催化熱水循環(huán)泵機(jī)封頻繁泄漏問題分析及治理

馮 龍，龔 文，王 楠

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

寧夏石化公司260×104t/a 催化裂化裝置熱水循環(huán)泵主要為反再系統(tǒng)外取熱器汽包（1202-D-118A/B）上水提供循環(huán)動力，該機(jī)泵的平穩(wěn)運(yùn)行關(guān)系到反再系統(tǒng)的安全操作。該熱水循環(huán)泵型號為ZF300-5500，密封沖洗方案為PLAN23，此方案通過機(jī)封泵效環(huán)將沖洗水泵送出來，經(jīng)由機(jī)封冷卻器冷卻后再進(jìn)入泵效環(huán)內(nèi)，對機(jī)封密封面進(jìn)行潤滑、沖洗、降溫，防止機(jī)封密封面出現(xiàn)因沖洗不佳導(dǎo)致的過熱、裂化、動靜環(huán)崩裂泄漏隱患，保障機(jī)泵安全平穩(wěn)長周期運(yùn)行。自2011 年催化裂化裝置開工以來已運(yùn)行12 年，受限于機(jī)封冷卻器器壁、沖洗水盤管外部結(jié)垢、原機(jī)封冷卻器循環(huán)水管線較細(xì)等問題，造成熱水循環(huán)泵機(jī)封沖洗水冷后溫度偏高，平均為85 ℃，導(dǎo)致機(jī)封密封面熱裂化磨損較快，機(jī)封出現(xiàn)頻繁泄漏問題，影響機(jī)泵的長周期運(yùn)行及部門MTBF 指標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2020 年大檢修投用以來，催化熱水循環(huán)泵已累計(jì)檢修更換機(jī)封15 余次，平均每次檢修時間約為16 h，檢修次數(shù)頻繁，檢修工作量大，機(jī)泵無法滿足裝置長周期安全運(yùn)行要求[1-2]。

1 機(jī)封頻繁泄漏問題分析

針對催化熱水循環(huán)泵機(jī)封頻繁泄漏問題，部門進(jìn)行工藝運(yùn)行情況及檢維修技術(shù)分析。

1.1 工藝運(yùn)行情況分析

在催化熱水循環(huán)泵運(yùn)行過程中，主要存在以下工藝系統(tǒng)：沖洗水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、機(jī)封冷卻器流程系統(tǒng)、工藝伴熱系統(tǒng)。

1.1.1 沖洗水系統(tǒng) 本裝置催化熱水循環(huán)泵使用的PLAN23 密封沖洗方案（圖1），該方案普遍應(yīng)用于單端面熱水泵的密封沖洗，沖洗水在密封腔內(nèi)受泵效環(huán)旋轉(zhuǎn)動力，從密封腔流出，經(jīng)外置機(jī)封冷卻器冷卻后回到密封端面，對密封進(jìn)行沖洗、冷卻，屬于自沖洗密封。

圖1 PLAN23 密封沖洗方案

在PLAN23 密封沖洗方案具體應(yīng)用過程中，通過測量發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)機(jī)泵檢修后運(yùn)行2 個月左右，機(jī)封沖洗水冷后溫度便會逐步上升，2 個月后的普遍溫度均在85 ℃左右且進(jìn)一步上升，在如此高溫的作用下，沖洗水存在汽化現(xiàn)象，造成密封面無法實(shí)現(xiàn)自沖洗降溫，動靜環(huán)產(chǎn)生干摩擦，最終導(dǎo)致密封面熱裂破損，即密封失效泄漏。

1.1.2 循環(huán)水系統(tǒng) 本裝置循環(huán)水系統(tǒng)由外部水汽車間將循環(huán)水處理后進(jìn)行供給，循環(huán)水來路溫度為22 ℃，回路溫度為26 ℃，循環(huán)水壓力在0.25～0.45 MPa。通過定期對催化熱水循環(huán)泵處循環(huán)水導(dǎo)淋進(jìn)行排污發(fā)現(xiàn)淤泥、雜質(zhì)較多，對循環(huán)水進(jìn)行化驗(yàn)，相關(guān)參數(shù)見表1，可見循環(huán)水水質(zhì)較差，部分指標(biāo)超標(biāo)或處于正常偏高狀態(tài)。

現(xiàn)場通過檢查熱水循環(huán)泵循環(huán)水管線，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水支路總管管徑為DN25 mm，但在連接機(jī)封冷卻器之前卻縮小變徑為DN8 mm。結(jié)合循環(huán)水水質(zhì)較差問題，在縮小管線變徑后，循環(huán)水管線更易發(fā)生堵塞問題，且隨著堵塞問題的發(fā)生會造成循環(huán)水進(jìn)出機(jī)封冷卻器流速、流量進(jìn)一步下降，最終導(dǎo)致惡性循環(huán)，直至徹底堵死管線。當(dāng)循環(huán)水管線失效時，機(jī)封冷卻器冷卻效果自然歸零，造成機(jī)封沖洗水溫居高不下，導(dǎo)致機(jī)封干磨泄漏。

