絡(luò)合鐵天然氣脫硫裝置貧液循環(huán)泵軸封失效分析與優(yōu)化設(shè)計

中石化石油工程設(shè)計有限公司

我國西南地區(qū)天然氣資源豐富，但開采出的天然氣中H2S（硫化氫）含量高、危害大、腐蝕性強。為降低含H2S天然氣對輸送管道及設(shè)備的腐蝕，減少環(huán)境污染，避免天然氣泄漏危及生命安全，需要對開采出的含硫天然氣進行脫硫處理。

西南地區(qū)某氣田含硫天然氣采用絡(luò)合鐵脫硫工藝裝置進行凈化處理。脫硫劑貧液循環(huán)泵是脫硫裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，其軸封采用機械密封型式。在脫硫裝置投產(chǎn)過程中，貧液循環(huán)泵的機械密封多次出現(xiàn)故障、頻繁失效，導致脫硫劑泄漏，嚴重影響脫硫裝置的正常運行，進而影響生產(chǎn)單位的正常運營。為防止貧液循環(huán)泵脫硫劑泄漏，提高機械密封的穩(wěn)定性與可靠性，保證脫硫裝置正常運行，本文結(jié)合天然氣絡(luò)合鐵脫硫與再生工藝，分析研究了脫硫裝置貧液循環(huán)泵機械密封的失效原因，并針對貧液循環(huán)泵的運行工況，進行了合理的機械密封結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 天然氣絡(luò)合鐵脫硫工藝

絡(luò)合鐵脫硫工藝是采用含氧化劑的堿性溶液脫除天然氣中H2S，并將H2S氧化為單質(zhì)硫的一種脫硫方法，目前在國內(nèi)外天然氣脫硫裝置中得到廣泛應(yīng)用。

1.1 絡(luò)合鐵脫硫原理

絡(luò)合鐵脫硫是一種以鐵離子為氧化劑的濕式氧化還原脫除天然氣中H2S的方法[1]，采用堿性水溶液吸收天然氣中的H2S，H2S與堿液反應(yīng)生成HS-，堿性水溶液中的Fe3+將HS-氧化成單質(zhì)硫S，F(xiàn)e3+被還原成Fe2+，再向溶液中加注化學藥劑，使單質(zhì)硫在溶液中聚集沉淀析出。絡(luò)合鐵溶液再生，是利用空氣中的氧氣將Fe2+氧化成Fe3+，使絡(luò)合鐵溶液恢復氧化性，重復循環(huán)利用絡(luò)合鐵溶液進行天然氣脫硫。其主要反應(yīng)如下：

堿性水溶液吸收H2S：

析硫過程：

再生反應(yīng)：

1.2 絡(luò)合鐵脫硫工藝流程

天然氣脫硫和脫硫劑再生是脫硫裝置的兩個主要工藝流程（圖1）。

（1）天然氣脫硫流程。首先是來自井口的含H2S天然氣進入原料氣分離器進行氣液分離，再經(jīng)過濾分離器去除大的液滴后，從底端進入吸收塔，含H2S天然氣與塔頂流入的絡(luò)合鐵脫硫溶液（貧液）進行充分接觸、脫硫，再經(jīng)過凈化氣分離器，分離掉氣體中夾帶的霧沫，得到凈化天然氣，接入外輸管網(wǎng)進行天然氣外輸[2]。

（2）脫硫劑再生流程。在吸收塔中，脫除天然氣中H2S的絡(luò)合鐵溶液由貧液變?yōu)楦灰?，生成的單質(zhì)硫懸浮在絡(luò)合鐵富液中，富液經(jīng)閃蒸罐閃蒸出溶解在富液中的少量天然氣（少量天然氣進入燃料氣系統(tǒng)用作加熱爐燃料氣）后，進入再生塔。在再生塔中，加注化學藥劑使單質(zhì)硫聚集沉淀析出，進入硫泡沫槽、硫磺過濾機進行硫磺回收；另外，向再生塔中鼓入空氣，將絡(luò)合鐵富液進行氧化生成貧液，再經(jīng)貧液循環(huán)泵增壓進入吸收塔脫硫。

