石化裝置泵用濕封API沖洗方案的具體選型與應(yīng)用探討

任寶杰，王彬，王民中，郝木明

（1.東營(yíng)海森密封技術(shù)有限責(zé)任公司，山東東營(yíng) 257000；2.中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東青島 266071；3.中海油石化工程有限公司，山東青島 266101；4.中國(guó)石油大學(xué)（華東）密封技術(shù)研究所，山東青島 266580）

API 682標(biāo)準(zhǔn)自1994年由美國(guó)石油協(xié)會(huì)（API）推出以來(lái)，在全球石油化工行業(yè)以離心泵為主的旋轉(zhuǎn)泵類用機(jī)械密封及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收等方面逐漸被廣泛應(yīng)用，尤其是第四版，針對(duì)泵用密封提供的各種沖洗系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了石油化工各類泵使用工況的全覆蓋，幾乎臻于完善，目前已成為國(guó)內(nèi)石油化工行業(yè)的“金標(biāo)準(zhǔn)”，國(guó)內(nèi)大部分標(biāo)準(zhǔn)、書籍等均對(duì)其直接引用、推廣普及[1-4]。

但在國(guó)內(nèi)各類石油化工裝置泵群密封實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于裝置建造時(shí)間早晚、資金投入多少、用戶使用偏好、泵及密封廠家水平高低等原因，導(dǎo)致諸多參照API 682標(biāo)準(zhǔn)選用的泵用密封沖洗系統(tǒng)不能有效解決現(xiàn)場(chǎng)問題[5-7]。本文針對(duì)石化裝置常見的泵用濕封沖洗系統(tǒng)選用及優(yōu)化進(jìn)行探討，總結(jié)出基于API 682標(biāo)準(zhǔn)沖洗方案的具體應(yīng)用要點(diǎn)。

1 沖洗系統(tǒng)方案具體應(yīng)用要點(diǎn)

沖洗系統(tǒng)方案是指對(duì)密封進(jìn)行直接冷卻、沖洗的方式，沖洗流體直接與介質(zhì)相連通。在石化裝置中常用的典型方案有Plan 11、Plan 21、Plan 23、Plan 31和Plan 32。

1.1 Plan 11 正向旁通自沖洗

Plan 11方案沖洗液進(jìn)入密封腔靠近機(jī)械密封端面處沖洗端面，然后穿過(guò)密封腔回流到泵腔體內(nèi)，是默認(rèn)的單封或雙封內(nèi)側(cè)密封沖洗方案。選取時(shí)需注意：對(duì)于高揚(yáng)程泵需要根據(jù)沖洗量和汽化裕量，計(jì)算確定合適的孔板個(gè)數(shù)、直徑以及喉口襯套間隙，不能簡(jiǎn)單地選取孔徑3 mm的單孔板；對(duì)于較低揚(yáng)程泵，需要詳細(xì)核算流程阻力，避免出現(xiàn)沖洗量不足的情況，如有必要，可在密封旋轉(zhuǎn)件上增加軸向泵送裝置以提高沖洗量；在易汽化介質(zhì)或摩擦熱較多的高PV值場(chǎng)合應(yīng)該采用多孔沖洗。

1.2 Plan 21 帶換熱器正向自沖洗

Plan 21方案從泵出口引入沖洗液，經(jīng)換熱器進(jìn)入密封腔靠近機(jī)械密封端面處沖洗端面，然后穿過(guò)密封腔回流到泵腔體內(nèi)。選取時(shí)需注意：換熱器管程為工藝介質(zhì)，殼程為冷卻水；換熱器常用水冷盤管換熱器，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品多為立式安裝，國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品多為臥式安裝，一般來(lái)講區(qū)別不大，但是如果臥式安裝采用蛇形盤管方式可以實(shí)現(xiàn)管程的高點(diǎn)排空、低點(diǎn)排凝；冷卻器可采用風(fēng)冷型式，有條件時(shí)增加強(qiáng)制風(fēng)冷裝置；需保證冷卻后液體溫度，太高不利于冷卻，太低可能會(huì)導(dǎo)致晶體析出或黏度變大，尤其是高揚(yáng)程泵，可在管路上增加API 682標(biāo)準(zhǔn)中未提及的閥門和壓力表，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)期間通過(guò)操作閥門觀測(cè)壓力表讀數(shù)，確定出較為準(zhǔn)確的沖洗量并調(diào)節(jié)；使用時(shí)需要先通冷卻水，避免熱介質(zhì)進(jìn)入換熱器產(chǎn)生熱應(yīng)力；對(duì)于高溫泵停車期間可能存在熱虹吸產(chǎn)生的沖洗流動(dòng)，此現(xiàn)象為正常現(xiàn)象，可不予處理。

