乙烯裝置急冷油泵機(jī)械密封改造

馬斌良，張道君，王俊杰，楊柯

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司獨(dú)山子石化分公司，新疆 獨(dú)山子 833699）

乙烯裝置急冷油泵機(jī)械密封改造

馬斌良，張道君，王俊杰，楊柯

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司獨(dú)山子石化分公司，新疆 獨(dú)山子 833699）

某乙烯裝置急冷油泵屬于高危泵，其單端面機(jī)械密封泄漏將造成裝置停工和環(huán)境污染、人身傷害等安全環(huán)保問題，因此單端面機(jī)械密封需要改造成雙端面機(jī)械密封。本文結(jié)合機(jī)泵介質(zhì)特性對(duì)這三種方案和輔助沖洗密封系統(tǒng)進(jìn)行了論證，最終選擇串聯(lián)式高溫金屬波紋管密封，現(xiàn)場(chǎng)使用效果證明密封改造方案可行，達(dá)到了改造的目的。

高危泵；密封改造；串聯(lián)式機(jī)械密封

1 流程簡(jiǎn)介

某石化公司乙烯裝置急冷油泵是單級(jí)雙支雙吸式離心泵，出口壓力為11.03bar，設(shè)計(jì)流量為880m3/h。油洗塔通過急冷油泵將一部分急冷油返塔循環(huán)，一部分送去燃料油汽提塔外，其余大部分送去熱量回收系統(tǒng)。急冷油在稀釋蒸汽發(fā)生器里被用于發(fā)生稀釋蒸汽，供裂解爐反應(yīng)使用，被冷卻的急冷油一部分返回油洗塔內(nèi)折流板的上方，為裂解爐來的氣體提供冷卻介質(zhì)，一部分急冷油被注入到裂解爐急冷器中，去急冷來自廢熱鍋爐的裂解氣出料（圖1）。

圖1 急冷油泵工藝流程圖

從工藝作用可以看出急冷油泵能否長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行，關(guān)系到整個(gè)乙烯裝置的能否平穩(wěn)運(yùn)行。

2 存在的問題

制約機(jī)泵長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵因素是機(jī)械密封的長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行，機(jī)械密封長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行又和機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)選型是否合理緊密聯(lián)系在一起。急冷油泵屬于高危泵，為雙支撐結(jié)構(gòu)，前后兩個(gè)密封均為普通的單端面機(jī)械密封，其主要的泄漏點(diǎn)就是動(dòng)靜環(huán)端面。從圖2結(jié)構(gòu)可以看出，單端面機(jī)械密封只有一個(gè)端面密封，一旦密封泄漏，急冷油泵輸送的易燃、易爆、有毒、有害的介質(zhì)就會(huì)泄漏擴(kuò)散到環(huán)境中，一方面設(shè)備故障，造成裝置停工，另一方面也是最重要的是造成環(huán)境污染或人身傷害，存在安全隱患，因此必須對(duì)急冷油泵的機(jī)械密封進(jìn)行改造。

圖2 單端面密封結(jié)構(gòu)示意圖

3 密封改造方案的論證

根據(jù)API682標(biāo)準(zhǔn)，急冷油泵改造前采用的單端面機(jī)械密封屬于第一類組合形式的機(jī)械密封，從介質(zhì)零泄漏的安全角度出發(fā)，急冷油泵單端面機(jī)械密封應(yīng)該改造成第三類加壓雙端面機(jī)械密封。當(dāng)?shù)谝患?jí)密封出現(xiàn)泄漏后，第二級(jí)密封可以起到延時(shí)保護(hù)功能，通過輔助報(bào)警功能，及時(shí)提醒作業(yè)人員檢修處理，同時(shí)當(dāng)?shù)谝患?jí)機(jī)械密封出現(xiàn)泄漏時(shí)，輸送介質(zhì)不會(huì)外泄，提高了機(jī)械密封的安全性。根據(jù)密封面的布置方式可供選擇的方案有帶隔離氣串聯(lián)雙端面非接觸氣膜干氣密封（3NC-FB）、帶隔離氣串聯(lián)雙端面氣液膜密封和帶隔離液雙端面串聯(lián)接觸液膜濕密封（3CW-FB）。

根據(jù)機(jī)泵的實(shí)際情況，對(duì)上述三種方案進(jìn)行論證。

（1）帶隔離氣串聯(lián)雙端面非接觸氣膜干氣密封。

這種布置形式的密封第一級(jí)和第二級(jí)均采用干氣密封（圖3），沖洗方案采用PLAN 74.這種形式的機(jī)械密封使用條件比較高，適用于密封比較干凈的介質(zhì)，對(duì)于粘性的含有硬質(zhì)顆粒的介質(zhì)不適用。急冷油泵輸送稠環(huán)芳烴粘度高介質(zhì)、溫度高達(dá)190～220℃，由于參與冷卻裂解爐中的裂解氣，急冷油中夾雜有堅(jiān)硬的含碳焦粒，這種介質(zhì)會(huì)破壞干氣密封氣膜的建立，堅(jiān)硬的含碳焦粒也會(huì)很快損壞密封面，所以一級(jí)密封會(huì)很快的出現(xiàn)泄漏；當(dāng)一級(jí)干氣密封泄漏后，介質(zhì)會(huì)竄入密封腔中，會(huì)很快造成二級(jí)密封失效，介質(zhì)泄漏，造成安全事故。即使二級(jí)干氣密封未立即發(fā)生泄漏，密封氣會(huì)通過一級(jí)密封大量進(jìn)入急冷油泵腔造成氣縛，機(jī)泵不上量、振動(dòng)加劇，造成機(jī)泵無法正常工作甚至損壞。當(dāng)二級(jí)密封首先損壞時(shí)，一、二級(jí)密封腔室內(nèi)的密封氣泄入大氣，密封腔壓力會(huì)下降至低于泵腔密封工藝介質(zhì)壓力，從而導(dǎo)致一級(jí)干氣密封承受反壓，造成一級(jí)密封立即失效，介質(zhì)外泄。

