熱再生塔回流泵機(jī)械密封的失效分析及優(yōu)化改造

張仁慶，李元生，張文才

（中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017399）

某1.37×106t/a 煤制烯烴化工企業(yè)的低溫甲醇洗裝置使用的熱再生塔回流泵，自2016 年9 月裝置投產(chǎn)至2018 年8 月兩年時(shí)間里，該泵在運(yùn)行過程中機(jī)械密封頻繁發(fā)生泄漏，嚴(yán)重影響了設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行。經(jīng)分析討論后將該泵機(jī)封形式優(yōu)化改造為干氣密封，改造后的密封運(yùn)行穩(wěn)定性顯著提高，保證了該設(shè)備的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 運(yùn)行工況及介質(zhì)組分

低溫甲醇洗裝置中熱再生塔的主要工藝作用是通過塔底再沸器的加熱，將塔內(nèi)含硫富甲醇中的酸性氣體蒸餾提取，提取的氣態(tài)介質(zhì)組分主要為氣相CH3OH（75.13%）、CO2（13.23%）、H2S（10.33%）和少量COS（0.41%）。為向硫磺裝置輸送合格的克勞斯氣且回收甲醇組分，需對(duì)介質(zhì)進(jìn)行多次換熱冷卻和氣液分離，首次冷卻下來的液相富含硫化氫甲醇作為回流，由回流泵送回至熱再生塔（如圖1 所示）。

熱再生塔回流泵輸送的介質(zhì)為富硫甲醇，介質(zhì)溫度為40℃，入口壓力為0.25 MPa，出口壓力為0.75 MPa，介質(zhì)組分的工藝設(shè)計(jì)理論值如表1 所示，其中甲醇中H2S 含量的理論正常值為1.84%（摩爾分?jǐn)?shù)）。

2 改造前的機(jī)械密封

2.1 結(jié)構(gòu)原理

該泵為單級(jí)、臥式懸臂式離心泵（執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)API 610），密封形式為集裝串聯(lián)式多彈簧機(jī)械密封（執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB 6556），采用的沖洗方案為Plan 11+52。

圖1 熱再生塔回流泵的工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.1 The process flow diagram of pump returning to heat regenerator

表1 輸送介質(zhì)的理論值Table 1 The oretical value of composition of the medium transported

如圖2 所示，靠近介質(zhì)側(cè)的一級(jí)密封采用Plan 11 沖洗方案，沖洗液引自泵出口，自圖2 中31 處的沖洗孔進(jìn)入并流向泵體內(nèi)部，該處動(dòng)環(huán)（材質(zhì)為浸樹脂石墨）底部的靜密封點(diǎn)采用的是兩層重疊V 型密封圈疊加一層矩形撐環(huán)，三者材質(zhì)均為聚四氟乙烯（PTFE），這是一種填料密封，具有耐高壓、耐振動(dòng)和耐沖擊的良好性能，有良好的密封效果，適用于往復(fù)、轉(zhuǎn)動(dòng)、或靜密封部位。靜環(huán)（材質(zhì)為SiC）底部的靜密封點(diǎn)采用六邊形密封圈進(jìn)行密封，材質(zhì)同樣為PTFE。

圖2 改造前機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2 Structure drawing of mechanical seals before transformation

二級(jí)密封采用Plan 52 的沖洗方案，配有隔離液儲(chǔ)罐，采用10#工業(yè)白油作為隔離液，由圖2 中30處的沖洗孔進(jìn)入，由泵送環(huán)通過圖2 中29 處的沖洗孔送出，由此形成流動(dòng)循環(huán)。動(dòng)環(huán)（材質(zhì)為SiC）和靜環(huán)（材質(zhì)為浸樹脂石墨）底部的靜密封點(diǎn)均采用O形圈密封，材質(zhì)均為丁晴橡膠（NBR）。丁腈橡膠[1]耐油性能較好，強(qiáng)力及彈性較低，酸性環(huán)境下易老化失效，可壓縮幅度不大。

2.2 失效形式及分析

2.2.1 靜密封點(diǎn)的失效

熱再生系統(tǒng)中甲醇的水含量設(shè)計(jì)要求控制在0.8%以下，但由于偶爾的工藝操作引起不穩(wěn)定波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致水含量超標(biāo)，因此系統(tǒng)不可避免地存在化學(xué)腐蝕[2]。如表1 所示，該泵輸送的介質(zhì)富含一定H2S、COS 和少量的H2O，使接觸介質(zhì)的管道發(fā)生一定的化學(xué)腐蝕，主要生成物為硫化亞鐵FeS 和羰基金屬化合物；在解體一級(jí)密封組件時(shí)發(fā)現(xiàn)，動(dòng)環(huán)底部溝槽內(nèi)充滿黑色固體粉末，撐環(huán)與V 形圈以及兩層V形圈接觸面中間均存在可見的黑色固體結(jié)垢（如圖3所示），直接破壞了V 形圈之間貼合的緊密性。經(jīng)分析確定結(jié)垢物質(zhì)主要為四氧化三鐵Fe3O4。