圖1 改進(jìn)后的Plan 21 流程圖Fig.1 Flow chart of improved Plan 21

1.3 Plan 23 介質(zhì)循環(huán)沖洗

Plan 23方案是從密封腔內(nèi)的泵送環(huán)通過(guò)冷卻器回到密封腔的循環(huán)。選取時(shí)需注意：該方案更適用于較低黏度介質(zhì)，高溫原油、油漿、渣油、蠟油等工況慎用；設(shè)計(jì)時(shí)建議參考泵裝置特性圖H-Q及h-Q曲線，制定Plan 23系統(tǒng)專用H/h-Q曲線并按照其進(jìn)行泵送環(huán)和管路設(shè)計(jì)，保證使用時(shí)能夠到達(dá)所需沖洗流量；H-Q和h-Q曲線可采用試驗(yàn)測(cè)試擬合得出；啟動(dòng)前必須頂端排氣，若介質(zhì)屬于易汽化介質(zhì)，應(yīng)增大冷卻水量并保證比較小的喉口襯套間隙；冷卻水要求采用軟化水，流速控制在1.5～2.5 m/s之間，最高進(jìn)口溫度不超過(guò)32℃，最高出口溫度不超過(guò)49℃，以免結(jié)垢。

圖2 用于Plan 23方案的H/h-Q曲線示例Fig.2 Example graph of H/h-Q for Plan 23

1.4 Plan 31 帶旋液分離器正向自沖洗

Plan 31方案是從泵的出口通過(guò)旋液分離器把潔凈的液體輸送到密封腔的循環(huán)過(guò)程，固體顆粒被送到泵的入口管線。該方案并不能有效地防止固體顆粒對(duì)密封的影響，更多時(shí)候是工程公司在新項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)為開車運(yùn)行期間所做的臨時(shí)措施而被采用。

1.5 Plan 32 注入式?jīng)_洗

Plan 32方案是將沖洗液從外部引入，沖洗密封端面后，進(jìn)入泵腔體。選取時(shí)需注意：沖洗流量除滿足冷卻需求以外，還應(yīng)根據(jù)喉口襯套間隙計(jì)算間隙中流速，流速一般不低于1 m/s，避免泵內(nèi)介質(zhì)竄入密封腔；API 682中將壓力表作為必選項(xiàng)，流量計(jì)作為可選項(xiàng)，在實(shí)際使用過(guò)程中流量計(jì)的作用更大于壓力表，建議在方案選取時(shí)將流量計(jì)作為必選，以便直觀監(jiān)測(cè)流量大小，避免過(guò)大造成浪費(fèi)，過(guò)小無(wú)法滿足正常需求；目前大部分石化企業(yè)多采用散件供貨，建議設(shè)計(jì)時(shí)可將Plan 32 集裝式供貨，現(xiàn)場(chǎng)安裝、操作更為簡(jiǎn)便、整潔。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)集裝式供貨的Plan 32系統(tǒng)圖Fig.3 System diagram Plan 32 for integrated supply

1.6 密封腔壓力估算

沖洗系統(tǒng)因與密封腔之間相連，故密封腔壓力與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)息息相關(guān)，本文提供了一種較符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的密封腔壓力估算方法，可供設(shè)計(jì)時(shí)參考，具體計(jì)算方法見表1。

表1 密封腔壓力估算表Tab.1 Estimation table of seal chamber pressure

2 循環(huán)沖洗系統(tǒng)方案具體應(yīng)用要點(diǎn)

循環(huán)沖洗系統(tǒng)方案是指配套于雙端面密封之間的沖洗方式，沖洗流體與介質(zhì)由內(nèi)側(cè)密封隔開。在石化裝置中常用的典型方案有Plan 52、Plan 53A、Plan 53B、Plan 54。

