干氣密封在溶劑脫瀝青裝置溶劑泵中的應(yīng)用

方 斌

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司煉油部，上海200540)

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)溶劑脫瀝青裝置(以下簡(jiǎn)稱溶脫裝置)以減壓渣油為原料,液態(tài)混合C4為溶劑,從減壓渣油中提取脫瀝青油,同時(shí)脫除瀝青質(zhì)和膠質(zhì),然后通過(guò)超臨界溶劑回收和汽提回收工藝,將溶劑回收并循環(huán)使用。脫瀝青油可以作為催化裂化裝置與渣油加氫裝置的原料,瀝青質(zhì)與催化油漿或減渣分別調(diào)和成燃料油或道路瀝青。溶劑脫瀝青裝置由抽提、溶劑回收、調(diào)合等幾部分組成。溶劑脫瀝青裝置內(nèi)主要的泵都為離心泵，離心泵的完好是裝置運(yùn)行安全平穩(wěn)的基礎(chǔ)。離心泵最常用的軸端密封形式為機(jī)械密封。溶脫裝置籌建于1995年，在設(shè)計(jì)之初，溶劑泵及脫瀝青油溶劑循環(huán)泵等都為11+52方案，對(duì)于該類接觸式機(jī)械密封，在實(shí)際使用中，處在高壓、高溫工況，介質(zhì)易汽化和揮發(fā)，機(jī)械密封的使用期很短，頻繁產(chǎn)生故障，對(duì)裝置的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行造成了較大影響。

社會(huì)對(duì)企業(yè)的環(huán)保、安全要求越來(lái)越嚴(yán)格，石油化工裝置無(wú)泄漏要求提高，普通的接觸式機(jī)械密封已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，隨著密封技術(shù)的不斷革新，決定采用泵用干氣密封技術(shù)加以解決。

1 溶劑泵機(jī)械密封損壞原因分析

溶劑泵是溶脫裝置的主要設(shè)備，將系統(tǒng)內(nèi)的原有C4溶劑、灌區(qū)發(fā)來(lái)的新鮮溶劑通過(guò)多級(jí)離心泵壓縮，介質(zhì)壓力從0.45 MPa提高到6.0 MPa，為整個(gè)裝置壓力最高的設(shè)備，也是裝置低壓至高壓的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。該泵為BB4雙支撐結(jié)構(gòu),兩側(cè)都有一套機(jī)械密封。溶劑泵原設(shè)計(jì)使用串聯(lián)式小彈簧機(jī)械密封(11+52系統(tǒng))。

由于液化氣密度較低，在壓縮過(guò)程中出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，尤其是夏天，室外溫度較高，溶劑內(nèi)的介質(zhì)氣相多，導(dǎo)致泵體的溫度過(guò)高，裝置多次出現(xiàn)原料泵抽空情況，泵抽空后震動(dòng)急劇上升，出口壓力下跌，機(jī)械密封的第一道會(huì)在波動(dòng)中瞬間打開(kāi)，介質(zhì)泄漏到第一道密封的端面及52方案的白油罐中，液化石油氣C3、C4體積膨脹，不斷揮發(fā)，最終導(dǎo)致11方案的沖洗液體不能有效地對(duì)斷面進(jìn)行冷卻，加速了機(jī)械密封的損壞。

溶脫裝置的溶劑作為脫瀝青油的載體，不斷在系統(tǒng)中循環(huán)使用。使用一段時(shí)間后，不可避免地會(huì)出現(xiàn)液化石油氣中帶有膠質(zhì)的情況，一部分膠質(zhì)沉降在溶劑原料罐D(zhuǎn)-5105中；還有一部分隨介質(zhì)被溶劑泵抽出，在系統(tǒng)中循環(huán)，這類黏度很大的重組分油，堆積在第一道機(jī)械密封表面，膠質(zhì)對(duì)小彈簧的壓縮量產(chǎn)生了影響，同時(shí)端面上有少量的膠質(zhì)，容易破壞摩擦副，沖洗效果變差，機(jī)械密封端面容易泄漏。