圖3 一級(jí)密封動(dòng)環(huán)組件的解體實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 The picture of mobile ring of the first stage seal knocked down

H2S 接觸金屬管道易生成難溶于水的FeS，遇空氣后生成Fe3O4和硫，解體二級(jí)密封組件，發(fā)現(xiàn)泵送環(huán)內(nèi)側(cè)布滿了白色結(jié)垢物，同時(shí)動(dòng)環(huán)底部密封圈溝槽里充滿了淡綠色粉末固體，此處O 形圈有明顯擠壓變形，密封圈材質(zhì)為丁腈橡膠（NBR），在酸性環(huán)境下易永久喪失伸縮性，從而導(dǎo)致該靜密封點(diǎn)失 效。

圖4 二級(jí)密封動(dòng)環(huán)組件解體實(shí)物照片F(xiàn)ig.4 The picture of the second stage seal ring knocked down

2.2.2 金屬組件的腐蝕及損傷

該機(jī)封的軸套及彈簧座材質(zhì)均為奧氏體不銹鋼06Cr17Ni12Mo2，一級(jí)密封一旦失效，會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)泄漏入侵二級(jí)密封腔（如圖5 所示），在二級(jí)動(dòng)環(huán)與軸套的配合位置（靠近一級(jí)密封靜環(huán)的右側(cè)），附著了一層明顯的金屬腐蝕物，金屬表面由此增加的摩擦力嚴(yán)重影響了彈簧組件的軸向補(bǔ)償作用[3]，大大降低了動(dòng)靜環(huán)端面之間剛性液膜的穩(wěn)定性。同時(shí)二級(jí)動(dòng)環(huán)補(bǔ)償組件的彈簧有明顯的腐蝕脫落，且彈簧座表面有明顯的裂紋缺陷，這些缺陷極大地影響了二級(jí)端面密封副的密封作用。2.2.3 密封端面的磨損

圖5 拆解后的軸套和二級(jí)密封的補(bǔ)償組件Fig.5 The pictures of axle sleeve and compensating piece of the second stage seal knocked down

機(jī)封長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，密封腔長(zhǎng)時(shí)間積聚了大量腐蝕物類的不溶性固體顆粒，在動(dòng)環(huán)的高速旋轉(zhuǎn)下，這些不溶顆粒物會(huì)不可避免地碰撞磨損密封環(huán)端面，破壞端面的光滑度。此外在日常工藝操作停泵的時(shí)候，不溶性物質(zhì)很容易停留在端面間隙，在下次啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)很容易磨損密封端面。如圖6 所示，一級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)端面已失去光澤且有明顯的損傷痕跡，同時(shí)附著了大量結(jié)垢物。

圖6 拆解后的一級(jí)密封的動(dòng)靜環(huán)端面Fig.6 Surfaces of mobile ring and stationary ring of the first stage seal knocked down

3 優(yōu)化方案

因該泵輸送的是富含硫化氫的液態(tài)甲醇，且甲醇、H2S 都是易燃易爆易揮發(fā)的有毒有害介質(zhì)，須最大可能地降低該泵的VOC 排放量。且介質(zhì)組分嚴(yán)重腐蝕或磨損了密封組件，為了盡量減少介質(zhì)與密封組件的接觸面積，經(jīng)廠家和設(shè)計(jì)方驗(yàn)證，宜將該結(jié)構(gòu)改為雙端面干氣密封，沖洗方案采用Plan 74。

3.1 干氣密封的結(jié)構(gòu)介紹

如圖7 所示，改造后的密封結(jié)構(gòu)為背靠背式雙端面干氣密封，由圖7 中22 處入口引入壓力為0.5 MPa 潔凈的惰性氣體（設(shè)計(jì)要求氣源壓力高于泵腔壓力0.2 ～ 0.3 MPa 以上），動(dòng)環(huán)端面上加工了均勻分布的動(dòng)壓槽，該槽型結(jié)構(gòu)隨泵軸高速旋轉(zhuǎn)使密封腔通入的氮?dú)猱a(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，在動(dòng)靜環(huán)端面之間形成厚度為3 ～ 5 μm 剛度良好的氣膜，此時(shí)彈簧作用力和介質(zhì)壓力形成的閉合力與來自氣膜的開啟力達(dá)到平衡狀態(tài)[4]，動(dòng)靜密封環(huán)在非接觸狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)密封。