2.1 Plan 52儲(chǔ)罐緩沖液循環(huán)沖洗

Plan 52方案中外部?jī)?chǔ)液罐為布置方式2 密封提供緩沖液。選取時(shí)需注意：API 682中要求系統(tǒng)頂部閥常開，管線排空或者接入火炬管網(wǎng)，但在實(shí)際使用過(guò)程中部分客戶將頂部閥門關(guān)死，內(nèi)側(cè)密封一旦存在泄漏，罐內(nèi)壓力將持續(xù)上漲，雖不推薦如此使用，但多數(shù)情況下壓力達(dá)到某一數(shù)值后能夠保持穩(wěn)定，需要注意的是雖然工程上常將Plan 52 稱之為無(wú)壓罐，但實(shí)際上仍應(yīng)按照帶壓容器和管道進(jìn)行設(shè)計(jì)制造；壓力變送器和液位變送器也可用壓力開關(guān)和液位開關(guān)代替，壓力一般可取0.1 MPa 高報(bào)，液位一般只設(shè)置低報(bào)，根據(jù)客戶要求可設(shè)置高報(bào)。

2.2 Plan 53A儲(chǔ)罐阻塞液循環(huán)沖洗

Plan 53A方案外設(shè)加壓隔離液儲(chǔ)罐為布置方式3 密封提供潔凈的液體。選取時(shí)需注意：一般氮?dú)鈮毫Σ怀^(guò)1 MPa，避免氮?dú)庠谟偷娜芙舛冗^(guò)大；API 682中頂部?jī)H設(shè)置一個(gè)通斷閥門，而實(shí)際應(yīng)用中客戶所提供的氮?dú)鈮毫εc所需壓力常不匹配，因此頂部管線上設(shè)置氣體減壓閥應(yīng)作為一個(gè)必選項(xiàng)；在部分低轉(zhuǎn)速、小軸徑泵配套Plan 52系統(tǒng)上未接冷卻水，僅靠管線和罐體散熱，實(shí)際應(yīng)用中也能滿足正常需求，因此在不具備冷卻水現(xiàn)場(chǎng)，可仔細(xì)核算密封發(fā)熱量，并考慮在管線增加翅片等方式滿足使用需求；壓力變送器和液位變送器也可用壓力開關(guān)和液位開關(guān)代替，壓力一般可取密封腔壓力+0.14 MPa 低報(bào)，液位一般只設(shè)置低報(bào)。

圖4 建議的Plan 53A 流程圖Fig.4 Flow chart of improved Plan 53A

2.3 Plan 53B儲(chǔ)罐阻塞液循環(huán)沖洗

Plan 53B方案預(yù)先加壓的氣囊儲(chǔ)壓器提供壓力給循環(huán)系統(tǒng)，用于布置方式3的密封。選取時(shí)需注意：API 682 附錄F 提供了充氣壓力和隔離液充注壓力的計(jì)算方法，如果完全按照該推薦方法進(jìn)行計(jì)算，密封腔壓力較高時(shí)會(huì)存在外側(cè)密封承壓較高的問題，圖5給出了密封腔壓力為2 MPa的算例，隔離液壓力達(dá)到了3.6 MPa，因此給外側(cè)密封增加了很大負(fù)擔(dān)，結(jié)合多年工程經(jīng)驗(yàn)，建議密封腔壓力高于0.5 MPa時(shí)不推薦采用標(biāo)準(zhǔn)中的算法進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)密封腔壓力較高時(shí)，本文提供一種簡(jiǎn)便的計(jì)算方法：0℃時(shí)預(yù)充氣壓力為0.8倍密封腔壓力，25℃時(shí)預(yù)充氣壓力為0.87倍密封腔壓力，其余溫度下預(yù)充氣壓力可利用插值法計(jì)算得到，固定報(bào)警壓力取密封腔壓力+0.14 MPa，隔離液壓力取1.2倍固定報(bào)警壓力+0.05 MPa，該方案在壓力較低時(shí)使用，會(huì)存在囊式蓄能器有效容積浪費(fèi)的問題；尤其是在新項(xiàng)目開車前補(bǔ)液時(shí)，若用手動(dòng)補(bǔ)液泵補(bǔ)液，效率非常低，而且可能會(huì)消耗其使用壽命，因此補(bǔ)液泵管線上建議增加補(bǔ)液車接口；雖然存在囊式蓄能器內(nèi)幾乎無(wú)液，突然內(nèi)側(cè)密封失效，介質(zhì)竄入囊式蓄能器內(nèi)損傷橡膠的可能，但這種事件概率極低，在正常設(shè)計(jì)過(guò)程中可不予考慮，因此對(duì)于冷卻器的安裝位置并無(wú)特殊要求。