2 貧液循環(huán)泵機械密封失效問題

2.1 貧液循環(huán)泵結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

圖1 絡(luò)合鐵脫硫工藝流程Fig.1 Process flow of complex iron desulfurization

天然氣脫硫裝置中絡(luò)合鐵脫硫劑貧液循環(huán)泵流量為120 m3/h，揚程為175 m；泵結(jié)構(gòu)型式為BB1型（兩端支撐式），泵殼為軸向剖分，采用兩級葉輪增壓，閉式葉輪，首級葉輪為單吸式；運行方式為連續(xù)運行，采用內(nèi)裝式單端面大彈簧機械密封為軸封，采用自沖洗（Plan11[3]）方案。機械密封面材質(zhì)為碳化硅（動環(huán)）對石墨（靜環(huán)），其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 貧液循環(huán)泵機械密封結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical seal structure of lean liquid circulating pump

2.2 機械密封故障描述

天然氣脫硫裝置自投產(chǎn)以來，貧液循環(huán)泵頻繁出現(xiàn)機械密封失效故障，導致絡(luò)合鐵脫硫劑貧液泄漏，嚴重影響了脫硫裝置的正常運行。通過現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)貧液循環(huán)泵機械密封失效主要包括兩種工況：一是處于連續(xù)運行狀態(tài)的貧液循環(huán)泵，其機械密封通常使用1周到1個月左右就出現(xiàn)損壞而泄漏；二是備用泵啟動后機械密封會在短時間內(nèi)出現(xiàn)泄漏。現(xiàn)場機械密封實際使用時間遠低于要求連續(xù)運行8 000 h（1年）的設(shè)計標準。

3 貧液循環(huán)泵機械密封失效的原因分析

通常情況下，貧液循環(huán)泵軸封失效的主要原因有產(chǎn)品質(zhì)量問題、裝配問題及配套設(shè)備與工藝流程問題[4]。本裝置貧液循環(huán)泵軸封采用的是知名品牌機械密封，在其他泵類設(shè)備上運行平穩(wěn)，使用壽命滿足設(shè)計要求；但用在本裝置貧液循環(huán)泵上多次出現(xiàn)故障，且使用壽命較短。通過對比分析，初步判斷現(xiàn)場運行工況對貧液循環(huán)泵機械密封使用影響較大，以此作為分析機械密封失效原因的出發(fā)點。

3.1 脫硫工藝流程分析

絡(luò)合鐵氧化還原法脫硫過程中貧液循環(huán)泵輸送介質(zhì)為絡(luò)合鐵貧液。由絡(luò)合鐵脫硫工藝可知，在吸收塔吸收完H2S的絡(luò)合鐵富液中含有單質(zhì)硫，富液在再生塔中進行貧液再生；同時向再生塔中加注化學藥劑（表面活性劑）將富液中懸浮單質(zhì)硫聚集沉淀，進行硫磺回收。由于兩個過程是在再生塔中同時進行，加上絡(luò)合鐵脫硫劑連續(xù)不斷流動，造成脫硫劑中未沉淀的單質(zhì)硫伴隨著貧液進入循環(huán)泵。此外，在硫磺回收過程中，經(jīng)過濾機過濾后的貧液將進入貧液儲罐，該貧液中也可能含有部分單質(zhì)硫。

在現(xiàn)場對絡(luò)合鐵貧液進行取樣檢測，發(fā)現(xiàn)貧液中含有單質(zhì)硫，難溶于絡(luò)合鐵溶液，以懸濁液形式存在，長時間放置器皿中將有固體顆粒析出。通過上述分析及驗證，貧液循環(huán)泵輸送的絡(luò)合鐵貧液中含有單質(zhì)硫，并存在單質(zhì)硫固體顆粒。

