液化氣泵機(jī)械密封泄漏分析及改造

龔 文，司春旭，王進(jìn)旭

（中國(guó)石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750021）

0 引言

寧夏石化公司氣分裝置脫乙烷塔回流泵為單級(jí)臥式懸臂式離心泵，機(jī)泵功率30 kW，轉(zhuǎn)速2950 r/min，揚(yáng)程95 m。機(jī)械密封為四川日機(jī)生產(chǎn)的干氣機(jī)械密封，介質(zhì)為混合C3，運(yùn)行溫度60 ℃：流量70.2 m3/h，入口操作壓力2.8 MPa，出口操作壓力3.2 MPa。機(jī)械密封采用PLAN72+PLAN76 沖洗方案，機(jī)械密封為集裝式彈簧機(jī)械密封。一級(jí)密封沖洗液為自泵出口引至一級(jí)密封的混合C3，實(shí)現(xiàn)對(duì)一級(jí)密封端面的沖洗、冷卻和潤(rùn)滑作用；二級(jí)密封為干氣密封，干氣為自裝置外引入的低壓氮?dú)猓瑢⒁患?jí)密封泄漏的液化氣引至低壓瓦斯系統(tǒng)。

1 機(jī)械密封故障現(xiàn)象

對(duì)歷次泄漏后的機(jī)械密封拆開(kāi)檢查，總結(jié)故障現(xiàn)象：①機(jī)械密封軸套有過(guò)熱發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，一級(jí)動(dòng)環(huán)密封端面也出現(xiàn)過(guò)熱發(fā)藍(lán)現(xiàn)象；②一級(jí)密封靜環(huán)O 形圈在機(jī)械密封使用5 個(gè)月后開(kāi)始出現(xiàn)老化、龜裂現(xiàn)象；③機(jī)械密封泄漏前易出現(xiàn)明顯的端面嗚叫現(xiàn)象，拆檢發(fā)現(xiàn)一級(jí)密封動(dòng)環(huán)接觸面凸臺(tái)磨損到0.5 mm 以?xún)?nèi)，原設(shè)計(jì)凸臺(tái)高度為3.5 mm；④檢查機(jī)械密封泄漏前機(jī)泵入口回流罐液位存在偏低現(xiàn)象，通過(guò)化驗(yàn)發(fā)現(xiàn)進(jìn)入氣分裝置液化氣中C2含量過(guò)高，最大值12.11%，遠(yuǎn)大于工藝設(shè)計(jì)參數(shù)（＜2%）。

2 機(jī)械密封失效分析

分析認(rèn)為4 點(diǎn)原因?qū)е乱夯瘹獗脵C(jī)械密封泄漏。①當(dāng)介質(zhì)中C2 含量過(guò)高時(shí)，泵容易發(fā)生氣蝕，造成密封腔內(nèi)壓力降低或者劇烈波動(dòng)，影響密封端面液膜的穩(wěn)定；②機(jī)械密封沖洗介質(zhì)在一級(jí)密封腔處流動(dòng)緩慢，密封腔處的介質(zhì)熱量積聚導(dǎo)致機(jī)封密封面在運(yùn)行時(shí)端面有較大溫升，端面附近輕組分的烴類(lèi)介質(zhì)發(fā)生氣化，導(dǎo)致端面無(wú)液體進(jìn)行有效潤(rùn)滑，發(fā)生干摩擦使一級(jí)密封面動(dòng)環(huán)處磨損嚴(yán)重，介質(zhì)側(cè)O 形圈高溫老化甚至發(fā)生碳化現(xiàn)象（圖1）；③當(dāng)回流罐液位偏低或在裝置開(kāi)停工時(shí)，介質(zhì)中含有的固體雜質(zhì)被帶入端面，造成機(jī)械密封磨損和破壞原來(lái)極薄的液膜的連續(xù)性[1]；④機(jī)械密封動(dòng)環(huán)凸臺(tái)磨損后（圖1），由于靜環(huán)內(nèi)圓周結(jié)垢，導(dǎo)致靜環(huán)內(nèi)徑與軸套之間的間隙過(guò)小，彈簧座的滑移外徑處有積碳，動(dòng)環(huán)石墨環(huán)磨損物影響密封彈性組件的彈性補(bǔ)償能力，使彈性組件追隨性變差，造成密封面開(kāi)啟后無(wú)法閉合，加劇泄漏變?yōu)閲娐2]。

圖1 O 形圈老化，動(dòng)環(huán)凸臺(tái)磨損

3 處理措施

3.1 選擇更合理的密封材料

液化氣泵改造前機(jī)械密封O 形圈材質(zhì)為氟橡膠，動(dòng)環(huán)端面材質(zhì)為浸樹(shù)脂石墨，靜環(huán)材質(zhì)為碳化硅。為了提高密封材料的耐高溫性能，動(dòng)環(huán)材質(zhì)更換為浸金屬石墨。浸樹(shù)脂石墨雖然可獲得較高的密度，但其使用溫度低，高溫摩擦磨損性能較差，適合做腐蝕環(huán)境中的密封件。浸金屬石墨繼承了石墨材料耐高溫，耐磨損等特性，同時(shí)提高機(jī)械強(qiáng)度[3]；將O 形圈材質(zhì)更換為全氟醚橡膠。全氟醚橡膠具有更好的耐化學(xué)性、耐熱性，表面沒(méi)有滲透、開(kāi)裂和針孔等缺陷，長(zhǎng)期工作溫度為（-39～288）℃，短期可達(dá)315 ℃，在低于脆化溫度下仍具有一定塑性，硬而不脆，可彎曲。

3.2 優(yōu)化機(jī)械密封結(jié)構(gòu)配置

為了解決端面發(fā)熱問(wèn)題，考慮通過(guò)降低機(jī)械密封端面比壓的方式減少端面承受的載荷。由于端面比壓由介質(zhì)作用力及彈簧比壓共同作用，而介質(zhì)作用力相對(duì)穩(wěn)定，因此通過(guò)將彈簧比壓由原來(lái)的0.31 MPa/cm2降低 至0.21 MPa/cm2，使機(jī)械密封端面比壓整體降低近30%，圖2。通過(guò)以上調(diào)整，較好的控制了端面熱量的產(chǎn)生，延長(zhǎng)了O 形圈和動(dòng)環(huán)密封的使用壽命。

圖2 一級(jí)密封動(dòng)環(huán)彈簧改至8 個(gè)

3.3 優(yōu)化操作條件

平穩(wěn)操作，嚴(yán)格控制脫乙烷塔回流罐液位≥40%，并加大脫水頻次，要求每4 h 脫水1 次；嚴(yán)格控制罐區(qū)來(lái)液化氣中C2 組分及其穩(wěn)定性，并要求C2 組分≤10%，當(dāng)回流罐壓力＞0.3 MPa時(shí)，及時(shí)泄C2 至低壓瓦斯系統(tǒng)。

3.4 改進(jìn)機(jī)械密封沖洗方案

從泵排出口到密封腔管線上增加節(jié)流孔板，再?gòu)囊患?jí)密封腔和泵入口處增加一條泄壓線，減小一級(jí)密封腔處的壓力，從而降低該處溫度。

4 結(jié)束語(yǔ)

分析液化氣機(jī)泵機(jī)械密封故障原因，提出從機(jī)械密封材質(zhì)及結(jié)構(gòu)和操作方面的改進(jìn)措施。改進(jìn)后，脫乙烷塔回流泵由改造前最長(zhǎng)周期不到5 個(gè)月延長(zhǎng)至可連續(xù)運(yùn)行1 a 以上，降低了裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)以及檢修頻率，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。