乙烯裂解裝置脫丁烷塔回流/產(chǎn)品泵機(jī)械密封改造

陳正強(qiáng)(中海殼牌石油化工有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

某廠120萬(wàn)噸/年乙烯裂解裝置采用前脫丙烷前加氫工藝流程，其分離單元熱區(qū)脫丁烷塔回流/產(chǎn)品泵為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的單級(jí)懸臂臥式離心泵，其主要作用是將脫丁烷塔頂回流罐的混合碳四進(jìn)行回流，保證塔操作壓力，將多余的混合碳四采出外送至下游裝置作為原料。該泵從2018.7.16到2019.8.19期間，機(jī)械密封累計(jì)失效次數(shù)多達(dá)11次，運(yùn)行周期較短，經(jīng)常發(fā)生密封內(nèi)漏使密封罐液位超高報(bào)警及密封油外漏大氣現(xiàn)象，需頻繁維修機(jī)械密封，這對(duì)裝置的可靠性，安全性以及經(jīng)濟(jì)性都有很大影響，因此根據(jù)該密封進(jìn)行了根本性的改造。

1 設(shè)備信息

脫丁烷塔回流/產(chǎn)品泵為單級(jí)懸臂離心泵，型號(hào)EAP 100K3-315-P，設(shè)計(jì)額定吸入壓力0.417MPa，排出壓力1.007MPa，揚(yáng)程108m，正常流量174.5m3/h，溫度43℃，功率7.5kW，介質(zhì)為混合C4烴，具體工藝介質(zhì)組成如表1所示。

表1工藝介質(zhì)組成表

脫丁烷塔回流/產(chǎn)品泵機(jī)械密封為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的串聯(lián)式雙端面機(jī)械密封如圖1所示，該密封是靠?jī)蓪?duì)垂直于軸作相對(duì)滑動(dòng)的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力作用下保持貼合并配以輔助密封而達(dá)到阻漏的軸封裝置。主要結(jié)構(gòu)由靜環(huán)、動(dòng)環(huán)、彈性元件、彈簧座、緊定螺釘、旋轉(zhuǎn)環(huán)輔助密封圈和靜止環(huán)輔助密封圈等元件組成，防轉(zhuǎn)銷固定在壓蓋上以防止靜止環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。該密封兩級(jí)密封動(dòng)環(huán)材質(zhì)設(shè)計(jì)為石墨，靜環(huán)兩級(jí)設(shè)計(jì)材質(zhì)為燒結(jié)碳化硅，各靜密封點(diǎn)O 型圈材質(zhì)都為氟橡膠。

該密封API 沖洗方案為Plan11+52，一級(jí)密封為主密封，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，一級(jí)密封起主要密封作用，通過(guò)自身介質(zhì)沖洗循環(huán)帶走動(dòng)靜環(huán)端面上的熱量。二級(jí)密封為保護(hù)密封，采用15#白油進(jìn)行循環(huán)沖洗，在主密封發(fā)生內(nèi)漏時(shí)，介質(zhì)會(huì)漏至密封罐進(jìn)而汽化進(jìn)入火炬系統(tǒng)，避免介質(zhì)直接漏至大氣中造成工藝泄漏事件。

圖1 機(jī)封剖面圖

2 失效原因分析

脫丁烷塔回流/產(chǎn)品泵自2018年7月份以來(lái)，平均更換新密封后運(yùn)轉(zhuǎn)5到15天左右，一級(jí)密封向密封罐漏介質(zhì)，二級(jí)輔助密封開(kāi)始外漏白油，且泄漏量日益增大，最長(zhǎng)運(yùn)行三個(gè)月，最短10天左右，密封就會(huì)失效，密封泄漏量從之前的1滴/分鐘增大到1滴/秒，甚至發(fā)生連續(xù)流動(dòng)現(xiàn)象，運(yùn)行后期需要頻繁加注白油保證密封循環(huán)，這對(duì)裝置可靠性有很大威脅，也極大的增加了操作人員和維修人員的工作量。

根據(jù)該機(jī)械密封多次現(xiàn)場(chǎng)失效現(xiàn)象及解體情況的做了根本原因分析如圖2所示。

圖2 根本原因分析

對(duì)比多次失效結(jié)果和拆解報(bào)告發(fā)現(xiàn)動(dòng)環(huán)密封端面附著了部分微小膠狀黃色固體物質(zhì)，通過(guò)化驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)該黃色物質(zhì)為雙烯烴的聚合物，同時(shí)根據(jù)密封運(yùn)行與失效時(shí)間來(lái)看，都是運(yùn)轉(zhuǎn)5天到15天左右機(jī)封發(fā)生內(nèi)漏或者外漏現(xiàn)象，且密封泄漏情況逐日嚴(yán)重。另外工藝為保證產(chǎn)品質(zhì)量，脫丁烷塔操作壓力長(zhǎng)期維持在0.34MPa，偏離密封設(shè)計(jì)泵入口壓力0.417MPa，可能導(dǎo)致一級(jí)密封沖洗液氣化，且多次解體發(fā)現(xiàn)密封表面都有熱裂現(xiàn)象，靜環(huán)座O 型圈碳化，表明一級(jí)密封沖洗量明顯不足，不能帶走密封端面熱量。

