液化氣泵用干氣密封失效分析及優(yōu)化改造

胡偉杰

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

某焦化裝置穩(wěn)定塔頂回流泵，在運行過程中其干氣密封平均使用壽命約為6個月，嚴重影響了設備的長周期運行，經過故障失效原因分析，將機封沖洗流道和密封端面結構參數進行優(yōu)化改造，顯著提高了機封運行穩(wěn)定性，機封使用壽命延長至24個月以上。

1 塔頂回流泵基本運行工況信息

介質：液化氣(含H2S)

溫度：40～50 ℃

入口壓力：0.9～1.2 MPa

出口壓力：1.7 MPa

轉速：2950 rpm

機封型式：串聯(lián)式干氣密封

密封布置方案：11+72+76

緩沖流體：氮氣0.2 MPa

2 泵用串聯(lián)式干氣密封的特點

泵用串聯(lián)式干氣密封是將普通接觸式機械密封與干氣密封串聯(lián)在一起組合使用，機械密封為一級主密封，干氣密封為二級次密封。使用過程中要在機械密封與干氣密封之間通入密封氣(通常為氮氣)，這樣使機械密封后具有一定的背壓，這樣可以減少一級密封端面液膜介質汽化的程度，極大地延長了機械密封的使用壽命；當一級機械密封發(fā)生泄漏時，泄漏的工藝介質會隨著充入的密封氣一起排入火炬，保證了工藝介質不會向大氣泄漏；一級機械密封失效后，二級的干氣密封可以在短時間內起到主密封作用，防止工藝介質向大氣大量泄漏。這種串聯(lián)式的泵用干氣密封主要應用在易揮發(fā)介質、對密封氣壓力要求不高的場合[1]。

為保證串聯(lián)式干氣密封的可靠運行，干氣密封均配備了相應的控制系統(tǒng)，用來為干氣密封提供干燥、清潔的密封氣，同時還要對機械密封是否出現(xiàn)泄漏進行監(jiān)控。干氣密封兩個密封端面間形成的氣膜厚度在2～3 μm左右，如果充入的密封氣中帶液或含有直徑大于3 μm的雜質顆粒，就會破壞密封端面間氣膜的形成，進而影響密封性能。因此必需要求密封氣滿足一定的清潔度，才能保證干氣密封的正常運行[2]。對各級密封泄漏的監(jiān)測控制，在11+72+76方案中是通過對干氣密封泄漏排氣管線上的氣體壓力的監(jiān)視而實現(xiàn)對密封泄漏的監(jiān)控。當干氣密封泄漏管線上的壓力高于一定值時，安裝在泄漏管線上壓力開關發(fā)出高報警信號，這說明主密封泄漏過大，可能出現(xiàn)問題；當泄漏管線上的壓力低于一定值時，壓力開關發(fā)出低報警信號，說明密封氣進氣壓力過低或二級干氣密封泄漏過大。但壓力表值突然的大幅波動，也有可能是軸的振動或工藝波動引起，此時需要進行排查[3]。

3 失效形式及原因分析

故障現(xiàn)象：機封運行過程中，出現(xiàn)異常尖叫聲，拆檢發(fā)現(xiàn)一級密封磨損較大，機封壽命短，運行6個月左右就出現(xiàn)泄漏。

原因分析：有尖叫聲說明存在干摩擦，而導致干摩擦的原因是密封端面的液膜或氣膜遭到破壞，難以形成連續(xù)、穩(wěn)定的流體膜。通過拆檢情況分析，從密封端面材質自身特性和存在過熱兩個方面查找原因。

3.1 密封端面材質選型問題

因液化氣類介質自身沸點低，易氣化，而且密封腔內壓力較高，密封端面摩擦也會產生大量熱量，使汽化更容易發(fā)生，造成氣液兩相同時存在。該密封屬于輕烴泵專用密封，干氣密封旋轉環(huán)和靜止環(huán)組對和機械密封摩擦副組對材質均為碳石墨，干氣密封和機械密封的輔助密封圈均采用氟橡膠，這種摩擦副材料的選用, 是具有成熟的應用性和可靠性；第一道機械密封的端面選用進口優(yōu)質石墨，耐磨損，能夠適應氣液兩相的運轉環(huán)境，機封廠家有同工況穩(wěn)定運行案例，因此排除密封圈和端面材質選型問題[4]。

3.2 密封沖洗量不夠問題

現(xiàn)場如果PLAN11 沖洗量不夠，會導致密封腔的熱量無法被及時帶走，導致熱量積聚，密封面溫度升高，氣相變多，液相變少，磨損加劇，造成端面短期內過度磨損。如果密封腔內的介質壓力接近介質飽和蒸汽壓的，再加上端面摩擦發(fā)熱的影響，介質在端面間更容易發(fā)生汽化，這種接近飽和蒸汽壓的運行工況條件對機封的性能本身也是考驗。機封運行過程中出現(xiàn)的尖叫聲說明存在這種現(xiàn)象。

4 優(yōu)化改造方案

針對機封發(fā)熱和沖洗量不夠的問題，采取了以下優(yōu)化改造措施：

圖1 圖中圓圈內加粗部分為優(yōu)化沖洗流道Fig.1 The bold part in the circle is the optimized flushing channel

(1)加大沖洗量。密封腔中的溫度過高會導致介質汽化，而汽化及高溫會引起機封密封元件變形，直致密封失效。設置冷卻沖洗的目的就是將密封運轉過程中產生的過多熱量帶走。密封腔中熱量將原PLAN11 支路上限流孔板的孔徑加大，使PLAN11對密封的沖洗量提高，加速介質在泵腔內循環(huán)散熱。

(2)優(yōu)化機封內部的沖洗流道及冷卻方式。優(yōu)化后的結構如下圖1所示。

(3)優(yōu)化密封環(huán)結構參數，控制端面發(fā)熱量。密封腔中熱量的來源包括密封端面摩擦產生的熱量、介質剪切產生的熱量；由旋轉的密封元件引起的紊流而產生的熱量、由泵經密封腔和軸傳導的熱量。其中密封端面上產生的熱量：

Q=(Tr×n)/9550，Tr=pcAf(Dm/2000)

式中，n為轉速，r/min；Tr為密封端轉矩；pc為端面比壓，MPa；A為端面面積，mm2；f為端面摩擦系數；Dm為端面平均直徑，mm。

對于不銹鋼軸套和壓蓋的鋼結構泵，一個保守的熱量吸收估算公式Qs(J/s)：

Qs=0.249S×ΔT

(1)

式中：S為有效的密封直徑，mm；ΔT為泵送溫度與密封腔溫度之差，℃。

機封廠家根據計算，優(yōu)化了機械密封的端面尺寸，保證在有沖洗作用下其端面發(fā)熱量不超過介質對應壓力下飽和蒸汽壓產生汽化的溫升，避免介質汽化[5]。

圖2 端面溫度分布Fig.2 End temperature distribution

5 結 論

經過優(yōu)化改造的機封，加大了PLAN11密封液沖洗量，有效控制了第一級機械密的密封端面發(fā)熱量，避免泵送介質氣化，造成動靜環(huán)密封面干摩擦，使密封運行環(huán)境得到改善；同時通過對密封端面結構尺寸的優(yōu)化設計計算，控制端面發(fā)熱量，顯著提高了機封運行穩(wěn)定性，機封使用壽命延長至24個月以上。