另外干氣密封是首先建立密封壓力才能開泵，會(huì)有微量氣體進(jìn)入泵腔，對(duì)機(jī)泵的啟動(dòng)提出了更高的要求，增大了泵的操作難度。

圖3 雙端面干氣密封示意圖

（2）帶隔離氣串聯(lián)雙端面氣液膜密封。

這種布置形式的機(jī)械密封第一級(jí)是接觸式機(jī)械密封，第二級(jí)是干氣密封（圖4），沖洗方案采用Plan32+75。當(dāng)一級(jí)機(jī)械密封泄漏后，介質(zhì)由泵腔串入密封腔，急冷油中的一部分輕組份揮發(fā)溢出排往火炬，重組分沉積在收集罐里面。這種密封方案較第一種密封方案有一定的改進(jìn)，但也存在缺陷。首先，當(dāng)一級(jí)機(jī)械密封出現(xiàn)泄漏，急冷油會(huì)進(jìn)入密封腔，破壞二級(jí)干氣密封，造成二級(jí)密封很快失效，急冷油外漏，同時(shí)急冷油中輕組份揮發(fā)后，重組分的粘度增大，流動(dòng)性變差，重組分的收集和后續(xù)處理難度加大。

（3）帶隔離液雙端面串聯(lián)接觸液膜濕密封。

這種配置方式的機(jī)械密封一二級(jí)均采用金屬波紋管密封，沖洗方案采用Plan32+53A，典型結(jié)構(gòu)如圖5所示。金屬波紋管密封是接觸式密封，Plan32為外部強(qiáng)制沖洗，Plan53A是從外部引入到一、二級(jí)密封之間的隔離液，通過泵送環(huán)使隔離液強(qiáng)制循環(huán)，以帶走密封在工作中產(chǎn)生的熱量，隔離液壓力高于內(nèi)側(cè)密封工藝介質(zhì)壓力0.2～0.3MPa，隔離液采用管網(wǎng)氮?dú)饧訅骸?/p>

圖4 雙端面氣液膜密封示意圖

圖5 雙端面串聯(lián)金屬波紋管機(jī)械密封

針對(duì)急冷油泵工況，輸送介質(zhì)粘度高、溫度高、還含有少量顆粒，采用串聯(lián)式高溫金屬波紋管密封有以下優(yōu)點(diǎn)。

第一，當(dāng)一級(jí)密封破裂失效時(shí)，高溫、高粘度介質(zhì)進(jìn)入一、二級(jí)密封間的腔室，由于二級(jí)密封是按照一級(jí)密封標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，所以二級(jí)密封能完全承擔(dān)主密封的作用，介質(zhì)不會(huì)泄漏入大氣中，通過輔助密封系統(tǒng)的變化提前預(yù)警，能為密封的檢修提供足夠的時(shí)間，是安全的。

第二，當(dāng)二級(jí)密封損壞時(shí)，腔體內(nèi)的隔離液壓力將會(huì)降低，會(huì)導(dǎo)致一級(jí)密封承受正壓，而基于Plan53A方案的一級(jí)波紋密封是能承受正反壓的，仍能繼續(xù)工作，介質(zhì)不會(huì)泄漏入大氣中，能為密封的檢修提供足夠的時(shí)間。

第三，當(dāng)PLAN 32沖洗斷流時(shí)，波紋管也可以正常使用一段時(shí)間。因?yàn)橐患?jí)密封摩擦副間的液膜是干凈的隔離液。由于介質(zhì)溫度高、粘度大會(huì)造成波紋管阻塞、失彈，幾小時(shí)后密封才會(huì)失效，為密封的檢修提供足夠的時(shí)間。

通過對(duì)上述3種方案的分析和論證，急冷油泵機(jī)械密封改造采用第3種方案，密封沖洗采用Plan32+53A。該方案采用一流的波紋管制造技術(shù)，解決了高粘度介質(zhì)引起的彈簧失彈的問題，沖洗方案Plan53A解決了高粘度介質(zhì)摩擦面潤(rùn)滑液膜難形成的問題，有良好的抗溫差應(yīng)力的能力，有較好的抗顆粒介質(zhì)的能力。

4 驗(yàn)證

根據(jù)上一節(jié)機(jī)械密封改造方案的論證，急冷油泵機(jī)封改造采取串聯(lián)式高溫金屬波紋管密封（圖6），沖洗方案采用Plan32+52A。投用前將冷卻水線、氮?dú)饩€和儲(chǔ)液罐沖洗置換干凈，開機(jī)后連續(xù)72小時(shí)對(duì)機(jī)泵密封系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，機(jī)泵驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封的密封油出入口線溫度穩(wěn)定，儲(chǔ)罐隔離液液位穩(wěn)定在78%～80%，儲(chǔ)罐壓力穩(wěn)定在0.58MPa，機(jī)泵運(yùn)行至今，機(jī)泵兩側(cè)機(jī)械密封未出現(xiàn)物料泄漏，密封油系統(tǒng)也未出現(xiàn)跑冒滴漏的現(xiàn)象，機(jī)封改造成功（圖7）。

圖6 串聯(lián)式高溫金屬波紋管密封

圖7 密封改造后的急冷油泵

[1]柴春林.離心泵機(jī)械密封泄漏現(xiàn)象分析[J].潤(rùn)滑與密封,2009,34(1):104-105.

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1671-0711（2017）05（上）-0071-03