溶劑泵使用串聯(lián)式機(jī)械密封，在使用過(guò)程中，設(shè)備檢修頻率高，近幾年設(shè)備檢修、備件更換情況見(jiàn)表1。

表1 串聯(lián)式機(jī)械密封近幾年檢修情況

溶劑泵在更換機(jī)械密封時(shí)，需要將溶劑全部倒空，大量的液化石油氣進(jìn)入火炬系統(tǒng)，按照1∶300的膨脹率，泵體倒空時(shí)間長(zhǎng)，檢修施工時(shí)間慢，造成經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。

隨著石油、石化等工業(yè)向無(wú)污染、長(zhǎng)周期、低能耗、高效益方向發(fā)展，要求離心泵的機(jī)械密封長(zhǎng)壽命、密封介質(zhì)的零泄漏、無(wú)污染，并且運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。溶脫裝置由于其工藝的特殊性(具有易燃、易爆、污染嚴(yán)重等特點(diǎn))，普通的接觸式機(jī)械密封難以達(dá)到上述要求，因此必須使用非接觸、無(wú)磨損、低能耗的新型泵用干氣密封才能滿足石油、石化等企業(yè)生產(chǎn)的需要。

2 泵用干氣密封的原理及特點(diǎn)

干氣密封屬于非接觸式密封，基本不受PV值的限制，PV值表示機(jī)械密封的工作能力，P為密封流體壓力(MPa)，V為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)，要承載的負(fù)荷越高。干氣密封的出現(xiàn)，是密封技術(shù)的一次革命，使得密封不再受到密封潤(rùn)滑油的限制，而且其所需的氣體控制系統(tǒng)比油膜密封的油系統(tǒng)要簡(jiǎn)單得多。另外，干氣密封的出現(xiàn)也改變了傳統(tǒng)的密封觀念，將干氣密封技術(shù)和阻塞密封原理有機(jī)結(jié)合，“用氣封液或氣封氣”的新觀念替代傳統(tǒng)的“液封氣或液封液”觀念，可保證密封介質(zhì)的零逸出。隨著技術(shù)的不斷變革，原來(lái)使用在高速設(shè)備上的干氣密封，逐步向低速發(fā)展，泵用干氣密封技術(shù)不斷成熟。

泵用干氣密封從外形結(jié)構(gòu)上與機(jī)械密封相同，同樣由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈簧、密封圈以及彈簧座等組成。但是與機(jī)械密封原理差別很大，動(dòng)、靜環(huán)密封面經(jīng)過(guò)研磨、拋光，并在其上面加工有流體動(dòng)壓槽(圖1)。

圖1 干氣密封螺旋槽示意

動(dòng)、靜環(huán)作相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，密封氣體被吸入動(dòng)壓槽內(nèi)，由于密封堰的節(jié)流作用，進(jìn)入密封面的氣體被壓縮，壓力升高。在該氣體膜壓作用下，密封面被推開(kāi)，與氣體靜壓力、彈簧力形成的閉合力達(dá)到平衡(圖2)。此時(shí)，流動(dòng)的氣體在兩個(gè)密封面間形成一層很薄的氣膜(通過(guò)大量的理論研究與實(shí)踐證明，此氣膜厚度一般在3 μm左右)，氣膜厚度十分穩(wěn)定，并具有良好的氣膜剛度，保證密封運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠。

圖2 干氣密封螺旋槽受力分析

與原來(lái)串聯(lián)式機(jī)械密封相比，泵用干氣密封有以下主要優(yōu)點(diǎn)。

(1)省去了密封油系統(tǒng)及用于驅(qū)動(dòng)密封油系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的附加功率負(fù)荷。由于干氣密封的兩密封端面被一薄層穩(wěn)定的氣膜隔離，而且密封腔內(nèi)為低黏度的氣體介質(zhì)，因此干氣密封的端面摩擦功耗和動(dòng)環(huán)組件的攪拌摩擦損失要比液體潤(rùn)滑的密封裝置的摩擦功耗小很多，一般兩者消耗的功率之比為1∶(10～20)。

