丙烯泵機(jī)封頻繁泄漏分析及改造

叢光滋，龔 文，馮 龍

（中國(guó)石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

寧夏石化公司氣分裝置丙烯塔回流泵為臥式單級(jí)雙吸離心泵，機(jī)泵廠家為中國(guó)大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司。該泵采用PLAN11+72+76 的沖洗方案，使用四川某公司生產(chǎn)的集裝式多彈簧機(jī)械密封。一級(jí)密封沖洗液為自泵出口引至一級(jí)密封的丙烯介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)一級(jí)密封端面的沖洗、冷卻和潤(rùn)滑作用；二級(jí)密封為干氣密封，干氣為自裝置外引入的0.2 MPa 低壓氮?dú)?，將一?jí)密封泄漏的丙烯引至低壓瓦斯系統(tǒng)。2020 年大修期間，技術(shù)改造將加工量由513 m3/h 增加至800 m3/h。為了滿足流量增大的要求，在進(jìn)出口管徑不變的情況下對(duì)機(jī)泵進(jìn)行了改造，將葉輪外徑由Φ492 mm 增加至Φ552 mm。改造后機(jī)泵在運(yùn)行時(shí)出口管線存在高頻振動(dòng)、出口流量大幅波動(dòng)、機(jī)械密封頻繁損壞的情況。改造前后的操作條件和運(yùn)行參數(shù)見表1、表2。

表1 改造前后的工藝操作條件

表2 改造前后機(jī)泵的運(yùn)行參數(shù)

1 機(jī)械密封故障現(xiàn)象及分析

改造后機(jī)泵設(shè)計(jì)額定流量由759 m3/h 增加至810 m3/h，機(jī)泵正常運(yùn)行時(shí)流量為800 m3/h，但經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)泵流量超過810 m3/h 接近1 000 m3/h 的不穩(wěn)定情況，每次出現(xiàn)大幅波動(dòng)時(shí)，泵出口管線高頻振動(dòng)多，機(jī)械密封容易損壞，分析泵出口總壓頭過高，調(diào)節(jié)閥壓力恢復(fù)系數(shù)在此工況不穩(wěn)定。

機(jī)泵運(yùn)行中機(jī)械密封在泄漏前多次出現(xiàn)嗚叫現(xiàn)象，且機(jī)泵出口出現(xiàn)高頻振動(dòng)，拆檢泄漏后的機(jī)械密封主要發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：一級(jí)密封動(dòng)環(huán)接觸面凸臺(tái)高度由3.5 mm 磨損到0.5 mm 以內(nèi)；機(jī)械密封軸套和一級(jí)密封接觸面有過熱發(fā)藍(lán)情況；O 型圈出現(xiàn)老化和龜裂現(xiàn)象。分析沖洗液氣化造成一級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)接觸面過熱干磨泄漏[1-2]。

根據(jù)上升曲線可以得出，改造后正常運(yùn)行時(shí)機(jī)泵流量為800 m3/h，必須汽蝕余量NPSHr 為4.3 m，根據(jù)公式（1）可知，改造后裝置汽蝕余量NPSHa 相比改造前減小（改造前裝置汽蝕余量為5.0 m），即小于5.0 m。

式中：Pc-進(jìn)口水池液面的絕對(duì)壓力，改造后塔內(nèi)液面壓力由2.18 MPa 降低至1.90 MPa，Pc減??；hg-泵安裝高度，改造前后泵及泵殼位置未變，hg基本不變；hc-進(jìn)口管路阻力損失，改造前后出入口管線及管件未變，hc基本不變；Pv和ρ-液體飽和蒸汽壓和密度，改造前后介質(zhì)成分未變，Pv和ρ 基本不變。

改造后當(dāng)機(jī)泵的流量為800 m3/h 時(shí)，汽蝕余量NPSH=NPSHa-NPSHr＜5.0-4.3=0.7 m，可以滿足裝置汽蝕余量大于必須汽蝕余量的要求（即NPSHa＞NPSHr）。當(dāng)機(jī)泵運(yùn)行流量＞940 m3/h 時(shí)，機(jī)泵的必須汽蝕余量NPSHr＞5.0 m，有效汽蝕余量NPSH 不能滿足機(jī)泵正常運(yùn)行要求。當(dāng)流量達(dá)到1 000 m3/h 時(shí)，機(jī)泵出口流量超過額定流量，必須汽蝕余量超過裝置汽蝕余量發(fā)生汽蝕，造成密封腔內(nèi)壓力和溫度劇烈波動(dòng)，影響密封端面液膜的穩(wěn)定。密封腔處的介質(zhì)熱量積聚導(dǎo)致機(jī)封在運(yùn)行時(shí)端面有較大溫升，附近輕組分的烴類介質(zhì)發(fā)生氣化，端面無液體進(jìn)行有效潤(rùn)滑，發(fā)生干摩擦使一級(jí)密封面動(dòng)環(huán)處磨損嚴(yán)重，介質(zhì)側(cè)O 型圈高溫老化甚至發(fā)生碳化現(xiàn)象[3-5]。