表2 按照附錄F 計(jì)算的Plan 53B系統(tǒng)相關(guān)壓力Tab.2 Pressure of Plan 53B according to appendix F

2.4 Plan 54外加系統(tǒng)阻塞液循環(huán)沖洗

Plan 54方案是由外部加壓和循環(huán)系統(tǒng)提供潔凈液體給布置方式3的密封，其與Plan 55類似，僅是加壓壓力比密封腔壓力高或低的區(qū)別。選取時(shí)需注意：Plan 54方案有著比Plan 53系列更好的沖洗冷卻性能，因此在僅考慮密封效果而言，優(yōu)先推薦Plan 54方案，通常為一帶多，但該方案存在不同泵所需沖洗量不一致，一臺(tái)泵內(nèi)側(cè)密封泄漏后不易判斷等問題，本文建議采用如圖5所示流程，流量計(jì)準(zhǔn)確顯示每臺(tái)密封的沖洗量，如果發(fā)現(xiàn)油站液位不正常下降，可通過(guò)關(guān)閉每臺(tái)密封進(jìn)出口閥門觀察壓力表示數(shù)值變化來(lái)進(jìn)行判斷。

圖5 建議的Plan 54 流程Fig.5 Flow chart of improved Plan 54

2.5 換熱器面積的確定

在Plan 53B、Plan 23、Plan 21方案中一般均配有水冷換熱器，API 682中給出了一些計(jì)算條件。本文根據(jù)多年工程經(jīng)驗(yàn)，給出了根據(jù)介質(zhì)溫度和軸徑選用換熱器面積的圖表，如圖6和圖7所示，可供工程設(shè)計(jì)參考。

圖6 適用于Plan 21的換熱器面積選擇圖Fig.6 Heat exchanger selection chart of Plan 21

圖7 適用于Plan 23和Plan 53B的換熱器面積選擇圖Fig.7 Heat exchanger selection chart of Plan 23 and Plan 53B

3 冷卻沖洗系統(tǒng)方案具體應(yīng)用要點(diǎn)

冷卻沖洗系統(tǒng)方案是指用于機(jī)械密封與大氣之間的沖洗方式，會(huì)有少量沖洗流體排入大氣環(huán)境。在石化裝置中典型方案是Plan 62，該方案在高溫泵密封上最為常見，能夠有效延長(zhǎng)整個(gè)密封的使用壽命。由于外側(cè)僅靠碳環(huán)等節(jié)流密封進(jìn)行封堵，存在少量冷卻水排到現(xiàn)場(chǎng)的情況，目前有被各個(gè)石化企業(yè)逐漸放棄的趨勢(shì)。但從保證密封效果而言，建議保留Plan 62系統(tǒng)，若軸向空間足夠，可將碳環(huán)節(jié)流密封替換為短型機(jī)械密封組件。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械密封沖洗方案的合理選擇與正確調(diào)整對(duì)泵用密封長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，但各石化裝置公用條件、泵工況等復(fù)雜多變，各廠家設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)水平不同，想要對(duì)每一臺(tái)密封選配最優(yōu)的沖洗方案不能僅依靠滿足API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，應(yīng)具備相當(dāng)豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，并做到因時(shí)制宜、因地制宜。本文對(duì)常用的沖洗方案給出了一些關(guān)鍵的常用的經(jīng)驗(yàn)，并給出了一些依據(jù)API 682標(biāo)準(zhǔn)做出的優(yōu)化調(diào)整方案，希望能給工程設(shè)計(jì)人員提供一些有益參考。