3.2 貧液循環(huán)泵機械密封結(jié)構(gòu)分析

貧液循環(huán)泵軸封采用的是內(nèi)裝式單端面大彈簧機械密封結(jié)構(gòu)，機械密封沖洗采用自沖洗（Plan11）方式。

3.2.1 單質(zhì)硫加劇機械密封端面的磨損

機械密封正常運行時，需要密封冷卻液（泵送介質(zhì)或外部清潔水）沖洗、冷卻機械密封，使動、靜環(huán)密封面處于邊界潤滑或半液體潤滑狀態(tài)，密封面被液膜分開，起到密封介質(zhì)的作用[5]；當有固體顆粒進入密封面時，破壞密封面間密封液膜的形成，將加劇密封面的磨損，縮短機械密封使用壽命，導致機械密封失效，造成輸送介質(zhì)的泄漏[6]。貧液循環(huán)泵機械密封面材質(zhì)采用的是碳化硅（動環(huán)）對石墨（靜環(huán)），泵連續(xù)運行時，當絡(luò)合鐵溶液中的單質(zhì)硫進入密封端面，破壞密封面間液膜的形成，加劇軟密封面（石墨）的磨損[5]，使機械密封端面損壞，造成連續(xù)運行的貧液循環(huán)泵機械密封出現(xiàn)泄漏。

另外，根據(jù)文獻[5]，當介質(zhì)中固體顆粒質(zhì)量分數(shù)超過5%時，石墨不宜作為單端面密封的組對材料，否則密封端面會出現(xiàn)高度磨損。根據(jù)絡(luò)合鐵溶液的檢測分析結(jié)果，單質(zhì)硫質(zhì)量分數(shù)為4.53%，接近上述限值5%，這是引起機械密封面磨損的潛在原因。

3.2.2 單質(zhì)硫阻止機械密封滑動補償機構(gòu)移動

機械密封靠密封端面起到密封作用，正常運行時密封面會有磨損量，為防止密封面間隙過大引起泄漏，機械密封設(shè)有滑動補償機構(gòu)（由密封彈性元件驅(qū)動），使密封面始終保持緊密貼合狀態(tài)。停機后，引自泵出口的機械密封冷卻液將停止沖洗密封面，密封腔內(nèi)的冷卻液逐漸停止流動，懸浮在溶液中的單質(zhì)硫沉淀、堆積在機械密封彈性元件上，使彈性元件的伸縮性受阻礙，最終失去彈性，導致機械密封密封面磨損量無法得到補償。

再次啟泵后，密封冷卻液在短時間內(nèi)無法沖去沉積在彈簧內(nèi)的單質(zhì)硫，密封彈性元件不能恢復彈性，滑動補償機構(gòu)不能軸向移動，無法補償密封面磨損量，當密封面的間隙過大時，泵內(nèi)絡(luò)合鐵貧液經(jīng)機械密封外泄。這是貧液循環(huán)泵備用泵啟動后，短時間內(nèi)出現(xiàn)機械密封故障的主要原因。

4 機械密封（系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

機械密封的可靠性與使用壽命取決于泵的運行工況與外部環(huán)境，可通過對機械密封系統(tǒng)進行優(yōu)化，來提高機械密封的可靠性和使用壽命，其主要措施包括密封冷卻液中的固體過濾分離及采用清潔的沖洗液注入密封面[4]。通過對上述貧液循環(huán)泵機械密封失效原因分析，結(jié)合絡(luò)合鐵溶液的介質(zhì)特性，從機械密封沖洗方案和機械密封結(jié)構(gòu)兩方面對機械密封（系統(tǒng)）優(yōu)化設(shè)計，并確定最優(yōu)設(shè)計方案。

4.1 機械密封沖洗方案優(yōu)化設(shè)計

4.1.1 改用沖洗液固液分離的沖洗方案

現(xiàn)場貧液循環(huán)泵機械密封采用自沖洗方案Plan11，將泵送介質(zhì)從泵出口引至密封腔進行沖洗并冷卻機械密封。由于未對輸送介質(zhì)中的單質(zhì)硫進行分離，長時間沖洗密封腔將造成單質(zhì)硫沉積在密封腔內(nèi)。為減少絡(luò)合鐵溶液中的單質(zhì)硫進入密封腔，在機械密封沖洗管線上增設(shè)分離器，將單質(zhì)硫分離，過濾后的絡(luò)合鐵溶液進入密封腔，沖洗冷卻機械密封，即將沖洗方案Plan11改成Plan31[4]。如圖3所示，密封沖洗液先經(jīng)過分離器，將單質(zhì)硫從密封沖洗液中分離出來并重新輸送至泵入口，潔凈的沖洗液對機械密封進行沖洗與冷卻。通過現(xiàn)場測試，由于絡(luò)合鐵溶液中單質(zhì)硫含量較高，機械密封沖洗管線上的分離器及后面管線極易發(fā)生堵塞[7-8]，故不選用該方案。