1.1.3 機(jī)封冷卻器流程系統(tǒng) 本機(jī)泵機(jī)封冷卻器流程見圖2，其中循環(huán)水及沖洗水流程均為上進(jìn)上出，循環(huán)水走殼程，沖洗水走管程蛇形盤管。在長時間使用情況下，循環(huán)水殼程底部就會形成淤泥堆積點(diǎn)，造成機(jī)封冷卻器底部淤堵并且冷卻器底部未設(shè)置在線排凝閥門，無法實(shí)現(xiàn)在線排污，導(dǎo)致循環(huán)水運(yùn)行不暢且沖洗水冷卻效果下降的問題。同時，當(dāng)沖洗水冷卻不足，沖洗水溫逐漸飆升，該上進(jìn)上出的管程流動模式同樣產(chǎn)生氣阻問題，造成沖洗水循環(huán)冷卻效果進(jìn)一步下降，最終造成機(jī)封泄漏。

圖2 機(jī)封冷卻器現(xiàn)場流程圖

現(xiàn)場在機(jī)封泄漏后進(jìn)行的檢修作業(yè)中，檢修人員通過拆除機(jī)封冷卻器進(jìn)行排查時，均發(fā)現(xiàn)機(jī)封冷卻器底部存在淤泥堵塞情況，同時機(jī)封冷卻器沖洗水盤管結(jié)垢嚴(yán)重，而結(jié)垢原因則是沖洗水溫居高不下導(dǎo)致循環(huán)水附著管壁外側(cè)造成結(jié)垢。每次檢修時，都需要對機(jī)封冷卻器進(jìn)行拆開清理，但垢層隨著時間推移逐漸堅(jiān)固，清理效果逐漸變差，無法完全恢復(fù)機(jī)封冷卻器初始冷卻效果。

1.1.4 工藝伴熱系統(tǒng) 本系列機(jī)泵在設(shè)計(jì)之初便針對現(xiàn)場進(jìn)行伴熱分布處理?，F(xiàn)場針對機(jī)泵循環(huán)水及沖洗水管線均設(shè)置蒸汽伴熱線且包保溫處理，在冬季運(yùn)行時，由于蒸汽伴熱溫度高達(dá)180 ℃，會間接對沖洗水管線進(jìn)行加熱，導(dǎo)致沖洗水溫度無法下降。但另一方面，投用伴熱可以防止循環(huán)水管線結(jié)冰凍裂，屬于機(jī)泵設(shè)備必需工藝附屬系統(tǒng)。

1.2 檢維修技術(shù)分析

通過對此機(jī)泵機(jī)械密封進(jìn)行頻繁檢維修，總結(jié)得出，影響機(jī)封泄漏的主要因素有：機(jī)封冷卻器盤管結(jié)垢、冷卻水管線管徑較小、機(jī)封密封面開裂等。

1.2.1 冷卻器盤管結(jié)垢 現(xiàn)場通過拆檢機(jī)封冷卻器盤管，發(fā)現(xiàn)蛇形盤管內(nèi)外層均存在嚴(yán)重結(jié)垢、腐蝕等問題。究其原因?yàn)楸狙b置循環(huán)水水質(zhì)較差，且舊機(jī)封冷卻器循環(huán)水系統(tǒng)為上進(jìn)上出模式，循環(huán)水進(jìn)入冷卻器后通過套管實(shí)現(xiàn)下流上出，最終造成盤管及器壁內(nèi)側(cè)產(chǎn)生淤泥結(jié)垢。盤管及器壁所結(jié)垢層導(dǎo)致機(jī)封沖洗水換熱效果變差，進(jìn)而造成機(jī)封冷卻器溫度較高，反過來進(jìn)一步加深了循環(huán)水結(jié)垢現(xiàn)象的產(chǎn)生，變成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致垢層越來越厚，換熱效果越來越差。

1.2.2 機(jī)封密封面開裂 針對每次現(xiàn)場檢修發(fā)現(xiàn)機(jī)封動靜環(huán)密封面均出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，當(dāng)動靜環(huán)密封面產(chǎn)生裂紋，機(jī)封立即失效。究其原因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)無法滿足密封面的沖洗、降溫、潤滑作用，導(dǎo)致密封面干摩擦、熱裂化，動靜環(huán)崩裂。通過對PLAN23 密封沖洗方案的研究，發(fā)現(xiàn)在機(jī)泵啟動時未嚴(yán)格執(zhí)行機(jī)封沖洗系統(tǒng)排氣操作，通過該操作可將沖洗管線內(nèi)空氣排出，將沖洗水完全灌入密封腔及沖洗管內(nèi)，可有效避免氣阻產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)機(jī)封正常沖洗。同時，在機(jī)泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)時，未對機(jī)泵進(jìn)行降溫盤車操作，導(dǎo)致密封腔內(nèi)循環(huán)液無法實(shí)現(xiàn)泵效環(huán)循環(huán)，形成局部受熱腔，導(dǎo)致腔內(nèi)循環(huán)液汽化、升壓，最終沖破密封面進(jìn)行釋壓，損壞密封面。