(2)大大減少了計(jì)劃外維修費(fèi)用和停車次數(shù)。

(3)避免了工藝氣體被油污染的可能性。

(4)密封氣體泄漏量小。封液系統(tǒng)既復(fù)雜又昂貴，且故障率很高。泵送介質(zhì)的外泄漏和封液冷卻密封都依賴完善的封液系統(tǒng)。干氣密封避免了這些復(fù)雜因素，它利用干燥潔凈的氮?dú)庠醋鳛槊芊鈿?，很容易?shí)現(xiàn)泵送介質(zhì)的零泄漏或零逸出，對(duì)泵送介質(zhì)沒(méi)有污染，而且系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，可靠性非常高。

(5)維護(hù)費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性好。

(6)密封驅(qū)動(dòng)功率消耗小。

(7)密封壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠。對(duì)干氣密封，由于兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的端面是非接觸的，在正常使用條件下，一般可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)3年以上。

3 改造方案

上海石化溶脫裝置原設(shè)計(jì)規(guī)模為300 kt/a，2002年改擴(kuò)建為500 kt/a。裝置核心設(shè)備溶劑泵P-5104泵的原密封為串聯(lián)式式機(jī)械密封，11+52結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)如下：介質(zhì)為C3、C4溶液，壓力為5.5～6.0 MPa，溫度40 ℃，轉(zhuǎn)速2 950 r/min。該泵由于介質(zhì)壓力高，沖洗介質(zhì)易揮發(fā)，故障率很高，而且C4的外漏對(duì)環(huán)境和人員的危害很嚴(yán)重，容易引起爆炸等事故。改為串聯(lián)式泵用干氣密封后，原來(lái)沖洗方式不變，將PLAN52方案改為PLAN72+76，該結(jié)構(gòu)為串聯(lián)式泵用干氣密封。

干氣密封與接觸式機(jī)械密封串聯(lián)布置，內(nèi)側(cè)機(jī)械密封為主密封，外側(cè)干氣密封為備用密封，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。在機(jī)械密封與干氣密封間充入一定壓力的潔凈緩沖氣(一般為氮?dú)?，該壓力低于被密封的液體介質(zhì)壓力。干氣密封非接觸運(yùn)行，提高主密封的背壓，增大主密封面液相摩擦面積，減少因介質(zhì)氣化形成的干摩擦面積，避免了烴類介質(zhì)在端面間由于摩擦熱過(guò)早汽化，形成液、氣混相導(dǎo)致磨損加劇的問(wèn)題，從而大大延長(zhǎng)主密封的使用壽命，提高主密封的性能。當(dāng)主密封失效時(shí)，干氣密封可以起到備用密封的作用，隔離介質(zhì)與大氣，主密封泄漏的烴類介質(zhì)隨密封氣氮?dú)馀湃牖鹁?，從而保證工藝介質(zhì)不向大氣泄漏。這種布置方式適用于輕烴、低溫類易揮發(fā)性介質(zhì)，特別是在泵送介質(zhì)壓力較高的場(chǎng)合。

圖3 改造后的干氣密封

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主密封機(jī)械密封結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主密封機(jī)械密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)公式K=(DO2-DB2)/(DO2-Di2)計(jì)算出載荷因子K為0.794。

外側(cè)干氣密封的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 外側(cè)干氣密封的設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)公式計(jì)算出載荷因子K為0.842。

外側(cè)干氣密封的工作參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 外側(cè)干氣密封的工作參數(shù)

根據(jù)密封的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合密封的工作參數(shù)，對(duì)干氣密封端面流體動(dòng)壓槽進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 P-5104泵用干氣密封流程

泵用干氣密封測(cè)控系統(tǒng)主要有兩個(gè)方面的作用：一是提供干燥、潔凈、穩(wěn)定的氣源；二是對(duì)密封運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，一旦氣源壓力出現(xiàn)異?；蛎芊馐r(shí)進(jìn)行報(bào)警。泵用干氣密封測(cè)控系統(tǒng)包括3個(gè)部分：過(guò)濾單元、壓力調(diào)節(jié)單元、密封泄漏量和供氣壓力監(jiān)控單元。串聯(lián)式干氣密封的測(cè)控系統(tǒng)如圖4所示。