根據(jù)以上分析最終得出二級(jí)密封頻繁失效的原因是由于工藝介質(zhì)從一級(jí)泄漏進(jìn)入二級(jí)密封產(chǎn)生的烯烴聚合物粘著在密封的動(dòng)靜環(huán)端面上，使動(dòng)靜環(huán)密封面端面不平整，導(dǎo)致二級(jí)密封失效，而一級(jí)密封泄漏原因是由于一級(jí)密封汽化且一級(jí)密封沖洗量不足，導(dǎo)致密封端面熱量不能有效帶走使動(dòng)靜環(huán)過(guò)度磨損磨損進(jìn)而發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

3 改造方案

根據(jù)多次密封失效后，根據(jù)失效分析對(duì)該密封進(jìn)行了第一次改造，具體改造方案如下：(1)一級(jí)密封增加布液環(huán)，使一級(jí)密封沖洗液均勻沖洗密封端面，減少一級(jí)密封沖洗液汽化磨損密封。(2)二級(jí)密封的動(dòng)環(huán)材料由石墨改成碳化硅，使密封動(dòng)密封點(diǎn)由設(shè)計(jì)的接觸性軟對(duì)硬(石墨對(duì)碳化硅)改為硬對(duì)硬接觸(碳化硅對(duì)碳化硅)，這種改造可以使自聚產(chǎn)生的聚合物不會(huì)附著在密封端面上，從而保證密封端面不會(huì)因?yàn)榫酆衔锒斐擅芊舛嗣娌黄降默F(xiàn)象產(chǎn)生。(3)改造二級(jí)密封泵效環(huán)及流道，增強(qiáng)封密液循環(huán)能力。2019年1月28日和 29日分別給脫丁烷塔回流/產(chǎn)品泵更換了改造后的密封，改造后的密封運(yùn)行效果顯著，更換后的5個(gè)月內(nèi)，該泵密封再未發(fā)生密封泄漏現(xiàn)象。從7月份開(kāi)始發(fā)現(xiàn)該泵密封開(kāi)始發(fā)生內(nèi)漏，密封罐液位上漲較快，需要工藝頻繁排放，降低密封罐液位，但本次二級(jí)密封正常，無(wú)外漏現(xiàn)象。對(duì)失效密封解體發(fā)現(xiàn)一級(jí)密封動(dòng)環(huán)端面有受熱泡疤現(xiàn)象，二級(jí)密封面一切正常。

從密封拆解結(jié)果可知該密封本次泄漏還是由于一級(jí)密封汽化導(dǎo)致密封沖洗沖洗不足，因此對(duì)該密封進(jìn)行了第二次改造，本次改造主要針對(duì)一級(jí)密封沖洗進(jìn)行優(yōu)化，具體改造方案如下：(1)將一級(jí)密封Plan11方案沖洗孔增大到原沖洗孔的2倍，使密封沖洗量增大(超過(guò)16L/min)，即使部分汽化也能達(dá)到設(shè)計(jì)沖洗液的要求。(2)在密封腔內(nèi)增加節(jié)流環(huán)裝置，提高密封腔內(nèi)壓力，原來(lái)機(jī)封沖洗無(wú)節(jié)流裝置，主要依靠泵節(jié)流襯套進(jìn)行節(jié)流降壓，但泵節(jié)流套設(shè)計(jì)間隙較大，不能滿足密封節(jié)流要求進(jìn)而導(dǎo)致密封壓降較大，加速介質(zhì)汽化使密封磨損。

第二次改造后于8月19日對(duì)脫丁烷塔回流泵更換了最新密封，該泵運(yùn)行至今超過(guò)6個(gè)月時(shí)間內(nèi)沒(méi)有發(fā)生密封泄漏事件。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分析及改造，對(duì)脫丁烷塔回流/產(chǎn)品泵機(jī)械密封頻繁失效泄漏的原因總結(jié)主要有以下兩個(gè)方面：第一，由于工藝操作壓力與密封設(shè)計(jì)泵入口壓力偏離導(dǎo)致一級(jí)機(jī)封沖洗嚴(yán)重汽化及密封沖洗量設(shè)計(jì)不足引起一級(jí)密封磨損問(wèn)題，通過(guò)兩次改造對(duì)一級(jí)密封沖洗采用了增加補(bǔ)液環(huán)，增大沖洗量和增加節(jié)流裝置等方式來(lái)保證密封沖洗量充足，通過(guò)以上措施基本保證了一級(jí)密封沖洗量，從根本上解決了一級(jí)密封失效內(nèi)漏問(wèn)題。第二，由于一級(jí)密封內(nèi)漏至密封罐使二級(jí)密封接觸介質(zhì)中的二烯烴等易聚合的工藝物質(zhì)，而該密封設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)考慮此種工況進(jìn)行動(dòng)環(huán)材質(zhì)選用了普通石墨，工藝介質(zhì)中的二烯烴聚合物自聚產(chǎn)生的微小淡黃色固體物質(zhì)在密封液循環(huán)過(guò)程中被吸附在動(dòng)靜環(huán)密封端面上導(dǎo)致密封面不平整進(jìn)而使密封外漏現(xiàn)象。在對(duì)二級(jí)密封動(dòng)環(huán)材質(zhì)更改為碳化硅，并增加了二級(jí)密封循環(huán)液的泵送能力后，避免了二烯烴聚合物在密封端面上的附著，從根本上解決了該密封二級(jí)密封失效外漏的問(wèn)題。