通過以上分析排查，得出最終影響機(jī)封泄漏的根本原因?yàn)闄C(jī)封沖洗水溫度較高，主要原因總結(jié)如下：冷卻器結(jié)垢嚴(yán)重、冷卻水管線管徑小流速慢易堵塞、循環(huán)水水質(zhì)差、沖洗水溫度偏高、日常維護(hù)不足等。同時，由于循環(huán)水水質(zhì)問題和沖洗水溫度受限于現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行情況，所以短期內(nèi)無法改變；重點(diǎn)對機(jī)封冷卻器及附屬管線進(jìn)行優(yōu)化，通過對舊冷卻器換熱效率測算分析，結(jié)合機(jī)泵使用年限，判斷機(jī)封冷卻器已無法滿足當(dāng)前沖洗水的換熱指標(biāo)。

2 治理措施

在日常機(jī)泵啟動流程等方面進(jìn)行優(yōu)化、管控，要求操作工在開泵前嚴(yán)格按照操作卡進(jìn)行排氣操作，在停機(jī)后進(jìn)行至少2 h 的不間斷盤車操作，同時實(shí)測機(jī)封溫度，若溫度持久不降，可通過沖洗管線放空閥排出密封腔內(nèi)汽化液體壓力，防止密封面被呲漏。同時，經(jīng)分析判斷當(dāng)前機(jī)泵所用機(jī)封冷卻器實(shí)際上已無法滿足現(xiàn)有工況，從現(xiàn)有機(jī)泵運(yùn)行工況出發(fā)，計(jì)算設(shè)計(jì)將原沖洗水及循環(huán)水的上進(jìn)上出流向變更為換熱效率更高、結(jié)垢淤堵更少的上下進(jìn)出方式，同時考慮到當(dāng)前循環(huán)水質(zhì)問題，將換熱面積由0.66 m2擴(kuò)大至0.90 m2、循環(huán)水管徑由DN8 mm 擴(kuò)大至DN20 mm，同時對沖洗管線和機(jī)封冷卻器安裝在線排凝排氣附件等改造措施。

2.1 改造措施

此項(xiàng)改造措施所采用的新型機(jī)封冷卻器由中密廠家提供，型號為CMGR-09，見圖3，通過更換新型、換熱效率更高的機(jī)封冷卻器來確保機(jī)封效果更佳，保障機(jī)泵長周期運(yùn)行。

圖3 CMGR-09 機(jī)封冷卻器圖

2.2 現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用

新型機(jī)封冷卻器為豎直放置，其頂部分別設(shè)置V、CO、FI 口，其底部分別設(shè)置CI、D、FO 口（圖3）。在準(zhǔn)備檢查措施確認(rèn)無誤后，方可準(zhǔn)備機(jī)泵啟動前的其他相關(guān)工作。當(dāng)機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)后，機(jī)封沖洗水出口溫度會隨之升高，觀察記錄變化趨勢。在機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)或停運(yùn)期間，班組日常接設(shè)備員指示對機(jī)封冷卻器系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)，主要針對循環(huán)冷卻水淤泥堵塞問題進(jìn)行現(xiàn)場疏通。需要現(xiàn)場打開冷卻器罐底排凝閥，排除淤泥雜質(zhì)后關(guān)閉閥門，打開罐頂排氣閥，待見循環(huán)水后關(guān)閉閥門即可。巡檢主要注意機(jī)封冷卻器運(yùn)行是否正常，外觀是否存在泄漏，機(jī)封運(yùn)行是否正常，機(jī)封沖洗水冷后溫度是否平穩(wěn)且無異常上漲。

2.3 改造效果評價

本次改造于2023 年4 月26 日投用，現(xiàn)場檢查機(jī)泵運(yùn)行正常，機(jī)封冷卻器運(yùn)行正常。實(shí)測機(jī)封沖洗水冷后溫度為35 ℃，相較改造之前的沖洗水冷后溫度下降50 ℃。通過實(shí)測機(jī)封冷卻器溫度發(fā)現(xiàn)改造后機(jī)封沖洗水冷后溫度均可控制在45 ℃以下，并且漲幅并不明顯，機(jī)封實(shí)際運(yùn)行效果良好。

3 結(jié)語

通過對催化熱水循環(huán)泵機(jī)封頻繁泄漏問題的分析及有效治理，通過技術(shù)改造及日常維護(hù)管控等多種手段，目前機(jī)封運(yùn)行效果良好，有效保障熱水循環(huán)泵安全長周期運(yùn)行，同時解決了部門頻繁檢修問題隱患。