圖3 機械密封自沖洗方案Plan31Fig.3 Mechanical seal self-flushing scheme 31

4.1.2 機械密封自沖洗方案改為外沖洗方案

機械密封外沖洗，是利用外部潔凈水源作為密封沖洗液，適用于泵送介質(zhì)中含有固體顆粒等不適合作為密封沖洗液的工況。常用的機械密封外沖洗方案為Plan32[4]。如圖4所示，在停泵、泵運行時，外部沖洗液均可注入密封腔。停泵時，外部沖洗液注入密封腔，阻止單質(zhì)硫沉淀堆積在密封彈性元件上；泵運行時，利用外部沖洗液沖洗密封面，阻止單質(zhì)硫侵入密封面間。但是如果采用外沖洗方案Plan32，沖洗液將進入泵體內(nèi)，與絡(luò)合鐵脫硫劑混合，會稀釋絡(luò)合鐵溶液，降低脫硫效果，故不選用該方案。

圖4 機械密封外沖洗方案Plan32Fig.4 Mechanical seal external flushing scheme 32

4.2 機械密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

由于機械密封沖洗方案的優(yōu)化設(shè)計不適用于現(xiàn)有的運行工況，因此只能考慮對絡(luò)合鐵貧液循環(huán)泵原有的機械密封結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。改進前，貧液循環(huán)泵軸封采用的是內(nèi)裝式單端面大彈簧機械密封，密封面材質(zhì)為碳化硅（動環(huán)）對石墨（靜環(huán)）。機械密封彈性元件與介質(zhì)接觸，彈性元件上易沉積單質(zhì)硫。機械密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進的出發(fā)點是采取有效結(jié)構(gòu)設(shè)計防止絡(luò)合鐵溶液與機械密封彈性元件接觸，避免單質(zhì)硫進入機械密封面。

為防止彈性元件與介質(zhì)接觸，在機械密封彈性元件外加隔離套，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。此外，將密封面材質(zhì)硬-軟組合改為硬-硬組合[9]，動、靜環(huán)材質(zhì)選用硬質(zhì)合金，且動環(huán)端的密封面設(shè)計有銳邊。動環(huán)轉(zhuǎn)動時，密封面的銳邊帶動密封面周圍的沖洗液流動，能夠有效地阻止固體顆粒進入密封面。此外，硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨性強等特點[10]，適用于輸送介質(zhì)中含有固體顆粒的工況。將機械密封按上述方式改造，在停泵、泵運行的工況下，均能降低絡(luò)合鐵溶液中單質(zhì)硫?qū)C械密封的影響。

圖5 優(yōu)化設(shè)計后的機械密封機構(gòu)Fig.5 Mechanical seal structure after optimization design

5 現(xiàn)場試驗

根據(jù)上述優(yōu)化方案，重新設(shè)計機械密封，并將新設(shè)計的機械密封安裝到脫硫裝置的1臺貧液循環(huán)泵上，與原有機械密封進行對比試驗，試驗周期為3個月。在試驗周期內(nèi)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的機械密封使用可靠，未出現(xiàn)泄漏故障；延長時間繼續(xù)試驗，最終改進后的機械密封使用壽命達到了12個月，滿足了設(shè)計標準要求。

6 結(jié)束語

根據(jù)絡(luò)合鐵脫硫工藝和貧液循環(huán)泵機械密封的結(jié)構(gòu)特點，通過對機械密封失效原因進行全面分析，重新優(yōu)化設(shè)計了機械密封結(jié)構(gòu)，經(jīng)現(xiàn)場試驗，優(yōu)化設(shè)計后的機械密封運行可靠，使用壽命長，保證了脫硫裝置的穩(wěn)定運行，大大降低了生產(chǎn)單位的運行成本。該種密封結(jié)構(gòu)型式可在今后類似裝置貧液循環(huán)泵上推廣應(yīng)用。