外部氮?dú)夤芫W(wǎng)氮?dú)膺M(jìn)入控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)濾器、減壓閥后，為干氣密封提供穩(wěn)定、干燥、清潔的密封氣；當(dāng)主密封泄漏過(guò)大或氮?dú)鈮毫^(guò)低時(shí)，單向閥起到防止工藝介質(zhì)反串入氮?dú)夤芫W(wǎng)的作用；進(jìn)入密封腔的氮?dú)馀c主密封泄漏的微量工藝介質(zhì)通過(guò)節(jié)流孔板排向火炬；當(dāng)主密封機(jī)械密封泄漏過(guò)大時(shí)，由于限流孔板的作用，密封腔壓力上升，泄漏管線上的壓力表指示上升(或壓力開(kāi)關(guān)發(fā)出報(bào)警信號(hào))，表明密封失效。

圖4 P-5104泵干氣密封測(cè)控系統(tǒng)

4 使用效果

溶脫裝置溶劑泵P-5104機(jī)械密封改造成泵用干氣密封，于2015年5月投入生產(chǎn)使用，使用至2016年5月裝置停車大修，設(shè)備運(yùn)行正常，排放處壓力未見(jiàn)上升，徹底解決了原來(lái)平均每月都要更換機(jī)械密封的問(wèn)題。由于干氣密封的使用，裝置的檢維修費(fèi)大幅降低。

(1)密封平均使用壽命及每年備件費(fèi)用

機(jī)械密封使用期限為2個(gè)月(泵內(nèi)部有腐蝕結(jié)焦現(xiàn)象，震動(dòng)運(yùn)行在D區(qū))，干氣密封使用期限則為3年。機(jī)械密封備件費(fèi)用為1.5萬(wàn)元/套，干氣密封為2.12萬(wàn)元/套。因此每年備件費(fèi)用為：機(jī)械密封，1.5×6=9萬(wàn)元；干氣密封：21 200/3=7 067元

(2)每年密封運(yùn)行費(fèi)用

干氣密封氮?dú)庀模?.3×24×365×0.5=1 314元

(3)每年檢修費(fèi)用

機(jī)械密封：10 000×6=60 000元

干氣密封：10 000×1/3=3 330元

(4)單臺(tái)泵每年費(fèi)用合計(jì)

機(jī)械密封：90 000+60 000=150 000元

干氣密封：7 067+1 314+3 330=11 711元

綜上所述，泵用干氣密封經(jīng)濟(jì)效益突出，單臺(tái)泵單側(cè)密封每年節(jié)約費(fèi)用約13萬(wàn)元，泵兩側(cè)密封更換每年節(jié)約費(fèi)用26萬(wàn)元，為工廠節(jié)約了大量備件費(fèi)，同時(shí)基本無(wú)檢修費(fèi)，并保證了設(shè)備的清潔完好，提高裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

5 結(jié)語(yǔ)

由于物料的特殊性，介質(zhì)密度差異大，溶劑部分密度小，渣油部分密度大，兩股物料混合在一起，給溶脫裝置泵的運(yùn)行帶來(lái)了很大的考驗(yàn)，操作過(guò)程中稍微不注意，容易引起泵的震動(dòng)增大，這就要求泵軸端的密封安全可靠。干氣密封技術(shù)在離心泵上的推廣應(yīng)用，是機(jī)械密封技術(shù)的又一重大進(jìn)步，通過(guò)P-5104泵上使用干氣密封，極大地延長(zhǎng)了整機(jī)的維修周期和使用壽命，減小了維護(hù)工作量，降低了檢維修費(fèi)用，減少了機(jī)械密封的消耗，保障并實(shí)現(xiàn)溶劑脫瀝青裝置的長(zhǎng)周期、安全運(yùn)行。

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