溫度＜80℃，選用熱虹吸循環(huán)，也可以選外源沖洗（PLAN32方案）。正常的機(jī)械密封的進(jìn)油管線的溫度應(yīng)＜80℃，出口溫度＜100℃。

（6）壓力罐及增壓罐都是按照壓力容器設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，出廠前經(jīng)8 MPa水壓試驗(yàn)。在正常使用溫度，壓力范圍內(nèi)，不用擔(dān)心其耐壓能力。

（7）對(duì)60℃以下容易凝固介質(zhì)，開泵前要對(duì)沖洗的換熱器罐及管路進(jìn)行蒸汽加熱，使其為液體并有流動(dòng)性后再開泵，保證管路暢通。如介質(zhì)為石臘，在開泵前先關(guān)閉進(jìn)水閥門，用蒸氣加熱罐及管程外辟，使罐（管）內(nèi)介質(zhì)為液體后再啟動(dòng)泵，沖洗溫度高于60℃時(shí)，再慢慢打開水閥，要穩(wěn)定沖洗液的溫度。

（8）開泵后的巡檢。每天上班時(shí)候?qū)Ρ眉跋到y(tǒng)都要進(jìn)行檢查；聽泵有無(wú)異常聲音；探測(cè)軸承箱的振動(dòng)；看機(jī)封沖洗冷卻管線的入口溫度在120℃以下最好；檢查系統(tǒng)窗口的油位（2/3處），導(dǎo)熱入口溫度應(yīng)在80℃以下，氮?dú)鈮毫σ３衷谝?guī)定值。

三、使用效果

該輻射進(jìn)料泵機(jī)封改造在2014年4月檢修時(shí)完成，改造前平均3個(gè)月機(jī)封泄漏1次，改造后機(jī)封運(yùn)行良好，截止到8月底未出現(xiàn)泄漏，未進(jìn)行過(guò)補(bǔ)油。機(jī)封改造后效果明顯，為裝置長(zhǎng)周期安全生產(chǎn)提供了根本的保證。