2 解決辦法及措施

2.1 更換密封材料

將O 型圈材質(zhì)更換為全氟醚橡膠，因?yàn)槿严鹉z具有更好的耐化學(xué)性、耐熱性，表面沒有滲透、開裂和針孔等困擾，長(zhǎng)期工作溫度為-39～288 ℃，短期可達(dá)315 ℃，在低于脆化溫度下仍具有一定塑性，硬而不脆，可彎曲[6]。將鎖緊環(huán)處的緊定螺釘強(qiáng)度由6.8 級(jí)提高到8.8 級(jí)，防止在機(jī)械密封腔內(nèi)壓力和溫度劇烈波動(dòng)時(shí)，螺栓松動(dòng)造成軸套沿軸向竄出。

2.2 增加裝置汽蝕余量

平穩(wěn)操作,通過公式（1）可知，在保證丙烯塔正常操作的前提下，盡量增加丙烯塔的液位高度，可以增加泵的相對(duì)安裝高度hg，即增加泵前介質(zhì)的壓力；拆除丙烯塔回流泵入口管線的保溫，可以降低泵入口介質(zhì)溫度，即減小泵前介質(zhì)飽和蒸汽壓，以上措施可以增加裝置的有效汽蝕余量，防止介質(zhì)氣化。

2.3 減少機(jī)泵必須汽蝕余量

為了防止機(jī)泵在超過額定流量運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生汽蝕，機(jī)泵在該流量下的必須汽蝕余量大于裝置汽蝕余量。根據(jù)機(jī)泵的性能曲線分析，將機(jī)泵葉輪切割可減小機(jī)泵的必須汽蝕余量。切割葉輪后的機(jī)泵還需滿足在泵最大流量（約1 000 m3/h）運(yùn)行時(shí)揚(yáng)程的需要。

式中：H總-系統(tǒng)總壓頭；H系統(tǒng)-克服65 m 的高度塔高水頭、入塔塔頂與出塔塔底背壓差水頭之和，常量；HVA-附件阻力降總壓頭，泵出口沿程管線所有管件的壓頭阻力降總和，隨流量變大壓頭阻力降總和變大；HVR-管線阻力降總壓頭，泵出口沿程管線壓頭阻力降總和，隨流量變大壓頭阻力降總和變大。

在流量為1 000 m3/h 時(shí)，機(jī)泵的系統(tǒng)總壓頭H總分別為65、95 m，塔液位至泵體中心線高度約為65 m，通過公式（2）可知，H總隨著機(jī)泵流量增大而增大，分析在泵流量為1 000 m3/h 時(shí)需要不小于70 m 揚(yáng)程總壓頭才能滿足機(jī)泵運(yùn)行要求。將自上而下第一根曲線沿著自右向左第一根豎線垂直向下平移至揚(yáng)程垂直坐標(biāo)為70 m 后，新生成的自上而下第三根曲線與自右向左第一根豎線相交的點(diǎn)，該點(diǎn)葉輪直徑為φ512 mm。該葉輪直徑能夠滿足總壓頭的工藝要求，又降低了泵的必須汽蝕余量，在調(diào)節(jié)閥全開的狀態(tài)下，最大流量也能滿足1 000 m3/h 的工藝調(diào)節(jié)。

圖1 中自下而上第一根曲線為葉輪切割至直徑φ512 mm 時(shí)泵必須汽蝕余量與流量的性能曲線，當(dāng)流量為1 000 m3/h 時(shí)，機(jī)泵必須汽蝕余量NPSHr 為4.5 m（自右向左第一根豎線與自下而上第一根曲線交點(diǎn)）。此時(shí)泵必須汽蝕余量NPSHr 為4.5 m 小于裝置汽蝕余量（約5.0 m），泵不會(huì)發(fā)生汽蝕，切割葉輪后可以避免泵在大流量下汽蝕造成機(jī)封泄漏。

圖1 切割前后泵的必須汽蝕余量曲線

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)氣分裝置丙烯塔回流泵葉輪外徑進(jìn)行切削改造后，機(jī)泵運(yùn)行時(shí)將調(diào)節(jié)閥全開最大流量可以達(dá)到980 m3/h，揚(yáng)程能夠滿足生產(chǎn)需要，出口高頻振動(dòng)明顯減弱，流量調(diào)節(jié)自動(dòng)控制趨勢(shì)穩(wěn)定，機(jī)泵已連續(xù)運(yùn)行半年以上。

本文通過分析丙烯塔回流泵在超過額定流量運(yùn)行時(shí)容易發(fā)生汽蝕導(dǎo)致機(jī)械密封頻繁泄漏的故障現(xiàn)象，提出了切割葉輪改進(jìn)措施。經(jīng)過改造，避免了機(jī)泵機(jī)封頻繁泄漏檢修，除去檢修人工費(fèi)用和泄壓導(dǎo)致的液化氣損失外，更換機(jī)封的費(fèi)用1 年可節(jié)約35 萬元。切割葉輪后機(jī)泵電流降低20 A，該泵屬于高壓電機(jī)，一年節(jié)約電費(fèi)約73 萬元。高危泵MTBR、MTBF 指標(biāo)開始回升，產(chǎn)生了良好的效益。