由于頻繁檢修拆裝機(jī)泵或新舊備件的尺寸誤差，軸套與軸肩處的配合誤差會(huì)不可避免地發(fā)生變化，此處的裝配誤差直接影響其機(jī)封的彈簧初始?jí)嚎s量。該結(jié)構(gòu)將原來單一的軸套改為了護(hù)套（前置軸套）和軸套的組合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以完全避免前者因軸套裝配誤差引起的彈簧初始?jí)嚎s量變化，確保了密封裝配尺寸的準(zhǔn)確性。

圖7 改造后的干氣密封結(jié)構(gòu)剖面圖Fig. 7 Structure drawing of gas seals after transformation

3.2 靜密封點(diǎn)的材質(zhì)優(yōu)化

靜密封點(diǎn)選擇密封件時(shí)，應(yīng)考慮密封材料對(duì)被密封介質(zhì)和工藝工況的適應(yīng)性，應(yīng)盡力避免發(fā)生腫脹、溶解軟化、硬化、老化永久變形等失效問題。一般橡膠材料在有機(jī)溶劑或強(qiáng)酸堿環(huán)境中會(huì)發(fā)生不同程度的溶脹破壞，從而影響使用性能，根據(jù)API 602—2014，O 形圈的首選材料是氟橡膠（FKM）， 而不是丁腈橡膠（NBR）。而全氟橡膠又是氟橡膠類中化學(xué)性最穩(wěn)定的，其聚合物主鏈上只有碳和氟原子，不含氫原子，惰性很強(qiáng)，幾乎耐受所有的化學(xué)藥劑，因此全氟橡膠可較好適應(yīng)苛刻的密封條件[5]。如圖7 所示，該結(jié)構(gòu)中直接接觸介質(zhì)的靜密封點(diǎn)為圖7 中3、6、7 處，故將這些部位的密封圈材質(zhì)升級(jí)為全氟橡膠。

3.3 密封的控制系統(tǒng)

改造后的干氣密封控制系統(tǒng)主要由過濾單元、控制單元和監(jiān)測(cè)單元組成，其主要作用是為干氣密封提供干燥潔凈、壓力穩(wěn)定的氣體，監(jiān)視干氣密封的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，確保干氣密封穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行[6-7]。由于干氣密封對(duì)氣源品質(zhì)要求干燥、潔凈、無固體顆粒等雜質(zhì)，因此在氣源入口安裝了一個(gè)過濾精度為3 μm 的過濾器以避免管網(wǎng)氣源引入微小顆粒而損害密封環(huán)端面。在過濾器后面安裝了帶有壓力顯示的調(diào)節(jié)閥以保證供氣壓力為0.50 MPa，同時(shí)在此處分別安裝了壓力變送器和流量變送器以便于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并設(shè)置了壓力低報(bào)警（0.35 MPa）。若一級(jí)密封失效，流量顯示值則會(huì)顯著增大，此時(shí)二級(jí)密封尚有密封作用，工藝介質(zhì)不會(huì)泄漏至大氣側(cè)；若二級(jí)密封失效，大量氮?dú)鈱⒅苯有孤┲链髿鈧?cè)，流量也會(huì)顯著增大[8-9]。

4 結(jié)論

（1）該泵機(jī)械密封頻繁失效泄漏與其輸送介質(zhì)的復(fù)雜成分有直接關(guān)系，改造后的干氣密封結(jié)構(gòu)很大程度上避免了工藝介質(zhì)與密封組件的直接接觸，顯著減少了工藝介質(zhì)對(duì)密封組件的損害，改造后運(yùn)行至今15 月有余，未出現(xiàn)任何泄漏。

（2）改造后的結(jié)構(gòu)將原來單一的軸套改為護(hù)套（前置軸套）和軸套的組合結(jié)構(gòu)，完全避免了舊機(jī)封因軸套裝配誤差引起的彈簧初始?jí)嚎s量變化，保證了密封安裝的準(zhǔn)確性。

（3）通過對(duì)密封圈材質(zhì)的優(yōu)化升級(jí)，改造后的密封大大提高了靜密封點(diǎn)對(duì)工藝介質(zhì)的耐受性和穩(wěn)定性。

（4）該泵改造前四個(gè)系列（共8 臺(tái)泵）每年更換機(jī)械密封的備件費(fèi)用約為5.4 萬元，干氣密封預(yù)期使用壽命3 年，每套干氣密封成本費(fèi)用為1.2 萬元，預(yù)計(jì)3 年將節(jié)省檢修費(fèi)用11.4 萬元。